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 (ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, mã số 9520216, bảo vệ năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Quang Đăng và PGS. Nguyễn Huy Phương) giải quyết bài toán điều khiển chuyển động cho hệ truyền động tích hợp ổ từ dọc trục và động cơ.
Trong các hệ thống công nghiệp đòi hỏi tốc độ cao và môi trường làm việc khắc nghiệt (như bơm phân tử tuabin chân không, máy nén khí hóa lỏng, máy phát điện tuabin khí, hệ bánh đà tích trữ năng lượng UPS), động cơ sử dụng ổ từ mang lại ưu thế loại bỏ tiếp xúc cơ khí, không cần dầu bôi trơn và nâng cao tuổi thọ vận hành. Cấu trúc tích hợp ổ từ dọc trục - động cơ dạng đĩa (sandwich: một rotor nằm giữa hai stator) cho phép giảm bớt số lượng ổ từ và rút ngắn chiều dài trục quay, làm giảm kích thước và chi phí chế tạo. Đối tượng này có hai bậc tự do được điều khiển bởi khối tích hợp: chuyển động quay quanh trục ($z$) và chuyển động tịnh tiến dọc theo trục ($z$).
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định từ hai điểm nghẽn kỹ thuật:
- Thứ nhất, chuyển động tịnh tiến dọc trục làm thay đổi khe hở không khí giữa rotor và hai stator ($g = g_0 \pm z$), kéo theo các thông số điện cảm pha ($L_{sd}, L_{sq}$) biến thiên liên tục trong quá trình làm việc. Các nghiên cứu trước đây đa phần sử dụng mô hình toán học rút gọn hoặc chỉ khảo sát động cơ một bậc tự do (chuyển động quay thuần túy), dẫn đến việc bỏ qua tác động tương tác xen kênh giữa mạch vòng lực dọc trục và mạch vòng momen quay, khiến hệ thống dễ mất ổn định hoặc sai lệch lớn khi có nhiễu tải và thành phần bất định.
- Thứ hai, việc sử dụng các thiết bị đo cơ học (như encoder hay resolver) để xác định vị trí góc và tốc độ rotor ở dải tốc độ cao làm tăng chi phí phần cứng, gia tăng kích thước đầu trục, làm suy giảm độ cứng vững cơ khí và tăng rung chấn quán tính. Do đó, việc xây dựng cấu trúc điều khiển không cảm biến tốc độ (sensorless) cho đối tượng có hai bậc tự do với thông số biến thiên là một yêu cầu thực tế.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm 2 nội dung chính:
- 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.
- 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 nghiên cứu: Hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục (KTVC TTDT).
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.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Trong Chương 1, tác giả đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến cấu trúc động cơ ổ từ và các giải pháp điều khiển:
-
Về cấu trúc động cơ ổ từ và mô hình tích hợp: Tác giả phân tích các công trình của P. Jaatinen (2019), Yang, Okada, Meibody-Tabarb (2017) về động cơ ổ từ kinh điển (thường có 6 bậc tự do, gồm 2 ổ từ ngang trục, 1 ổ từ dọc trục và 1 động cơ riêng biệt). Các nghiên cứu về cấu trúc tích hợp ổ từ dọc trục - động cơ của Ueno (2008, 2009, 2010), Okada, Zhang, Nguyen, Vilathgamuwa, Liu, Jiang, Nguyễn Quang Địch và S. Ueno đã chứng minh việc sử dụng rotor dạng đĩa kẹp giữa hai stator giúp triệt tiêu ổ từ dọc trục độc lập, tạo ra chuyển động quay đồng thời kiểm soát lực hút điện từ dọc trục.
-
Về thuật toán điều khiển mạch vòng ngoài: Các nghiên cứu ban đầu của tác giả [3], [27], [28] sử dụng bộ điều khiển PI và PID cho động cơ cấu trúc 1 rotor - 1 stator. Các công trình tiếp theo của Ueno [7], [9], [25], [29], [30] và Nguyễn Hồng Quang, Dương Quốc Tuấn, Nguyễn Như Hiển [31] áp dụng cấu trúc điều khiển vector và điều khiển trượt (Sliding Mode Control). Tuy nhiên, hầu hết các công trình này đều sử dụng mô hình toán học rút gọn, bỏ qua thành phần momen từ trở và xem khe hở không khí là hằng số khi tổng hợp bộ điều khiển, dẫn đến việc giảm độ bền vững trước nhiễu tham số.
-
Về chiến lược điều khiển không cảm biến tốc độ (Sensorless):
- Nhóm giải pháp dựa trên sự biến thiên điện cảm (tính lồi của cực từ): Phương pháp đo điện kháng gián tiếp trực tuyến INFORM của Schroedl (2001, 2002) và phương pháp chèn tín hiệu phụ tần số cao của Yamamoto (2002), Akagi (2004), Rahman (2003), Luomi (2004, 2007), Guo, Finch (2000), Testa (2000), Sumner (2004). Nhóm này hiệu quả ở dải tốc độ thấp và khi dừng, nhưng đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp, dễ gây sóng hài và chỉ áp dụng được cho rotor cực lồi.
- Nhóm giải pháp dựa trên bộ quan sát sức điện động cảm ứng (Back-EMF): Các nghiên cứu của Utkin (1993), Pengfei, Lee (2010), Tursini (2005, 2012), Memon (2016), Khalil (2008, 2009), Praly (2003), Rabbah (2018), Chung (2017), Valla (2005), El Assoudi, Hammouri, Marconi (2007). Các công trình này ứng dụng bộ quan sát Luenberger, bộ lọc Kalman, bộ quan sát High-gain (HGO) và bộ quan sát trượt (SMO). Hạn chế của các nghiên cứu trước là chủ yếu áp dụng cho động cơ truyền thống 1 bậc tự do.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Thiết lập mô hình toán học đầy đủ có xét đến biến thiên khe hở không khí; thiết kế bộ điều khiển Backstepping cải tiến kết hợp bộ quan sát High-gain ước lượng và bù trừ trực tiếp nhiễu tải, bất định; thiết kế và so sánh bộ quan sát High-gain với bộ quan sát trượt (SMO) để ước lượng sức điện động cảm ứng cho hệ động cơ KTVC TTDT 2 bậc tự do ở dải tốc độ trung bình - cao; kiểm chứng hệ thống trên nền tảng mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop (HIL).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án thuộc hướng nghiên cứu kỹ thuật - định lượng, kết hợp giữa mô hình hóa giải tích, thiết kế thuật toán điều khiển phi tuyến và kiểm chứng thực nghiệm mô phỏng thời gian thực.
Khung lý thuyết và phân tích mô hình
- Lý thuyết điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (FOC): Sử dụng các phép chuyển đổi hệ tọa độ Park - Clarke giữa hệ tọa độ ba pha tĩnh $uvw$, hệ tọa độ vuông góc tĩnh $\alpha\beta$ và hệ tọa độ quay đồng bộ $dq$.
- Lý thuyết điều khiển phi tuyến Backstepping cải tiến: Ứng dụng để thiết kế các bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho mạch vòng vị trí dọc trục $z$ và mạch vòng tốc độ góc $\omega_e$, xử lý cấu trúc phi tuyến của mô hình động cơ.
- Lý thuyết bộ quan sát trạng thái:
- Bộ quan sát High-gain (HGO): Dùng để ước lượng thành phần nhiễu tải dọc trục và momen tải kết hợp sai lệch mô hình ($d_1, d_2$), đồng thời dùng trong bài toán ước lượng sức điện động cảm ứng $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$.
- Bộ quan sát trượt (Sliding Mode Observer - SMO): Thiết kế dựa trên mô hình phi tuyến tương đương kết hợp khâu hiệu chỉnh đầu ra cải tiến để ước lượng sức điện động cảm ứng, xác định vị trí góc điện rotor $\theta_e$ và tốc độ $\omega_e$.
- Lý thuyết ổn định Lyapunov: Sử dụng để chứng minh toán học tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ kín gồm các bộ điều khiển và các bộ quan sát trạng thái.
Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật
- Phương pháp mô hình hóa giải tích: Xây dựng phương trình năng lượng từ trường trong khe hở không khí $W$, lấy đạo hàm theo độ biến thiên khe hở $g$ để rút ra biểu thức lực dọc trục tổng quát $F$ và biểu thức momen quay tổng quát $T$.
- Phương pháp mô phỏng số: Kiểm chứng thuật toán bằng phần mềm MATLAB/Simulink.
- Phương pháp mô phỏng thời gian thực (Hardware-in-the-Loop - HIL): Sử dụng thiết bị mô phỏng mạch lực Typhoon HIL 402 kết hợp với kit vi điều khiển DSP TMS320F28379D (Texas Instruments) để thực thi thuật toán điều khiển và quan sát trong điều kiện ghép nối tín hiệu thực.
Nguồn tư liệu và thông số thực nghiệm
Thông số kỹ thuật của thiết bị Typhoon HIL 402 được sử dụng trong luận án:
| Thông số kỹ thuật | Cổng Tương tự (Analog) | Cổng Số (Digital) |
|---|---|---|
| Số lượng chân vào/ra | 16 | 32 |
| Độ phân giải | 16 bit | - |
| Dải điện áp / Giới hạn | Dải đo 10 V (giới hạn bảo vệ 24 V) | Mức logic DI: 0.8 V (giới hạn 24 V) |
| Tần số trích mẫu | 1 MSPS | 50 MSPS |
| Cổng kết nối phần cứng | 96 chân đực DIN 41612 | 96 chân đực DIN 41612 |
Thông số kỹ thuật của card DSP Texas Instruments LAUNCHXL-F28379D (TMS320F28379D): cấu trúc 2 lõi 32-bit xung nhịp 200 MHz, tích hợp 2 khối vi xử lý phụ, 1 MB Flash, 204 KB RAM, 4 module ADC 12-bit/16-bit.
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 khái quát cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ KTVC TTDT:
- Động cơ gồm một rotor đĩa phẳng gắn nam châm vĩnh cửu ở cả hai mặt, được đặt giữa hai stator ba pha (stator 1 và stator 2). Có hai dạng cấu tạo rotor: rotor cực lồi (nam châm đặt trong rãnh, $L_{sd} \neq L_{sq}$) và rotor cực ẩn (nam châm gắn trên bề mặt, $L_{sd} = L_{sq}$).
- Bốn bậc tự do ($x, y, \theta_x, \theta_y$) được cố định bởi hai bộ ổ từ ngang trục. Hai bậc tự do ($z, \theta_z$) do khối tích hợp điều khiển: stator sinh ra hai từ trường quay tạo các momen $T_1, T_2$ cùng chiều để kéo rotor quay quanh trục $z$ ($T = T_1 + T_2$), đồng thời sinh ra hai lực hút điện từ $F_1, F_2$ ngược chiều dọc theo trục $z$ ($F = F_1 - F_2$) để giữ rotor cân bằng tại vị trí $z = 0$.
- Phân loại và phân tích hai nhóm giải pháp điều khiển không cảm biến tốc độ, xác định việc ước lượng sức điện động cảm ứng (Back-EMF) là hướng tiếp cận phù hợp cho vùng vận hành tốc độ trung bình và lớn.
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 và cấu trúc điều khiển vector:
-
Mô hình toán học trên hệ tọa độ quay $dq$:
- Phương trình điện áp stator: $$\begin{cases} L_{sd} \frac{di_{sd}}{dt} = u_{sd} - R_s i_{sd} + \omega_e L_{sq} i_{sq} \ L_{sq} \frac{di_{sq}}{dt} = u_{sq} - R_s i_{sq} - \omega_e L_{sd} i_{sd} - \omega_e \lambda_m \end{cases}$$
- Điện cảm pha phụ thuộc khe hở không khí $g$: $$L_{sd} = \frac{3L'{sd0}}{2g} + L{sl}; \quad L_{sq} = \frac{3L'{sq0}}{2g} + L{sl}; \quad L_m = \frac{3L'_{sd0}}{2g}; \quad \lambda_m = L_m i_f$$
-
Tính toán momen và lực dọc trục tổng hợp:
- Biểu thức năng lượng từ trường: $W = \frac{1}{2}\left(\lambda_f i_f + \lambda_{sd} i_{sd} + \lambda_{sq} i_{sq}\right)$.
- Tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng ($g = g_0 \pm z$, khai triển Maclaurin bậc 1): $$T = K_T(i_{q1} + i_{q2}) + K_T(i_{q2} - i_{q1})\frac{z}{g_0} + K_R(i_{d1}i_{q1} + i_{d2}i_{q2}) + K_R(i_{d2}i_{q2} - i_{d1}i_{q1})\frac{z}{g_0}$$ $$F = K_{Fd}\left[(i_{d2}+i_f)^2 - (i_{d1}+i_f)^2\right] + K_{Fq}(i_{q2}^2 - i_{q1}^2) + 2K_{Fd}\left[(i_{d2}+i_f)^2 + (i_{d1}+i_f)^2\right]\frac{z}{g_0} + 2K_{Fq}(i_{q2}^2 + i_{q1}^2)\frac{z}{g_0}$$ trong đó: $K_T = \frac{3p_c L'{sd0}i_f}{2g_0}$; $K_R = \frac{3p_c(L'{sd0}-L'{sq0})}{2g_0}$; $K{Fd} = \frac{3L'{sd0}}{4g_0^2}$; $K{Fq} = \frac{3L'_{sq0}}{4g_0^2}$.
-
Luật phân bố dòng điện đặt cho hai stator: $$\begin{cases} i_{d1} = i_{d0} - i_d \ i_{d2} = i_{d0} + i_d \ i_{q1} = i_{q2} = i_q \end{cases}$$ Khi chọn dòng điện phân cực $i_{d0} \approx 0$ và độ lệch $z \ll g_0$, mô hình rút gọn về: $T \approx 2K_T i_q$ và $F \approx 4K_{Fd} i_f i_d$. Momen tổng được điều khiển bởi dòng điện $i_q$ và lực dọc trục tổng được điều chỉnh bởi dòng điện $i_d$.
-
Tổng hợp bộ điều khiển Backstepping cải tiến kết hợp bộ quan sát High-gain:
- Thiết kế bộ quan sát High-gain ước lượng các thành phần bất định và nhiễu tải $d_1$ (trên kênh vị trí $z$) và $d_2$ (trên kênh tốc độ $\omega_e$) với các hệ số khuếch đại $\varepsilon_1, \varepsilon_2$.
- Bộ điều khiển Backstepping cải tiến sử dụng tín hiệu bù $\hat{d}_1, \hat{d}_2$ ở đầu vào, giúp triệt tiêu tương tác xen kênh giữa trục $z$ và trục quay $\theta_z$. Tính ổn định của toàn hệ thống được chứng minh bằng lý thuyết Lyapunov.
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 việc thiết kế hai cấu trúc quan sát trạng thái trên hệ tọa độ tĩnh $\alpha\beta$:
- Bộ quan sát High-gain (HGO): Ước lượng các thành phần sức điện động cảm ứng $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$ dựa trên mô hình toán học điện áp stator và dòng điện $i_{s\alpha}, i_{s\beta}$. Tác giả chứng minh tính ổn định bằng hàm Lyapunov và đánh giá đáp ứng khi thay đổi giá trị đặt tốc độ từ $150\text{ rad/s}$ lên $200\text{ rad/s}$.
- Bộ quan sát trượt (Sliding Mode Observer - SMO): Thiết kế dựa trên mô hình phi tuyến tương đương với luật chuyển mạch trượt kết hợp khâu hiệu chỉnh đầu ra cải tiến. Tín hiệu sức điện động cảm ứng $\hat{e}{s\alpha}, \hat{e}{s\beta}$ được trích xuất để tính toán góc vị trí rotor $\hat{\theta}_e$ và tốc độ quay $\hat{\omega}_e$.
- Kết quả so sánh: Bộ quan sát trượt (SMO) có chất lượng vượt trội hơn bộ quan sát High-gain (HGO): giảm thiểu hiện tượng chattering, đáp ứng bám sát góc $\theta_e$ và tốc độ $\omega_e$ với sai lệch quá độ và sai lệch tĩnh nhỏ hơn, có tính bền vững cao hơn trước các sai lệch tham số mô hình.
Chương 4: Mô hình và kết quả mô phỏng thời gian thực
Chương 4 triển khai kiểm chứng thuật toán trên hệ thống mô phỏng bán thực Hardware-in-the-Loop (HIL):
-
Cấu hình phần cứng: Mạch lực của động cơ đồng bộ KTVC TTDT được mô phỏng trong thiết bị Typhoon HIL 402 (chu kỳ trích mẫu xuống đến $0.5,\mu\text{s}$). Thuật toán điều khiển Backstepping cải tiến và bộ quan sát trượt (SMO) được nhúng trên card vi điều khiển DSP TMS320F28379D. Giao tiếp giữa hai khối qua card DSP Interface và hệ thống đầu nối 96 chân DIN 41612.
-
Quy trình khởi động hệ thống 3 bước:
- Kích hoạt mạch vòng điều khiển vị trí dọc trục để giữ rotor ổn định tại điểm cân bằng ($z=0$).
- Kích hoạt chế độ khởi động cưỡng bức bằng nguồn dòng không đổi để tăng tốc độ động cơ lên giá trị đủ lớn nhằm tạo ra sức điện động cảm ứng đo được (bộ quan sát chưa hòa vào hệ kín).
- Khi tốc độ ước lượng tiệm cận tốc độ theo dõi, đóng mạch vòng điều khiển tốc độ và hòa bộ quan sát SMO vào hệ thống kín.
-
Kết quả thực nghiệm mô phỏng thời gian thực:
| Kịch bản kiểm chứng | Điều kiện tác động | Thời gian quá độ | Đáp ứng của hệ thống |
|---|---|---|---|
| Khởi tạo vị trí dọc trục | Lệch ban đầu $z = 0.3\text{ mm}$ | $0.04\text{ s}$ | $z$ trở về $0\text{ mm}$ (vị trí cân bằng); dòng điện $i_d$ tăng trong $0.04\text{ s}$ rồi triệt tiêu về $0\text{ A}$. |
| Thay đổi điểm đặt tốc độ | Tăng từ $150 \to 250\text{ rad/s}$ ($t=2\text{s}$), giảm về $150\text{ rad/s}$ ($t=3\text{s}$) | $0.2\text{ s}$ | Tốc độ bám chính xác giá trị đặt; độ quá điều chỉnh nhỏ; dòng $i_q$ dao động cực đại $\approx 3.8\text{ A}$ (nằm trong giới hạn định mức $5\text{ A}$). |
| Dạng sóng sức điện động và góc quay | Vận hành ở các dải tốc độ $150 - 250\text{ rad/s}$ | - | $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$ có dạng hình sin đều; góc ước lượng $\hat{\theta}_e$ bám sát góc thực tế $\theta_e$, sai lệch tĩnh gần như bằng $0$. |
| Nhiễu tải lực dọc trục | Đóng tải $F_L = 4\text{ N}$ trong khoảng $1.5\text{s} \le t \le 2.5\text{s}$ | $0.3\text{ s}$ | Vị trí $z$ lệch cực đại $0.05\text{ mm}$ rồi trở về $0\text{ mm}$; dòng $i_d$ tăng lên $0.2 - 0.4\text{ A}$; tốc độ quay $\omega_e$ hoàn toàn không bị ảnh hưởng. |
| Nhiễu momen tải | Đóng tải $T_L = 0.1\text{ Nm}$ trong khoảng $1.5\text{s} \le t \le 2.5\text{s}$ | Nhanh chóng dập tắt dao động | Tốc độ $\omega_e$ lệch quá điều chỉnh $2.2\text{ rad/s}$ ($\approx 1.5%$) rồi về $150\text{ rad/s}$; dòng $i_q$ tăng lên $1.25 - 1.9\text{ A}$; vị trí dọc trục $z$ không bị ảnh hưởng. |
Các kết quả trên HIL xác nhận thuật toán điều khiển đề xuất đã loại bỏ được tương tác xen kênh giữa mạch vòng vị trí dọc trục và mạch vòng tốc độ quay.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã công bố các kết quả và đóng góp mới gồm:
-
Về mặt lý luận và thuật toán điều khiển:
- Đề xuất hệ điều khiển tích hợp cho động cơ đồng bộ KTVC TTDT: sử dụng thuật toán Backstepping cải tiến để tổng hợp bộ điều khiển phản hồi trạng thái (vị trí dọc trục $z$ và tốc độ quay $\omega_e$) có tính đến tác động của nhiễu và sai lệch mô hình do khe hở không khí biến thiên, kết hợp với bộ quan sát High-gain ước lượng nhiễu tải và thành phần bất định ($d_1, d_2$) để bù ở đầu vào, giúp giảm sai lệch đầu ra và hạn chế tương tác xen kênh.
- Nghiên cứu và đề xuất cấu trúc bộ quan sát trượt (SMO) và bộ quan sát High-gain (HGO) để ước lượng sức điện động cảm ứng $e_{s\alpha}, e_{s\beta}$, từ đó trích xuất vị trí góc $\theta_e$ và tốc độ rotor $\omega_e$. Chứng minh bằng toán học và thực nghiệm mô phỏng rằng bộ quan sát trượt cho chất lượng vượt trội về việc giảm sai lệch quá độ và sai lệch tĩnh.
-
Về mặt thực tiễn và ứng dụng:
- Xây dựng thành công hệ thống mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop (HIL) trên cơ sở kết nối thiết bị Typhoon HIL 402 và kit vi điều khiển DSP Texas Instruments TMS320F28379D, chứng minh tính khả thi của thuật toán khi triển khai trên phần cứng thực tế với chu kỳ lấy mẫu thời gian thực.
- Giải pháp ước lượng trạng thái đề xuất cho phép loại bỏ cảm biến đo tốc độ/vị trí góc trên trục quay, giúp giảm kích thước cơ khí, hạ giá thành chế tạo và tăng độ bền vững cho các hệ truyền động tốc độ cao.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Theo văn bản luận án, các hạn chế và hướng phát triển gồm:
- Hạn chế:
- Các bộ quan sát trạng thái dựa trên sức điện động cảm ứng (HGO, SMO) chưa thể hoạt động ở dải tốc độ thấp và vùng gần dừng do biên độ sức điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ góc, khi tốc độ quá nhỏ tín hiệu sức điện động bị sóng hài và nhiễu lấn át.
- Luận án mới dừng lại ở việc kiểm chứng thuật toán trên hệ mô phỏng thời gian thực HIL, chưa thực hiện thí nghiệm trực tiếp trên mô hình động cơ vật lý hoàn chỉnh do những khó khăn trong việc chế tạo cơ khí chính xác cho kết cấu ổ từ tích hợp.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Tiếp tục nghiên cứu kết hợp các thuật toán ước lượng vị trí góc ở dải tốc độ thấp và vùng dừng (như phương pháp tiêm tín hiệu tần số cao hoặc INFORM) với bộ quan sát trượt ở dải tốc độ cao để tạo thành hệ điều khiển không cảm biến toàn dải tốc độ.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm cơ khí chính xác và chắc chắn để kiểm chứng các thuật toán trên đối tượng động cơ vật lý thực.
Giá trị tham khảo
Bản luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa và Kỹ thuật Điện: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán học động học phi tuyến cho máy điện đặc biệt có nhiều bậc tự do, phương pháp chứng minh tính ổn định của hệ phi tuyến kết hợp bộ quan sát bằng hàm Lyapunov, và thuật toán điều khiển Backstepping cải tiến.
- Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong lĩnh vực truyền động điện và điện tử công suất: Tham khảo quy trình thiết lập hệ thống mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop (HIL) sử dụng thiết bị Typhoon HIL 402 ghép nối vi điều khiển DSP dòng C2000 (TMS320F28379D), cùng các kỹ thuật trích xuất vị trí góc không cảm biến (sensorless) cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Các nhà phát triển công nghệ trong lĩnh vực năng lượng và thiết bị quay tốc độ cao: Tham khảo cấu trúc tích hợp ổ từ dọc trục nhằm ứng dụng trong thiết kế máy nén khí, bơm chân không tuabin và hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà (flywheel).
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục trong luận án có cấu tạo cơ khí và số bậc tự do như thế nào?
Động cơ có cấu trúc dạng sandwich gồm một rotor đĩa phẳng kẹp giữa hai stator ba pha đối xứng. Rotor có thể gắn nam châm vĩnh cửu theo dạng cực lồi ($L_{sd} \neq L_{sq}$) hoặc cực ẩn ($L_{sd} = L_{sq}$). Khối tích hợp ổ từ dọc trục - động cơ đảm nhận việc điều khiển 2 bậc tự do: chuyển động quay quanh trục ($z$) và chuyển động tịnh tiến dọc trục ($z$). Bốn bậc tự do còn lại ($x, y, \theta_x, \theta_y$) được giữ ổn định bởi hai ổ từ ngang trục độc lập.
2. Nguyên tắc phân bố dòng điện đặt cho hai stator được thiết kế ra sao để điều khiển độc lập lực dọc trục và momen quay?
Dòng điện đặt trên hệ tọa độ $dq$ cho stator 1 và stator 2 tuân theo quy tắc: $i_{d1} = i_{d0} - i_d$, $i_{d2} = i_{d0} + i_d$, và $i_{q1} = i_{q2} = i_q$ (trong đó $i_{d0} \approx 0$ là dòng phân cực). Khi đó, thành phần dòng $i_q$ điều khiển momen tổng $T \approx 2K_T i_q$ làm quay rotor, trong khi thành phần dòng $i_d$ điều chỉnh lực dọc trục tổng hợp $F \approx 4K_{Fd} i_f i_d$ để giữ rotor ở vị trí cân bằng $z=0$.
3. Tại sao phương pháp quan sát sức điện động cảm ứng không hoạt động được ở dải tốc độ thấp và khi dừng động cơ?
Biên độ của sức điện động cảm ứng ($e_{s\alpha}, e_{s\beta}$) tỷ lệ thuận trực tiếp với tốc độ quay của rotor ($\omega_e$). Ở dải tốc độ thấp hoặc khi động cơ dừng, sức điện động cảm ứng xấp xỉ bằng không, tín hiệu thu được quá nhỏ và bị nhiễu đo cũng như sóng hài lấn át hoàn toàn, khiến bộ quan sát không thể trích xuất chính xác vị trí góc $\theta_e$ và tốc độ $\omega_e$.
4. Vì sao tác giả lựa chọn bộ quan sát trượt (SMO) thay vì bộ quan sát High-gain (HGO) để triển khai trên mô phỏng thời gian thực?
Kết quả đánh giá và mô phỏng ở Chương 3 cho thấy bộ quan sát trượt (SMO) có tính bền vững cao hơn trước các sai lệch tham số mô hình, đáp ứng ước lượng sức điện động có dạng sin chuẩn hơn, đồng thời giảm thiểu sai lệch quá độ và sai lệch tĩnh khi trích xuất góc vị trí $\theta_e$ so với bộ quan sát High-gain.
5. Hệ thống mô phỏng thời gian thực HIL trong luận án được cấu hình bằng các thiết bị phần cứng nào?
Hệ thống gồm thiết bị Typhoon HIL 402 đảm nhiệm mô phỏng mạch lực động cơ với tần số lấy mẫu cao (chu kỳ trích mẫu đến $0.5,\mu\text{s}$), kết nối qua card DSP Interface với kit phát triển LAUNCHXL-F28379D chứa vi điều khiển DSP Texas Instruments TMS320F28379D (2 lõi 200 MHz) để thực thi toàn bộ thuật toán điều khiển và quan sát thời gian thực.
Kết luận
Luận án của tác giả Ngô Mạnh Tùng đã giải quyết bài toán 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 xây dựng mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của biến thiên khe hở không khí, đề xuất thuật toán Backstepping cải tiến kết hợp bộ quan sát High-gain để triệt tiêu tương tác xen kênh giữa lực dọc trục và momen quay. Đồng thời, cấu trúc bộ quan sát trượt (SMO) được thiết kế thành công để ước lượng sức điện động cảm ứng và thay thế cảm biến tốc độ ở dải tốc độ trung bình - cao. Toàn bộ cấu trúc điều khiển và quan sát đã được chứng minh ổn định bằng lý thuyết Lyapunov và được kiểm chứng trên nền tảng mô phỏng thời gian thực Hardware-in-the-Loop Typhoon HIL 402 kết hợp DSP TMS320F28379D.