Tổng quan luận án

Động cơ sử dụng ổ từ là dạng máy điện vận hành trên nguyên lý nâng trục bằng lực từ trường, không tiếp xúc cơ khí giữa rotor và stator. Cấu trúc này mang lại các đặc tính làm việc ở dải tốc độ rất cao, môi trường nhiệt độ khắc nghiệt, không yêu cầu dầu bôi trơn, loại bỏ nguy cơ cháy nổ và tăng thời gian làm việc liên tục. Các hệ thống động cơ ổ từ kinh điển thường có sáu bậc tự do, cấu tạo gồm hai bộ ổ từ ngang trục, một bộ ổ từ dọc trục riêng biệt và một động cơ quay. Cấu trúc này đòi hỏi các mạch vòng điều khiển độc lập cho từng thành phần, khiến chiều dài trục động cơ gia tăng, kết cấu cơ khí cồng kềnh, dễ bị uốn cong khi gặp xung lực quán tính và làm tăng giá thành chế tạo. Để tinh giản phần cứng, cấu trúc tích hợp ổ từ dọc trục - động cơ (động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục - KTVC TTDT, dạng sandwich gồm một rotor đĩa phẳng nằm giữa hai stator) được nghiên cứu và ứng dụng nhằm đồng thời tạo momen quay và lực dọc trục giữ cân bằng vị trí rotor.

Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ KTVC TTDT hiện nay đều sử dụng thiết bị đo cơ học (như encoder hoặc resolver) gắn trên trục để thu thập tín hiệu vị trí góc và tốc độ rotor. Ở dải tốc độ cao, cảm biến đo tốc độ có giá thành lớn, làm tăng kích thước phần cứng, suy giảm độ cứng vững cơ khí, gia tăng rung lắc và đòi hỏi bảo trì thường xuyên. Bên cạnh đó, động cơ đồng bộ KTVC TTDT là hệ thống phi tuyến có hai bậc tự do chuyển động (chuyển động quay quanh trục $z$ và chuyển động tịnh tiến dọc trục $z$), có khe hở không khí biến thiên làm thay đổi điện cảm pha, đồng thời xuất hiện sự tương tác xen kênh giữa lực dọc trục và momen quay. Các công trình trước đây chủ yếu sử dụng mô hình toán học rút gọn để thiết kế bộ điều khiển PID hoặc bộ điều khiển trượt đơn giản, chưa giải quyết triệt để sai lệch do thành phần bất định và nhiễu tải, cũng như thiếu các giải pháp quan sát vị trí và tốc độ không dùng cảm biến cho hệ hai bậc tự do này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  1. Xây dựng bộ quan sát để ước lượng vị trí góc rotor và tốc độ quay thay thế thiết bị đo tốc độ trong hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục theo phương pháp tựa theo từ thông rotor.
  2. Xây dựng hệ thống mô phỏng thời gian thực để đánh giá hoạt động của các bộ quan sát ước lượng vị trí góc rotor và tốc độ quay thay thế thiết bị đo vị trí góc và tốc độ trong hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục theo phương pháp tựa theo từ thông rotor.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Hoàn thiện hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục theo phương pháp tựa theo từ thông rotor có sử dụng cảm biến đo vị trí và tốc độ quay.
    • Phương pháp ước lượng vị trí và tốc độ quay động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục trong phạm vi tốc độ trung bình và lớn. Luận án tập trung nghiên cứu hai bậc tự do của ổ từ dọc trục - động cơ (chuyển động quay $\theta_z$ và dịch chuyển dọc trục $z$), giả định bốn bậc tự do ngang trục ($x, y, \theta_x, \theta_y$) đã được điều khiển ổn định bởi hai ổ từ ngang trục.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các công trình nghiên cứu về cấu trúc và điều khiển động cơ ổ từ dọc trục được tác giả hệ thống hóa qua các nhóm hướng nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu về cấu trúc động cơ ổ từ: Các công trình kinh điển của Chiba, Fukao, Matsuzaki [1], [5], [6] khảo sát hệ thống sáu bậc tự do gồm hai ổ từ ngang trục và một ổ từ dọc trục độc lập, chỉ ra hạn chế về kích thước và chiều dài trục. Các nghiên cứu tiếp theo của Okada, Deodhar, Chiba [6], [7], [8] phát triển cấu trúc tích hợp ổ từ ngang trục - động cơ và tích hợp ổ từ dọc trục - động cơ nhằm giảm số lượng ổ từ và rút ngắn trục quay.
  2. Nghiên cứu cấu trúc và thuật toán điều khiển:
    • Đối với động cơ từ thông dọc trục (AFPM) một bậc tự do: Các công trình của Cavagnino, Parviainen, Caricchi [23]–[25] áp dụng cấu trúc điều khiển vector dùng bộ điều khiển PID; công trình của Wai, Lee [26] ứng dụng điều khiển trượt cho các mạch vòng. Nhóm công trình này chỉ xét chuyển động quay thuần túy, chưa tính đến sự dịch chuyển dọc trục và tương tác xen kênh.
    • Đối với động cơ KTVC TTDT xét tương tác xen kênh: Các nghiên cứu của Mizuno, Araki [3], [27], [28] khảo sát cấu trúc một rotor - một stator sử dụng bộ điều khiển PI và PID ở dải công suất thấp. Các công trình của Okada, Shinshi, Nguyen Quang Dich [7], [9], [25], [29], [30] nghiên cứu cấu trúc sandwich (một đĩa rotor nằm giữa hai stator), áp dụng điều khiển vector tách kênh với dòng $i_d$ điều khiển lực dọc trục và dòng $i_q$ điều khiển momen. Công trình của Nguyen Quang Dich [31] áp dụng bộ điều khiển trượt. Điểm hạn chế chung của các nghiên cứu này là sử dụng mô hình toán học rút gọn, tuyến tính hóa bỏ qua các thành phần phi tuyến bậc cao và chưa xét đầy đủ ảnh hưởng của nhiễu tải dọc trục $F_L$ và momen tải $T_L$.
  3. Nghiên cứu chiến lược điều khiển không dùng cảm biến tốc độ (sensorless):
    • Nhóm phương pháp dựa trên sự biến thiên điện cảm cực lồi stator: Gồm phương pháp đo điện kháng trực tuyến gián tiếp (INFORM) của Schrödl, Weinmeier [32], [38]–[42] và phương pháp chèn tín hiệu phụ tần số cao của Jansen, Lorenz, Ha, Sul [43]–[48]. Các phương pháp này áp dụng được cho vùng tốc độ thấp và điểm dừng, nhưng giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp, phụ thuộc vào đặc tính cực lồi và có thể tạo sóng hài do điện áp tần số cao.
    • Nhóm phương pháp sử dụng bộ quan sát trạng thái ước lượng sức điện động cảm ứng (BEMF): Các công trình của Kim, Sul, Morimoto, Consoli [37], [49]–[54] ứng dụng bộ quan sát Luenberger, bộ lọc Kalman, bộ quan sát trượt (SMO) và bộ quan sát High-gain (HGO) [55]–[60]. Nhóm phương pháp này áp dụng hiệu quả cho dải tốc độ từ trung bình đến cao. Tuy nhiên, các công bố về HGO và SMO trước đó chủ yếu áp dụng cho động cơ truyền thống có một bậc tự do và khe hở không khí cố định.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết:

  • Xây dựng mô hình toán học đầy đủ của động cơ đồng bộ KTVC TTDT hai bậc tự do có tính đến sự thay đổi của khe hở không khí và tương tác xen kênh.
  • Tổng hợp hệ điều khiển tích hợp gồm bộ điều khiển Backstepping cải tiến kết hợp bộ quan sát High-gain để bù sai lệch mô hình và nhiễu tải.
  • Thiết kế và so sánh hai giải pháp quan sát BEMF (bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt) nhằm ước lượng vị trí góc và tốc độ rotor cho động cơ hai bậc tự do ở dải tốc độ trung bình và lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển vector (FOC) tựa theo từ thông rotor, lý thuyết ổn định Lyapunov cho hệ phi tuyến, giải thuật điều khiển Backstepping kết hợp bộ lọc bậc nhất (Dynamic Surface Control - DSC), lý thuyết bộ quan sát High-gain và lý thuyết điều khiển trượt.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa giải tích, mô phỏng số và mô phỏng thực nghiệm thời gian thực:

  • Phương pháp mô hình hóa toán học: Sử dụng phép biểu diễn vector không gian và phép chuyển đổi tọa độ Park - Clark đưa hệ phương trình vi phân mô tả động cơ từ hệ tọa độ ba pha tĩnh $uvw$ sang hệ tọa độ tĩnh hai pha $\alpha\beta$ và hệ tọa độ quay hai pha $dq$. Tính toán biểu thức năng lượng từ trường $W$, từ đó suy ra lực dọc trục tổng quát $F$ và momen điện từ $T$ tác dụng lên rotor.
  • Phương pháp tổng hợp thuật toán điều khiển và quan sát:
    • Phát triển thuật toán Backstepping cải tiến: Bổ sung thành phần tích phân sai số tại mỗi bước đệ quy để triệt tiêu sai số xác lập và đưa tín hiệu qua khâu lọc bậc nhất nhằm tránh hiện tượng bùng nổ toán hạng (vi phân tín hiệu điều khiển ảo).
    • Thiết kế bộ quan sát High-gain ước lượng nhiễu hệ thống: Áp dụng kỹ thuật đổi biến trạng thái phụ ($\xi_1, \xi_2$) nhằm triệt tiêu thành phần đạo hàm biến trạng thái, ngăn ngừa sự khuếch đại nhiễu đo khi tăng hệ số quan sát.
    • Thiết kế bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt (SMO) ước lượng sức điện động cảm ứng $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$, kết hợp khâu hiệu chỉnh đầu ra (bộ hiệu chỉnh pha/PLL) để tính toán vị trí góc $\theta_e$ và tốc độ $\omega_e$.
    • Chứng minh tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ kín dựa trên các hàm mục tiêu Lyapunov ($V_1, V_2, V_3, V$).
  • Phương pháp kiểm chứng mô phỏng thời gian thực: Sử dụng cấu hình Hardware-in-the-Loop (HIL) cấp tín hiệu, trong đó mô hình động cơ và bộ nghịch lưu công suất được nạp vào thiết bị chuyên dụng Typhoon HIL402, thuật toán điều khiển và quan sát được biên dịch thực thi trên card DSP TMS320F28379D (hoặc TMS320F2808).

Nguồn dữ liệu và thông số của động cơ nghiên cứu trong luận án được tổng hợp theo bảng sau:

Ký hiệu Tên thông số / Đại lượng Đơn vị
$L_{sd}, L_{sq}$ Điện cảm pha của stator trên trục $d$ và trục $q$ $\text{mH}$
$L'{sd0}, L'{sq0}$ Độ tự cảm hiệu dụng trên một đơn vị khe hở chiếu theo trục $d, q$ $\text{mH}\cdot\text{mm}$
$L_{sl}$ Điện cảm rò của cuộn dây stator $\text{mH}$
$g_0$ Khe hở không khí khi rotor ở vị trí cân bằng $\text{mm}$
$z$ Độ lệch dịch chuyển dọc trục của rotor so với vị trí cân bằng $\text{mm}$
$R_s$ Điện trở dây quấn stator $\Omega$
$\lambda_m, \lambda_f$ Từ thông móc vòng và từ thông rotor $\text{Wb}$
$p_c$ Số đôi cực từ của động cơ —
$J$ Momen quán tính của hệ thống quay $\text{kg}\cdot\text{m}^2$
$m$ Khối lượng rotor $\text{kg}$
$i_f$ Dòng điện kích từ tương đương nam châm vĩnh cửu $\text{A}$
$i_{d0}$ Dòng điện offset phân cực trục $d$ $\text{A}$
$F_L, T_L$ Lực tải dọc trục và momen tải ngoài tác dụng lên hệ thống $\text{N}, \text{Nm}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục

Chương 1 giới thiệu tổng quan về nguyên lý hoạt động của hệ thống ổ từ và các dạng cấu trúc động cơ ổ từ. Tác giả phân tích cấu tạo của động cơ đồng bộ KTVC TTDT gồm rotor dạng đĩa phẳng kẹp giữa hai stator đối xứng, phân loại hai cấu trúc nam châm: rotor cực lồi ($L_{sd} \neq L_{sq}$, nam châm đặt chìm trong rãnh rotor) và rotor cực ẩn ($L_{sd} = L_{sq}$, nam châm gắn bề mặt). Mỗi stator được cấp nguồn xoay chiều ba pha độc lập để sinh ra từ trường quay, tạo ra hai thành phần momen $T_1, T_2$ cùng chiều làm quay rotor và hai lực hút dọc trục $F_1, F_2$ ngược chiều nhau tác động lên hai mặt rotor.

Chương này đánh giá chi tiết các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về cấu trúc điều khiển vector và các chiến lược điều khiển sensorless. Tác giả chỉ ra rằng ở dải tốc độ thấp hoặc khởi động, phương pháp tiêm tín hiệu cao tần và INFORM có thể xác định góc rotor nhưng làm tăng độ phức tạp mạch công suất và gây sóng hài. Đối với dải tốc độ làm việc từ trung bình đến cao (phù hợp với các ứng dụng thực tế của động cơ ổ từ như máy nén khí, bơm chân không, bánh đà tích năng), phương pháp ước lượng sức điện động cảm ứng (BEMF) là giải pháp tối ưu. Do đó, chương 1 xác định định hướng của luận án: thiết kế hệ điều khiển vòng ngoài thích nghi với sai lệch mô hình và xây dựng các bộ quan sát BEMF (High-gain và bộ quan sát trượt) để điều khiển không cảm biến tốc độ.

Chương 2: Mô hình và cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục

Chương 2 thiết lập mô hình toán học chi tiết của động cơ đồng bộ KTVC TTDT trên hệ tọa độ quay $dq$. Do khe hở không khí $g = g_0 \mp z$ thay đổi trong quá trình làm việc, các giá trị điện cảm pha biến thiên theo quan hệ: $$L_{sd} = \frac{3L'{sd0}}{2g} + L{sl}, \quad L_{sq} = \frac{3L'{sq0}}{2g} + L{sl}$$

Hệ phương trình điện áp stator trên hệ trục $dq$: $$L_{sd} \frac{di_{sd}}{dt} = u_{sd} - R_s i_{sd} + \omega_e L_{sq} i_{sq}$$ $$L_{sq} \frac{di_{sq}}{dt} = u_{sq} - R_s i_{sq} - \omega_e L_{sd} i_{sd} - \omega_e \lambda_m$$

Từ biểu thức năng lượng từ trường $W$, tác giả tính toán lực dọc trục và momen tổng hợp của hai stator tác động lên rotor, sau đó tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng ($z = 0$) qua khai triển Maclaurin:

  • Momen tổng hợp: $$T = K_T(i_{q1} + i_{q2}) + K_T(i_{q2} - i_{q1})\frac{z}{g_0} + K_R(i_{d1}i_{q1} + i_{d2}i_{q2}) + K_R(i_{d2}i_{q2} - i_{d1}i_{q1})\frac{z}{g_0}$$ với các hệ số $K_T = \frac{3p_c L'{sd0} i_f}{2g_0}$, $K_R = \frac{3p_c(L'{sd0} - L'_{sq0})}{2g_0}$.
  • Lực dọc trục tổng hợp: $$F = K_{Fd}\left[(i_{d2} + i_f)^2 - (i_{d1} + i_f)^2\right] + K_{Fq}(i_{q2}^2 - i_{q1}^2) + 2K_{Fd}\left[(i_{d2} + i_f)^2 + (i_{d1} + i_f)^2\right]\frac{z}{g_0} + 2K_{Fq}(i_{q2}^2 + i_{q1}^2)\frac{z}{g_0}$$ với $K_{Fd} = \frac{3L'{sd0}}{4g_0^2}$, $K{Fq} = \frac{3L'_{sq0}}{4g_0^2}$.

Để tách kênh điều khiển, tác giả áp dụng nguyên tắc đặt dòng: $i_{d1} = i_{d0} - i_d$, $i_{d2} = i_{d0} + i_d$, $i_{q1} = i_{q2} = i_q$. Khi chọn dòng phân cực $i_{d0} \approx 0$ và độ lệch $z \ll g_0$, momen tổng và lực tổng được xấp xỉ thành $T \approx 2K_T i_q$ và $F \approx 4K_{Fd} i_f i_d$.

Mô hình động học thực tế chứa các thành phần bất định và nhiễu tải $d_1 = d_z - \frac{F_L}{m}$ và $d_2 = d_\omega - \frac{T_L}{J}$. Luận án thiết kế bộ quan sát High-gain sử dụng biến phụ $\xi_1, \xi_2$: $$\hat{d}_1 = -\frac{x_2}{\varepsilon_1} + \frac{\frac{x_2}{\varepsilon_1} + g_1 i_d}{\varepsilon_1 s + 1}, \quad \hat{d}2 = -\frac{x_3}{\varepsilon_2} + \frac{\frac{x_3}{\varepsilon_2} + g_2 i_q}{\varepsilon_2 s + 1}$$ Tín hiệu $\hat{d}1, \hat{d}2$ được đưa vào bù ở đầu vào các bộ điều khiển Backstepping cải tiến cho vị trí dọc trục $z$ và tốc độ $\omega_e$. Thuật toán Backstepping cải tiến kết hợp lọc bậc nhất DSC và khâu tích phân sai số ($k{i1}, k{i2}, k{i3}$). Tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ kín được chứng minh bằng hàm Lyapunov $V = \frac{1}{2}\sum e_i^2 + \frac{1}{2}\sum \tilde{d}_i^2 + \frac{1}{2}\sum y_i^2$. Kết quả mô phỏng số chứng minh hệ thống triệt tiêu sai lệch xác lập, bám chính xác giá trị đặt và giảm tương tác xen kênh khi có tải đột ngột.

Chương 3: Thiết kế bộ quan sát ứng dụng điều khiển không dùng cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục

Chương 3 giải quyết bài toán loại bỏ cảm biến đo vị trí góc $\theta_e$ và tốc độ quay $\omega_e$ thông qua ước lượng sức điện động cảm ứng (BEMF) trên hệ tọa độ tĩnh $\alpha\beta$: $$e_{s\alpha} = -\omega_e \lambda_m \sin\theta_e, \quad e_{s\beta} = \omega_e \lambda_m \cos\theta_e$$

Hai cấu trúc bộ quan sát BEMF được thiết kế và khảo sát:

  1. Bộ quan sát High-gain (HGO): Xây dựng phương trình trạng thái ước lượng dòng điện và BEMF với các hệ số khuếch đại lớn $\frac{1}{\varepsilon_\alpha}, \frac{1}{\varepsilon_\beta}$. Tác giả chứng minh tính ổn định của HGO theo tiêu chuẩn Lyapunov.
  2. Bộ quan sát trượt (SMO): Xây dựng mặt trượt dựa trên sai lệch dòng điện stator $S = [\tilde{i}{s\alpha}, \tilde{i}{s\beta}]^T$. Tín hiệu đóng cắt dạng hàm dấu $\text{sign}(S)$ được lọc qua khâu hiệu chỉnh đầu ra cải tiến để trích xuất tín hiệu BEMF liên tục, loại bỏ thành phần chattering tần số cao. Góc pha $\theta_e$ và tốc độ $\omega_e$ được tái tạo qua khâu vòng khóa pha (PLL).

Kết quả mô phỏng so sánh giữa hai bộ quan sát trên phần mềm cho thấy:

  • Cả hai bộ quan sát đều ước lượng hội tụ về giá trị thực ở dải tốc độ làm việc.
  • Bộ quan sát trượt (SMO) có chất lượng vượt trội hơn bộ quan sát High-gain: thời gian quá độ ngắn hơn, biên độ dao động sai số nhỏ hơn và sai số tĩnh góc quay rotor $\theta_e$ thấp hơn đáng kể trong các chế độ thay đổi tốc độ và đóng tải.

Đối với vùng tốc độ thấp khi khởi động (sức điện động cảm ứng có biên độ quá nhỏ, bị ảnh hưởng bởi nhiễu), hệ thống áp dụng chiến lược khởi động mạch hở: cấp dòng điện $I$ cố định để kéo rotor quay theo tần số tăng dần đến khi tốc độ đạt ngưỡng tin cậy, sau đó chuyển mạch êm sang chế độ sensorless mạch kín.

Chương 4: Mô hình và kết quả mô phỏng thời gian thực

Chương 4 tập trung kiểm chứng hệ thống điều khiển và giải thuật quan sát đề xuất thông qua kỹ thuật mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop (HIL).

Cấu hình hệ thống thử nghiệm HIL bao gồm:

  • Thiết bị Typhoon HIL402: Đóng vai trò mô phỏng thời gian thực đối tượng vật lý gồm động cơ đồng bộ KTVC TTDT (mô hình toán học hai bậc tự do) và hai bộ nghịch lưu cầu ba pha đóng cắt ở tần số $20\text{ kHz}$.
  • Card DSP Interface TMS320F28379D (hoặc TMS320F2808): Thực thi toàn bộ thuật toán điều khiển vector, bộ điều khiển Backstepping cải tiến và bộ quan sát trượt ước lượng BEMF theo thời gian thực với chu kỳ trích mẫu điều khiển nhỏ.
  • Phần mềm Typhoon HIL Control Center: Cung cấp giao diện nạp mô hình, cấu hình các kênh vào/ra tương tự (Analog Output) và số (Digital Input/Output), ghi nhận dữ liệu đáp ứng.

Các kịch bản kiểm chứng thời gian thực được thực hiện:

  • Quá trình khởi động không tải và quá trình thay đổi tốc độ đặt từ $150\text{ rad/s}$ lên $200\text{ rad/s}$ và ngược lại.
  • Thử nghiệm đóng tải lực dọc trục $F_L$ đột ngột: Vị trí dọc trục $z$ nhanh chóng trở về vị trí cân bằng ($z = 0\text{ mm}$), dòng $i_d$ thay đổi tương ứng để sinh lực bù, tốc độ quay $\omega_e$ không bị ảnh hưởng.
  • Thử nghiệm đóng momen tải $T_L$ đột ngột: Tốc độ $\omega_e$ duy trì bám sát giá trị đặt sau thời gian quá độ ngắn, dòng $i_q$ tăng tương ứng với tải, độ lệch vị trí $z$ dao động trong phạm vi rất nhỏ rồi triệt tiêu.
  • Đánh giá tín hiệu BEMF $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$ và góc $\theta_e$ ước lượng: Tín hiệu bám sát giá trị thực từ bộ mô phỏng Typhoon HIL với sai lệch góc nhỏ, khẳng định tính khả thi của thuật toán khi chạy trên phần cứng DSP thực tế.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Thiết lập mô hình toán học đầy đủ hai bậc tự do cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục dạng sandwich (một rotor nằm giữa hai stator), có tính đến sự phụ thuộc phi tuyến của điện cảm pha vào khe hở không khí và tương tác xen kênh giữa chuyển động tịnh tiến dọc trục và chuyển động quay.
  2. Đề xuất cấu trúc điều khiển tích hợp cho mạch vòng bên ngoài: kết hợp thuật toán Backstepping cải tiến (bổ sung thành phần tích phân sai số và khâu lọc bậc nhất DSC) với bộ quan sát High-gain đổi biến trạng thái để ước lượng và bù trực tiếp thành phần bất định cùng nhiễu tải ($d_1, d_2$), đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống theo tiêu chuẩn Lyapunov.
  3. Nghiên cứu, thiết kế và so sánh hai giải pháp quan sát sức điện động cảm ứng (High-gain và trượt) cho hệ hai bậc tự do; chứng minh giải thuật quan sát trượt kết hợp khâu hiệu chỉnh đầu ra cho chất lượng ước lượng vị trí góc và tốc độ rotor chính xác hơn ở dải tốc độ trung bình và lớn.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất giải pháp điều khiển không cảm biến tốc độ (sensorless) hoàn chỉnh cho động cơ đồng bộ KTVC TTDT, cho phép loại bỏ thiết bị đo góc và tốc độ gắn trên trục quay, từ đó giảm kích thước cơ khí, hạ giá thành chế tạo, tăng độ cứng vững và nâng cao độ tin cậy vận hành cho các hệ truyền động tốc độ cao.
  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng thời gian thực HIL trên nền tảng phần cứng Typhoon HIL402 ghép nối DSP TMS320F28379D, tạo tiền đề kỹ thuật cho việc triển khai thuật toán trên các bộ điều khiển công nghiệp thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Giải thuật điều khiển sensorless dựa trên ước lượng sức điện động cảm ứng chỉ làm việc tin cậy ở dải tốc độ từ trung bình đến cao; ở vùng tốc độ rất thấp hoặc trạng thái dừng, biên độ BEMF xấp xỉ bằng không nên hệ thống bắt buộc phải sử dụng quy trình khởi động vòng hở dòng điện không đổi.
  • Luận án giả định bốn bậc tự do ngang trục ($x, y, \theta_x, \theta_y$) được giữ ổn định độc lập bởi các ổ từ ngang trục, chưa xét đến ảnh hưởng ghép kênh toàn phần sáu bậc tự do khi có dao động cơ khí lớn.
  • Các kết quả thực nghiệm mới dừng lại ở mức mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop (HIL) trên DSP và thiết bị Typhoon HIL402, chưa thử nghiệm trên băng thử nghiệm động cơ vật lý hoàn chỉnh.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nghiên cứu kết hợp thuật toán chèn tín hiệu phụ tần số cao hoặc thuật toán INFORM ở dải tốc độ thấp/khởi động với thuật toán quan sát trượt ở dải tốc độ cao để xây dựng hệ thống điều khiển sensorless toàn dải tốc độ.
  • Triển khai cài đặt và kiểm nghiệm thực nghiệm các thuật toán điều khiển trên hệ thống phần cứng động cơ đồng bộ KTVC TTDT thực tế tại phòng thí nghiệm.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các lĩnh vực:

  • Đối tượng thụ hưởng: Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên và kỹ sư thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện, Cơ điện tử và Kỹ thuật Truyền động điện.
  • Nội dung đáng tham khảo:
    • Phương pháp xây dựng mô hình toán học giải tích cho các dòng động cơ từ thông dọc trục và động cơ tích hợp ổ từ.
    • Kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển Backstepping cải tiến kết hợp lọc bề mặt động (DSC) và kỹ thuật đổi biến trạng thái trong bộ quan sát High-gain để tránh khuếch đại nhiễu đo.
    • Quy trình thiết kế, chứng minh ổn định Lyapunov và tinh chỉnh bộ quan sát trượt (SMO) ước lượng BEMF.
    • Phương pháp luận và cấu hình ghép nối thực tế hệ thống mô phỏng thời gian thực HIL giữa Typhoon HIL và vi điều khiển DSP dòng C2000 của Texas Instruments.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong động cơ đồng bộ KTVC TTDT lại xuất hiện tương tác xen kênh giữa chuyển động dọc trục và chuyển động quay?
Trả lời: Trong biểu thức momen tổng quát $T$ và lực dọc trục tổng quát $F$, các thành phần lực và momen đều phụ thuộc đồng thời vào cả hai dòng điện $i_d, i_q$ và độ lệch khe hở không khí $z$ (phương trình 2.24 và 2.26). Cụ thể, thành phần dòng điện $i_q$ xuất hiện trong phương trình lực dọc trục qua hệ số $K_{Fq}$, và thành phần dòng điện $i_d$ cùng độ lệch $z$ xuất hiện trong phương trình momen qua hệ số $K_R$. Khi có sự biến thiên tải hoặc dịch chuyển dọc trục, hai mạch vòng điều khiển này tác động qua lại lẫn nhau.

2. Điểm cải tiến chính của thuật toán Backstepping trong luận án so với thuật toán Backstepping kinh điển là gì?
Trả lời: Luận án thực hiện hai cải tiến: thứ nhất, đưa thêm thành phần tích phân của sai số ($k_{i} \int e , dt$) vào từng bước đệ quy tính toán tín hiệu điều khiển ảo nhằm triệt tiêu sai số tĩnh khi có nhiễu bất định; thứ hai, cho tín hiệu đặt đi qua một khâu lọc bậc nhất $\frac{1}{\lambda s + 1}$ (theo kỹ thuật điều khiển mặt trượt động - DSC) để tránh việc lấy đạo hàm trực tiếp của tín hiệu điều khiển ảo, loại bỏ hiện tượng bùng nổ toán hạng và hạn chế nhiễu điều khiển.

3. Vì sao bộ quan sát trượt (SMO) lại cho kết quả ước lượng BEMF tốt hơn bộ quan sát High-gain (HGO)?
Trả lời: Động cơ đồng bộ KTVC TTDT luôn tồn tại sai lệch mô hình do khe hở không khí biến thiên làm thay đổi điện cảm pha $L_{sd}(g), L_{sq}(g)$. Bộ quan sát High-gain nhạy cảm hơn với sai lệch tham số và có nguy cơ khuếch đại nhiễu đo khi chọn hệ số khuếch đại quá lớn. Ngược lại, bộ quan sát trượt có tính bền vững trước sự biến thiên tham số của mô hình phi tuyến, giúp giảm thời gian quá độ, giảm biên độ dao động sai số và đạt sai lệch xác lập nhỏ hơn.

4. Hệ thống điều khiển xử lý giai đoạn khởi động từ tốc độ bằng không như thế nào khi phương pháp sensorless dựa trên BEMF chưa hoạt động?
Trả lời: Sức điện động cảm ứng $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$ tỉ lệ thuận với tốc độ góc $\omega_e$, nên ở tốc độ thấp biên độ BEMF rất nhỏ và bị nhiễu che lấp. Hệ thống áp dụng quy trình khởi động mạch hở: đặt dòng điện stator là hằng số với vị trí góc ban đầu xác định, sau đó tăng dần tần số quay để kéo rotor quay theo từ trường. Khi tốc độ rotor đạt ngưỡng đủ lớn đảm bảo tính toán BEMF tin cậy, hệ thống mới đóng mạch chuyển sang điều khiển vòng kín sensorless sử dụng tín hiệu phản hồi từ bộ quan sát.

5. Cấu hình phần cứng mô phỏng thời gian thực HIL của luận án gồm những thiết bị nào?
Trả lời: Hệ thống HIL gồm thiết bị mô phỏng thời gian thực Typhoon HIL402 (chạy mô hình động cơ hai bậc tự do và hai bộ nghịch lưu ba pha ở tần số chuyển mạch $20\text{ kHz}$) kết nối ghép nối cấp tín hiệu với card phần cứng DSP TMS320F28379D / TMS320F2808 (thực thi các thuật toán điều khiển vector, Backstepping cải tiến và bộ quan sát trượt BEMF).

Kết luận

Luận án của tác giả Ngô Mạnh Tùng đã giải quyết bài toán mô hình hóa và tổng hợp hệ thống điều khiển không dùng cảm biến tốc độ cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục hai bậc tự do. Tác giả đã đề xuất cấu trúc điều khiển tích hợp Backstepping cải tiến kết hợp bộ quan sát High-gain để bù sai lệch mô hình và triệt tiêu tương tác xen kênh, đồng thời thiết kế thành công bộ quan sát trượt ước lượng sức điện động cảm ứng thay thế cảm biến đo tốc độ ở dải tốc độ trung bình và lớn. Toàn bộ các thuật toán điều khiển và quan sát đều được chứng minh ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn Lyapunov và được kiểm chứng tính chính xác, khả thi trên hệ thống mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop (Typhoon HIL402 kết hợp card DSP).