Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật "Nghiên cứu hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến" của tác giả Ngô Mạnh Tùng (chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, mã số 9520216, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, năm 2022) tập trung giải quyết bài toán điều khiển truyền động không dùng cảm biến đo tốc độ cho cấu trúc động cơ tích hợp ổ từ dọc trục.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Động cơ sử dụng ổ từ có đặc tính trục quay được nâng hoàn toàn bằng lực từ trường, không tiếp xúc cơ khí, cho phép vận hành ở dải tốc độ cao, hoạt động tin cậy trong môi trường khắc nghiệt, không cần dầu bôi trơn và loại bỏ nguy cơ ô nhiễm, cháy nổ. Trong các cấu trúc động cơ ổ từ, dạng tích hợp ổ từ dọc trục - động cơ (rotor dạng đĩa đặt giữa hai stator) giúp giảm bớt số lượng ổ từ, rút ngắn chiều dài trục quay, giảm thể tích và chi phí chế tạo.

Tuy nhiên, trong các hệ thống truyền động tốc độ cao hiện nay, việc sử dụng các cảm biến đo vị trí góc và tốc độ cơ học (như encoder hay resolver) tồn tại nhiều nhược điểm:

  • Cảm biến đo tốc độ cao có giá thành đắt, làm gia tăng đáng kể tổng chi phí hệ thống.
  • Việc lắp đặt đầu đo cảm biến trực tiếp lên trục quay làm tăng kích thước chiều dài cơ khí, giảm độ cứng vững, tăng độ rung lắc và xung lực quán tính ở tốc độ cao, đồng thời tăng yêu cầu bảo trì.
  • Hầu hết các công trình nghiên cứu trước đây về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục (KTVC TTDT) chỉ sử dụng mô hình toán học rút gọn (bỏ qua các thành phần phi tuyến và biến thiên khe hở), hoặc chỉ xét hệ 1 bậc tự do quay, dẫn đến việc bỏ qua tương tác xen kênh giữa lực dọc trục và momen quay, làm giảm tính bền vững của hệ thống khi có nhiễu tải và sai lệch tham số.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: Xây dựng cấu trúc điều khiển bám và tách kênh cho hệ thống 2 bậc tự do (chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến dọc trục) dựa trên mô hình toán học đầy đủ có bù trừ nhiễu/bất định, đồng thời thiết lập giải pháp quan sát ước lượng sức điện động cảm ứng để loại bỏ hoàn toàn cảm biến đo tốc độ quay ở dải tốc độ trung bình và cao.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu cụ thể:

  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 (cấu trúc gồm một rotor đĩa phẳng nằm giữa hai stator).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Hoàn thiện hệ điều khiển động cơ đồng bộ KTVC TTDT 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 góc và tốc độ quay động cơ đồng bộ KTVC TTDT trong phạm vi tốc độ trung bình và lớn. Giả thiết 4 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

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hai nhóm vấn đề chính:

Hướng nghiên cứu Tác giả & Công trình trích dẫn tiêu biểu Đặc điểm & Giới hạn của các nghiên cứu trước
Cấu trúc điều khiển và thuật toán cho động cơ KTVC TTDT - Công trình [1]–[5]: Hệ động cơ ổ từ kinh điển.
- Công trình [6]–[8]: Hệ tích hợp ổ từ - động cơ.
- Công trình [23]–[25]: Động cơ AFPM dùng PID.
- Công trình [26]: Động cơ AFPM dùng điều khiển trượt.
- Công trình [3], [27], [28]: Cấu trúc 1 rotor - 1 stator.
- Công trình [7], [9], [25], [29], [30], [31]: Cấu trúc sandwich 1 rotor - 2 stator.		 - Đa số các công trình chỉ xét động cơ ở dạng 1 bậc tự do quay (AFPM) hoặc công suất thấp.
- Thường sử dụng mô hình toán học rút gọn/xấp xỉ tuyến tính để thiết kế bộ điều khiển PID/trượt.
- Chưa giải quyết triệt để ảnh hưởng của thành phần bất định do khe hở không khí $g$ thay đổi và tương tác xen kênh giữa lực dọc trục $F$ và momen $T$.
Chiến lược điều khiển không cảm biến (Sensorless) - Nhóm biến thiên điện cảm (INFORM, chèn tín hiệu tần số cao): [32], [38]–[48].
- Nhóm bộ quan sát (Luenberger, Kalman, Trượt, High-gain): [49]–[58].
- Ứng dụng High-gain cho hệ 1 bậc tự do: [59], [60].		 - Nhóm chèn tín hiệu/INFORM phù hợp vùng tốc độ thấp nhưng phức tạp phần cứng, phụ thuộc độ chính xác đo lường, sinh sóng hài.
- Các bộ quan sát sức điện động cảm ứng trước đây chủ yếu áp dụng cho động cơ đồng bộ 1 bậc tự do có khe hở không khí cố định.
- Chưa có nghiên cứu ứng dụng bộ quan sát High-gain hoặc bộ quan sát trượt ước lượng sức điện động cho động cơ KTVC TTDT 2 bậc tự do.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án định vị nghiên cứu vào việc:

  1. Sử dụng mô hình toán học đầy đủ (không rút gọn) để thiết kế bộ điều khiển vị trí dọc trục $z$ và bộ điều khiển tốc độ $\omega_e$ bằng kỹ thuật Backstepping cải tiến kết hợp bộ quan sát High-gain (HGO) ước lượng thành phần bất định và nhiễu tải ($d_1, d_2$).
  2. Thiết kế và so sánh hai cấu trúc quan sát sức điện động cảm ứng stator ($e_{s\alpha}, e_{s\beta}$) gồm bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt (Sliding Mode Observer - SMO) kết hợp khâu hiệu chỉnh đầu ra để trích xuất vị trí góc $\theta_e$ và tốc độ $\omega_e$ ở dải tốc độ trung bình và cao cho động cơ KTVC TTDT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết máy điện xoay chiều và biến đổi hệ tọa độ: Sử dụng các phép biến đổi vector không gian Park-Clark để mô hình hóa động cơ trên hệ tọa độ đứng yên $\alpha\beta$ và hệ tọa độ quay $dq$ tựa theo từ thông rotor.
  • Mô hình động học 2 bậc tự do: Chuyển động tịnh tiến dọc trục $z$ và chuyển động quay quanh trục $z$.
    • Mối quan hệ điện cảm pha phụ thuộc khe hở không khí: $$L_{sd} = \frac{3L'{sd0}}{2g} + L{sl}, \quad L_{sq} = \frac{3L'{sq0}}{2g} + L{sl}$$ với $g = g_0 - z$ (cho stator 1) và $g = g_0 + z$ (cho stator 2).
    • Phương trình điện áp stator trên hệ $dq$: $$L_{sd} \frac{di_{sd}}{dt} = u_{sd} - R_s i_{sd} + \omega_e L_{sq} i_{sq}$$ $$L_{sq} \frac{di_{sq}}{dt} = u_{sq} - R_s i_{sq} - \omega_e L_{sd} i_{sd} - \omega_e \lambda_m$$
    • Phương trình lực tổng dọc trục $F$ và momen tổng $T$ đầy đủ: $$T = T_1 + T_2, \quad F = F_1 - F_2$$ Sau khi phân tích tuyến tính hóa cục bộ và đặt dòng phân cực $i_{d0} \approx 0$, hệ thống tách thành: $$T = 2K_T i_q + \frac{2K_R i_d i_q z}{g_0}$$ $$F = 4K_{Fd} i_f i_d + 4\left[ K_{Fd}(i_d^2 + i_f^2) + K_{Fq}i_q^2 \right]\frac{z}{g_0}$$ trong đó các thành phần phi tuyến và phụ thuộc $z, i_d, i_q$ được nhóm thành các thành phần bất định và nhiễu hệ thống $d_1$ (trục dọc) và $d_2$ (trục quay): $$\ddot{z} = g_1 i_d + d_1, \quad \dot{\omega} = g_2 i_q + d_2$$
  • Thuật toán điều khiển Backstepping cải tiến: Tích hợp khâu tích phân sai số vào từng bước tính toán tín hiệu điều khiển ảo và bổ sung bộ lọc bậc nhất (từ kỹ thuật Dynamic Surface Control) để triệt tiêu sai số xác lập và tránh hiện tượng bùng nổ toán hạng (explosion of terms).
  • Lý thuyết ổn định Lyapunov: Sử dụng hàm Lyapunov dạng toàn phương để chứng minh tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ thống kín (bộ điều khiển kết hợp bộ quan sát).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp tổng hợp thuật toán: Ứng dụng giải tích toán học, lý thuyết điều khiển phi tuyến và ước lượng trạng thái để thiết kế bộ điều khiển Backstepping cải tiến, bộ quan sát High-gain ước lượng nhiễu $d_1, d_2$, bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt ước lượng sức điện động $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$.
  • Phương pháp mô phỏng số: Khảo sát, kiểm chứng thuật toán trên phần mềm mô phỏng với các kịch bản thay đổi tốc độ đặt, tác động lực tải dọc trục $F_L$ và momen tải $T_L$.
  • Phương pháp mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-loop (HIL):
    • Mô hình hóa đối tượng động cơ và mạch biến tần trên thiết bị Typhoon HIL402.
    • Cài đặt thuật toán điều khiển và quan sát lên card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28379D (và dòng TMS320F2808).
    • Ghép nối tín hiệu I/O thời gian thực giữa HIL402 và DSP để kiểm chứng tính khả thi trong môi trường phần cứng.
Ký hiệu / Thông số Ý nghĩa vật lý Đơn vị
$L_{sd}, L_{sq}$ Điện cảm pha stator trên trục $d$ và trục $q$ $\text{mH}$
$L_{sl}$ Điện cảm rò stator $\text{mH}$
$g_0$ Khe hở không khí ở vị trí cân bằng $\text{mm}$
$z$ Độ lệch vị trí rotor so với vị trí cân bằng $\text{mm}$
$\lambda_m, \lambda_f$ Từ thông móc vòng và từ thông rotor $\text{Wb}$
$i_{sd}, i_{sq}, u_{sd}, u_{sq}$ Dòng điện và điện áp stator trên hệ $dq$ $\text{A}, \text{V}$
$i_{s\alpha}, i_{s\beta}, u_{s\alpha}, u_{s\beta}$ Dòng điện và điện áp stator trên hệ $\alpha\beta$ $\text{A}, \text{V}$
$e_{s\alpha}, e_{s\beta}$ Sức điện động cảm ứng trên hệ $\alpha\beta$ $\text{V}$
$\omega_e, \theta_e$ Tốc độ góc điện và vị trí góc rotor $\text{rad/s}, \text{rad}$
$T, F$ Momen quay tổng và lực dọc trục tổng $\text{Nm}, \text{N}$
$J, m$ Momen quán tính và khối lượng rotor $\text{kg}\cdot\text{m}^2, \text{kg}$
$d_1, d_2$ Nhiễu tải dọc trục và momen kết hợp thành phần bất định $\text{N}, \text{Nm}$
$\varepsilon_1, \varepsilon_2, \varepsilon_\alpha, \varepsilon_\beta$ Các hệ số của bộ quan sát High-gain Không thứ nguyên

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 trình bày tổng quan về các dạng động cơ ổ từ, so sánh giữa hệ ổ từ kinh điển (6 bậc tự do, 2 ổ từ ngang, 1 ổ từ dọc, 1 động cơ riêng biệt) với các hệ tích hợp:

  • Tích hợp ổ từ ngang trục - động cơ: Giảm 1 ổ từ ngang nhưng cuộn dây và từ trường quay phức tạp.
  • Tích hợp ổ từ dọc trục - động cơ: Sử dụng rotor đĩa nằm giữa hai stator, thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ sinh momen quay $T$ và sinh lực dọc trục $F$. Cấu trúc này tối ưu chiều dài trục, giảm kích thước và chi phí phần cứng. Phân tích nguyên lý làm việc của hai loại rotor (cực lồi và cực ẩn). Đánh giá các công trình nghiên cứu điều khiển và các giải pháp điều khiển không cảm biến tốc độ (sensorless). Xác định hạn chế của phương pháp chèn tín hiệu tần số cao và chỉ ra tính khả thi của phương pháp ước lượng sức điện động cảm ứng cho dải tốc độ trung bình và lớn. Đề xuất quy trình khởi động vòng hở bằng dòng điện cố định để đưa động cơ lên tốc độ đủ lớn trước khi đóng vòng điều khiển sensorless.

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

Nội dung chương tập trung thiết lập hệ thống phương trình vi phân mô tả đối tượng:

  • Xây dựng mô hình toán học trên hệ tọa độ quay $dq$ và hệ tọa độ cố định $\alpha\beta$, thiết lập phương trình điện áp, từ thông, lực dọc trục $F_1, F_2$ và momen $T_1, T_2$ trên từng stator có xét đến sự biến thiên khe hở $g = g_0 \mp z$.
  • Đề xuất quy tắc phân bố dòng điện đặt cho hai stator: $$i_{d1} = i_{d0} - i_d, \quad i_{d2} = i_{d0} + i_d, \quad i_{q1} = i_{q2} = i_q$$ đảm bảo momen cùng chiều hỗ trợ nhau và lực dọc trục ngược chiều triệt tiêu vi sai để giữ cân bằng.
  • Thiết kế hai bộ quan sát High-gain để ước lượng thành phần bất định và nhiễu $d_1, d_2$. Bằng việc sử dụng biến trạng thái phụ $\xi_1, \xi_2$, bộ quan sát tránh được việc lấy đạo hàm trực tiếp tín hiệu trạng thái, hạn chế khuếch đại nhiễu đo.
  • Thiết kế bộ điều khiển vị trí dọc trục $z$ và bộ điều khiển tốc độ $\omega_e$ dựa trên thuật toán Backstepping cải tiến kết hợp khâu lọc bậc nhất và khâu tích phân sai số.
  • Sử dụng hàm Lyapunov toàn phương chứng minh tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ thống vòng kín. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng khử nhiễu tải $F_L, T_L$, đáp ứng bám tốt và hạn chế triệt để tương tác xen kênh giữa trục $d$ và trục $q$.

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 trình bày chi tiết thiết kế và đánh giá hai bộ quan sát sức điện động cảm ứng stator trên hệ tọa độ $\alpha\beta$:

  • Bộ quan sát High-gain: Thiết lập mô hình ước lượng sức điện động $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$ dựa trên hệ số khuếch đại lớn $1/\varepsilon$, chứng minh tính ổn định bằng tiêu chuẩn Lyapunov.
  • Bộ quan sát trượt (SMO): Thiết lập mô hình quan sát trượt phi tuyến có tính bền vững cao trước các sai lệch thông số mô hình động cơ.
  • Khâu hiệu chỉnh đầu ra: Tín hiệu sức điện động ước lượng được đưa qua mạch vòng khóa pha (PLL) hoặc khâu hiệu chỉnh góc pha cải tiến để tính toán chính xác góc vị trí rotor $\theta_e$ và tốc độ góc $\omega_e$: $$\theta_e = -\arctan\left(\frac{e_{s\alpha}}{e_{s\beta}}\right)$$
  • So sánh kết quả mô phỏng giữa hai phương pháp: Cả hai bộ quan sát đều cho đáp ứng ước lượng bám theo giá trị thực; tuy nhiên, bộ quan sát trượt (SMO) cho chất lượng vượt trội hơn về việc giảm sai lệch tĩnh và giảm dao động trong giai đoạn quá độ khi thay đổi tốc độ đặt hoặc khi xuất hiện tải đột ngột.

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

Chương 4 hiện thực hóa hệ thống trên nền tảng mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-loop (HIL):

  • Giới thiệu cấu hình thiết bị Typhoon HIL402 (chạy mô hình thời gian thực của động cơ KTVC TTDT và 2 bộ nghịch lưu cầu 3 pha tần số đóng cắt $20\text{ kHz}$) và card DSP Interface TMS320F28379D (thực thi các thuật toán Backstepping cải tiến, bộ quan sát nhiễu và bộ quan sát trượt).
  • Thiết lập sơ đồ ghép nối phần cứng và giao tiếp tín hiệu vào/ra giữa HIL và DSP.
  • Tiến hành các kịch bản thực nghiệm thời gian thực: Khởi động hệ thống, thay đổi giá trị đặt tốc độ (từ $150\text{ rad/s}$ lên $200\text{ rad/s}$ và ngược lại), đóng/cắt lực tải dọc trục $F_L$, đóng/cắt momen tải $T_L$.
  • Kết quả HIL xác nhận: Tín hiệu vị trí góc $\theta_e$, tốc độ $\omega_e$, vị trí dọc trục $z$ và các dòng điện $i_d, i_q$ đáp ứng chính xác, khẳng định tính đúng đắn và khả năng hiện thực hóa phần cứng của các thuật toán đề xuất.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Đề xuất hệ điều khiển tích hợp cho động cơ đồng bộ KTVC TTDT gồm thuật toán Backstepping cải tiến (bổ sung tích phân sai số và khâu lọc bậc nhất của mặt trượt động) kết hợp bộ quan sát High-gain ước lượng thành phần bất định và nhiễu tải. Cấu trúc này giải quyết được vấn đề bùng nổ toán hạng, khử sai số xác lập và hạn chế tương tác xen kênh giữa chuyển động tịnh tiến dọc trục và chuyển động quay.
  2. Nghiên cứu, thiết kế và so sánh hai thuật toán quan sát trạng thái (High-gain và bộ quan sát trượt SMO) để ước lượng sức điện động cảm ứng stator, phục vụ việc trích xuất vị trí góc và tốc độ rotor cho hệ động cơ KTVC TTDT 2 bậc tự do. Chứng minh được bộ quan sát trượt cho chất lượng bám tốt hơn, giảm sai số quá độ và sai số xác lập.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xây dựng giải pháp điều khiển không cảm biến tốc độ hoàn chỉnh cho động cơ KTVC TTDT ở dải tốc độ trung bình và cao, cho phép loại bỏ thiết bị đo quang/từ trên trục, giúp giảm kích thước chiều dài cơ khí, giảm chi phí chế tạo và tăng độ cứng vững cho hệ truyền động tốc độ cao.
  2. Thiết lập thành công hệ thống mô phỏng thời gian thực HIL (kết hợp Typhoon HIL402 và DSP TMS320F28379D), chứng minh các thuật toán đề xuất có thể thực thi trực tiếp trên phần cứng vi xử lý điều khiển thực tế.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng quy trình khởi động hở mạch dòng điện cố định theo chu kỳ để tạo từ trường quay cưỡng bức kéo rotor đạt vận tốc ngưỡng trước khi chuyển sang chế độ điều khiển vòng kín sensorless dựa trên sức điện động.
  • Áp dụng kỹ thuật biến đổi biến phụ trong bộ quan sát High-gain để ngăn chặn hiện tượng khuếch đại nhiễu đo khi tăng hệ số khuếch đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Phương pháp quan sát dựa trên sức điện động cảm ứng chỉ làm việc tin cậy ở dải tốc độ trung bình và cao do ở vùng tốc độ rất thấp hoặc điểm dừng, biên độ sức điện động quá nhỏ, dễ bị chìm trong nhiễu đo và sóng hài biến tần.
  • Quá trình chuyển đổi từ giai đoạn khởi động hở mạch sang điều khiển kín sensorless cần các thông số dòng điện và tần số khởi động được hiệu chỉnh cụ thể để tránh dao động cơ học.
  • Luận án giả định hệ thống đã được ổn định hoàn toàn 4 bậc tự do ngang trục nhờ các ổ từ ngang, chưa nghiên cứu ghép nối đồng thời thuật toán điều khiển toàn phần 6 bậc tự do.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu kết hợp thuật toán ước lượng sức điện động ở dải tốc độ cao với các phương pháp chèn tín hiệu phụ tần số cao hoặc INFORM ở dải tốc độ thấp để tạo thành hệ điều khiển sensorless toàn dải tốc độ (từ $0$ đến định mức).
  • Mở rộng thuật toán điều khiển phối hợp đồng thời cả ổ từ ngang trục và ổ từ dọc trục - động cơ trên một cấu trúc điều khiển phân tán hoặc tập trung.

Giá trị tham khảo

Bản luận án cung cấp tài liệu tham khảo giá trị cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật điều khiển, Tự động hóa, Kỹ thuật điện: Tham khảo Chương 2 và Chương 3 về phương pháp mô hình hóa động cơ nhiều bậc tự do, kỹ thuật thiết kế Backstepping cải tiến, kỹ thuật thiết kế bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt, cùng quy trình chứng minh ổn định bằng hàm Lyapunov.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và truyền động điện: Tham khảo Chương 4 về cấu hình ghép nối và phương pháp hiện thực hóa thuật toán điều khiển/quan sát trên hệ thống mô phỏng thời gian thực Typhoon HIL402 kết hợp DSP TMS320F28379D.
  • Các nhà nghiên cứu công nghệ ổ từ và máy điện đặc chủng: Tham khảo Chương 1 và Chương 2 về mô hình tính toán lực dọc trục vi sai và momen tổng, phục vụ việc thiết kế các hệ thống truyền động tốc độ cao không tiếp xúc như máy bơm tuabin chân không, bánh đà tích trữ năng lượng (UPS) và máy nén khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao động cơ đồng bộ KTVC TTDT lại có sự biến thiên điện cảm trong quá trình làm việc?

Trong quá trình vận hành, rotor dạng đĩa có thể dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục $z$ do tác động của ngoại lực hoặc do quá trình điều khiển lực dọc trục. Khi đó, khe hở không khí giữa rotor và hai stator biến thiên ($g_1 = g_0 - z$ và $g_2 = g_0 + z$). Do điện cảm pha stator tỷ lệ nghịch với khoảng cách khe hở không khí ($L_{sd}, L_{sq} \sim 1/g$), độ tự cảm của các cuộn dây pha sẽ liên tục biến thiên theo vị trí $z$, tạo ra thành phần bất định trong mô hình toán học của động cơ.

2. Thuật toán Backstepping cải tiến trong luận án có điểm gì khác biệt so với Backstepping cổ điển?

Thuật toán Backstepping trong luận án được cải tiến ở hai điểm:

  • Bổ sung khâu tích phân sai số ($k_{i1}e'1, k{i2}e'2, k{i3}e'_3$) trong từng bước thiết kế tín hiệu điều khiển ảo, giúp triệt tiêu sai số xác lập ngay cả khi có thành phần bất định và nhiễu tải.
  • Sử dụng bộ lọc bậc nhất (từ kỹ thuật Dynamic Surface Control) đối với tín hiệu điều khiển mong muốn, giúp tránh việc phải tính đạo hàm trực tiếp của các biến điều khiển ảo, giải quyết triệt để hiện tượng bùng nổ toán hạng (explosion of terms).

3. Nguyên lý tách kênh điều khiển giữa lực dọc trục và momen quay được thực hiện như thế nào?

Dựa trên mô hình tựa theo từ thông rotor trên hệ tọa độ $dq$, dòng điện hai stator được đặt theo quy tắc: $i_{d1} = i_{d0} - i_d$, $i_{d2} = i_{d0} + i_d$ và $i_{q1} = i_{q2} = i_q$. Khi đó, momen tổng $T$ tỷ lệ thuận trực tiếp với dòng điện trục $q$ ($i_q$), trong khi lực dọc trục vi sai tổng hợp $F$ tỷ lệ thuận trực tiếp với dòng điện trục $d$ ($i_d$). Các thành phần tương tác chéo giữa $i_d$ lên $T$ và $i_q$ lên $F$ được coi là thành phần bất định $d_1, d_2$ và được bù trừ thông qua bộ quan sát High-gain.

4. Tại sao phương pháp quan sát sức điện động cảm ứng không áp dụng được cho dải tốc độ thấp và điểm dừng?

Sức điện động cảm ứng stator ($e_{s\alpha}, e_{s\beta}$) tỷ lệ thuận với tốc độ quay của rotor ($\omega_e$). Ở dải tốc độ rất thấp hoặc khi động cơ đứng yên ($\omega_e \approx 0$), giá trị sức điện động sinh ra xấp xỉ bằng $0$, hoàn toàn bị lấn át bởi nhiễu đo lường và sóng hài điện áp từ bộ nghịch lưu, khiến các bộ quan sát trạng thái không thể trích xuất chính xác thông tin góc vị trí $\theta_e$.

5. Cấu hình hệ thống mô phỏng thời gian thực HIL trong luận án gồm những thiết bị nào?

Hệ thống HIL gồm thiết bị phần cứng Typhoon HIL402 đóng vai trò mô phỏng thời gian thực đối tượng động cơ KTVC TTDT và hai bộ nghịch lưu 3 pha (tần số điều chế PWM $20\text{ kHz}$), kết nối trao đổi tín hiệu I/O tương tự và số với card xử lý tín hiệu DSP TMS320F28379D – nơi cài đặt và thực thi các thuật toán điều khiển Backstepping, bộ quan sát nhiễu và bộ quan sát trượt ước lượng sức điện động.

Kết luận

Luận án của tác giả Ngô Mạnh Tùng đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán điều khiển không dùng cảm biến đo tốc độ cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục ở dải tốc độ trung bình và cao. Bằng việc kết hợp thuật toán Backstepping cải tiến với bộ quan sát High-gain ước lượng nhiễu và bộ quan sát trượt ước lượng sức điện động, công trình đã đảm bảo khả năng điều khiển tách kênh độc lập giữa lực dọc trục và momen quay, triệt tiêu sai số xác lập và nâng cao tính bền vững của hệ thống 2 bậc tự do. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết đã được kiểm chứng nhất quán và thành công trên hệ thống mô phỏng thời gian thực Typhoon HIL402 kết hợp DSP TMS320F28379D.