I. Giới thiệu và tổng quan
Luận án tập trung nghiên cứu hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không sử dụng cảm biến tốc độ. Động cơ này thuộc nhóm động cơ điện có ưu điểm vượt trội như tốc độ cao, độ tin cậy cao, và không cần bôi trơn. Công nghệ điều khiển không dùng cảm biến giúp giảm chi phí và tăng độ bền cho hệ thống. Luận án đề xuất các phương pháp ước lượng tốc độ và vị trí góc rotor thông qua bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt, nhằm thay thế cảm biến truyền thống.
1.1. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu là loại động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường, giúp tăng hiệu suất và giảm tổn thất năng lượng. Đặc biệt, động cơ từ trường dọc trục có cấu trúc gọn nhẹ, phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao. Luận án phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại động cơ này, đồng thời đánh giá các nghiên cứu hiện có về hệ thống điều khiển không dùng cảm biến.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Việc loại bỏ cảm biến trong động cơ không chỉ giảm chi phí mà còn tăng độ tin cậy và giảm kích thước hệ thống. Đặc biệt, trong các ứng dụng tốc độ cao, cảm biến truyền thống thường gặp hạn chế về độ bền và độ chính xác. Luận án nhấn mạnh sự cần thiết của việc nghiên cứu động cơ không cảm biến để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
II. Mô hình và cấu trúc điều khiển
Luận án xây dựng mô hình toán học cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục trên hai hệ tọa độ dq và αβ. Mô hình này giúp tính toán lực dọc trục và momen quay, làm cơ sở cho việc thiết kế hệ điều khiển. Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor được lựa chọn để đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống.
2.1. Mô hình toán học
Mô hình toán học của động cơ được xây dựng dựa trên các phương trình điện và cơ học. Các thông số như điện cảm, điện trở, và từ thông được tính toán để mô phỏng hoạt động của động cơ. Luận án cũng đề cập đến các yếu tố nhiễu và sai lệch mô hình, từ đó đề xuất các phương pháp bù nhiễu hiệu quả.
2.2. Cấu trúc điều khiển Backstepping
Thuật toán Backstepping cải tiến được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái. Phương pháp này kết hợp với bộ quan sát High-gain để ước lượng và bù nhiễu, giúp hệ thống đạt được độ chính xác cao và giảm thiểu tương tác xen kênh.
III. Thiết kế bộ quan sát không dùng cảm biến
Luận án đề xuất hai phương pháp thiết kế bộ quan sát để ước lượng tốc độ và vị trí góc rotor mà không cần sử dụng cảm biến. Bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt được nghiên cứu và so sánh về hiệu quả và độ chính xác. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai phương pháp đều đạt được độ bám sát giá trị lý thuyết, trong đó bộ quan sát trượt có ưu thế hơn về sai lệch tĩnh và quá độ.
3.1. Bộ quan sát High gain
Bộ quan sát High-gain được thiết kế để ước lượng sức điện động cảm ứng, từ đó tính toán vị trí góc và tốc độ rotor. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản và dễ triển khai, nhưng có thể gặp hạn chế về độ chính xác trong một số điều kiện làm việc.
3.2. Bộ quan sát trượt
Bộ quan sát trượt được đề xuất để cải thiện độ chính xác và giảm sai lệch trong quá trình quá độ. Phương pháp này sử dụng nguyên lý trượt để ước lượng sức điện động, giúp hệ thống đạt được độ bám sát tốt hơn so với bộ quan sát High-gain.
IV. Mô phỏng và kết quả
Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng thời gian thực (HIL) để kiểm nghiệm hiệu quả của hệ thống điều khiển đề xuất. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đạt được độ chính xác cao và ổn định trong các điều kiện làm việc khác nhau. Đặc biệt, bộ quan sát trượt cho kết quả tốt hơn về sai lệch tĩnh và quá độ so với bộ quan sát High-gain.
4.1. Mô phỏng thời gian thực
Hệ thống mô phỏng thời gian thực được thiết lập bằng thiết bị Typhoon HIL402 và card DSP Interface. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển đề xuất đạt được độ chính xác cao và ổn định trong các điều kiện làm việc khác nhau.
4.2. Kết quả mô phỏng
Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển đề xuất đạt được độ chính xác cao và ổn định trong các điều kiện làm việc khác nhau. Đặc biệt, bộ quan sát trượt cho kết quả tốt hơn về sai lệch tĩnh và quá độ so với bộ quan sát High-gain.
V. Kết luận và kiến nghị
Luận án đã đề xuất một hệ điều khiển tích hợp cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến. Các phương pháp điều khiển và quan sát được đề xuất đã chứng minh hiệu quả thông qua mô phỏng và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán và ứng dụng trong các hệ thống công nghiệp cụ thể.
5.1. Kết luận
Luận án đã đề xuất một hệ điều khiển tích hợp cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến. Các phương pháp điều khiển và quan sát được đề xuất đã chứng minh hiệu quả thông qua mô phỏng và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
5.2. Kiến nghị
Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán và ứng dụng trong các hệ thống công nghiệp cụ thể. Đồng thời, việc tích hợp các phương pháp điều khiển tiên tiến như AI và machine learning cũng là hướng nghiên cứu tiềm năng.
