Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ xe điện (EV) trên toàn cầu, việc nâng cao hiệu suất và tính ổn định của hệ thống truyền động trở thành một yêu cầu cấp thiết. Theo ước tính, xe điện ngày càng chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số phương tiện giao thông, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, các hệ thống truyền động truyền thống với bộ vi sai cơ khí vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế về kích thước, trọng lượng và tổn thất cơ khí, ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành và quãng đường di chuyển của xe.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ in-wheel IPMSM trên xe điện dẫn động cầu trước, kết hợp với bộ vi sai điện tử EDS nhằm thay thế bộ vi sai cơ khí truyền thống. Mục tiêu cụ thể là thiết kế cấu trúc điều khiển tối ưu cho động cơ in-wheel IPMSM, sử dụng thuật toán điều khiển tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng mô-men phụ tải (MTPA) kết hợp với thuật toán suy giảm từ thông (FW), đồng thời phát triển bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB để nâng cao chất lượng điều khiển khi tải thay đổi. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink với các kịch bản xe đi thẳng và vào đường cong, trong khoảng thời gian nghiên cứu đến năm 2023 tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất, giảm trọng lượng hệ thống truyền động, tăng tính linh hoạt và an toàn cho xe điện, đồng thời góp phần nâng cao quãng đường di chuyển trên mỗi lần sạc pin, đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững của ngành công nghiệp ô tô điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPMSM): Động cơ có cấu tạo nam châm chìm trong rotor, tạo ra mô-men từ trở bổ sung, phù hợp với yêu cầu vận hành trên xe điện nhờ khả năng sinh mô-men cao ở tốc độ thấp và mở rộng vùng công suất không đổi ở tốc độ cao.

  • Thuật toán điều khiển tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng mô-men phụ tải (MTPA): Tối ưu hóa dòng điện trục d (𝑖𝑑) và trục q (𝑖𝑞) để đạt mô-men cực đại trong vùng mô-men không đổi, tận dụng mô-men từ trở đặc trưng của IPMSM.

  • Thuật toán suy giảm từ thông (FW): Giúp mở rộng vùng điều khiển tốc độ động cơ trên tốc độ cơ bản bằng cách bơm dòng 𝑖𝑑 âm để khử từ thông rotor, duy trì công suất không đổi và giới hạn điện áp biến tần.

  • Phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC): Điều khiển chính xác dòng điện theo trục dq, đảm bảo đáp ứng mô-men nhanh và ổn định, được sử dụng làm nền tảng cho các thuật toán MTPA và FW.

  • Bộ vi sai điện tử (EDS): Thay thế bộ vi sai cơ khí truyền thống, phân phối mô-men và tính toán tốc độ đặt cho từng bánh xe khi xe vào cua, dựa trên mô hình đánh lái Ackermann-Jeantand.

  • Bộ quan sát nhiễu mô-men tải (DOB): Giúp hệ thống điều khiển thích ứng nhanh với sự thay đổi mô-men tải, nâng cao độ ổn định và chất lượng điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: mô-men không đổi, công suất không đổi, điều khiển dòng điện trục d và q, giới hạn dòng điện và điện áp, mô hình toán học động cơ IPMSM trong hệ tọa độ dq.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng:

  • Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật động cơ in-wheel IPMSM công suất 20 kW, mô-men định mức 191 Nm, tốc độ định mức 1000 vòng/phút, được trích xuất từ các tài liệu uy tín và các mẫu xe điện thực tế như Ford Focus Electric.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học động cơ IPMSM trong hệ tọa độ dq, thiết kế bộ điều khiển FOC kết hợp thuật toán MTPA và FW, thiết kế bộ quan sát DOB. Mô phỏng các kịch bản vận hành xe điện trên phần mềm Matlab/Simulink và Codesys Software Package.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng chi tiết các trường hợp xe chạy thẳng và vào cua trong khoảng thời gian mô phỏng từ 0 đến 0.4 giây, tập trung vào vùng mô-men không đổi và công suất không đổi. Các tham số điều khiển được hiệu chỉnh dựa trên tiêu chuẩn tối ưu đối xứng.

  • Kiểm chứng: So sánh kết quả mô phỏng với các phương pháp điều khiển truyền thống, đánh giá hiệu quả qua các chỉ số tốc độ, mô-men, dòng điện và sai lệch tốc độ bánh xe.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, khả năng ứng dụng thực tiễn và độ tin cậy cao trong việc phát triển hệ thống điều khiển động cơ cho xe điện dẫn động cầu trước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thuật toán MTPA kết hợp FW: Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán MTPA kết hợp FW giúp động cơ in-wheel IPMSM đạt mô-men cực đại trong vùng mô-men không đổi và duy trì công suất không đổi ở vùng tốc độ cao. Tốc độ định mức mới tăng lên khoảng 130 rad/s so với 104.72 rad/s khi điều khiển 𝑖𝑑=0, nâng cao hiệu suất vận hành.

  2. Bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB nâng cao chất lượng điều khiển: Khi sử dụng DOB, hệ thống điều khiển phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi mô-men tải, giảm sai số tốc độ và mô-men xuống dưới 5% so với trường hợp không sử dụng DOB, giúp tăng độ ổn định và độ chính xác.

  3. Bộ vi sai điện tử EDS cải thiện phân phối mô-men bánh xe: Mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy EDS phân phối mô-men và tốc độ đặt cho từng bánh xe phía trước hiệu quả khi xe vào cua, giảm sai lệch tốc độ bánh xe xuống dưới 2%, giúp xe vận hành ổn định và an toàn hơn trên đường cong.

  4. So sánh các phương pháp điều khiển: Phương pháp điều khiển vô hướng U/f và DTC cho kết quả kém hơn về độ ổn định và đáp ứng mô-men so với FOC kết hợp MTPA+FW. Đặc biệt, FOC với MTPA+FW giảm tổn thất đồng trên stator khoảng 10-15% so với điều khiển 𝑖𝑑=0, nâng cao hiệu suất tổng thể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả vượt trội là do thuật toán MTPA tận dụng đặc tính mô-men từ trở của IPMSM, điều chỉnh dòng 𝑖𝑑 âm để tăng mô-men trong vùng tốc độ thấp, đồng thời thuật toán FW giúp mở rộng vùng công suất không đổi ở tốc độ cao bằng cách khử từ thông rotor. Bộ quan sát DOB giúp hệ thống thích ứng nhanh với biến đổi tải, giảm thiểu dao động và sai số.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với thực tế và có tính ứng dụng cao, đặc biệt trong việc thay thế bộ vi sai cơ khí bằng bộ vi sai điện tử EDS, giúp giảm trọng lượng và tổn thất cơ khí, nâng cao quãng đường di chuyển trên mỗi lần sạc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng tốc độ, mô-men, dòng điện theo thời gian, cũng như bảng so sánh sai lệch tốc độ bánh xe và hiệu suất động cơ giữa các phương pháp điều khiển. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự ưu việt của cấu trúc điều khiển đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ vi sai điện tử EDS trên xe điện dẫn động cầu trước: Khuyến nghị các nhà sản xuất xe điện áp dụng EDS để thay thế bộ vi sai cơ khí truyền thống nhằm giảm trọng lượng và tổn thất cơ khí, nâng cao tính linh hoạt và an toàn khi vận hành. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 1-2 năm.

  2. Ứng dụng thuật toán điều khiển MTPA kết hợp FW trong hệ thống điều khiển động cơ in-wheel IPMSM: Đề xuất tích hợp thuật toán này vào bộ điều khiển trung tâm để tối ưu hóa hiệu suất mô-men và công suất, giảm tổn thất năng lượng, nâng cao quãng đường di chuyển. Chủ thể thực hiện là các nhà phát triển phần mềm điều khiển xe điện, với timeline 6-12 tháng để tích hợp và thử nghiệm.

  3. Phát triển và tích hợp bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB: Khuyến nghị sử dụng DOB để nâng cao độ ổn định và khả năng thích ứng của hệ thống điều khiển khi có biến đổi tải, đặc biệt trong điều kiện vận hành thực tế. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và kỹ sư điều khiển, thời gian triển khai 6 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng điều khiển động cơ in-wheel cho xe điện dẫn động bốn bánh: Đề xuất phát triển phương pháp điều khiển độc lập cho bốn động cơ in-wheel nhằm tăng cường tính ổn định, linh hoạt và an toàn khi lái xe trong các điều kiện địa hình phức tạp. Đây là hướng phát triển dài hạn trong 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển động cơ IPMSM, thuật toán MTPA, FW và DOB, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Kỹ sư phát triển hệ thống truyền động xe điện: Thông tin về cấu trúc điều khiển, bộ vi sai điện tử EDS và mô hình toán học động cơ in-wheel giúp kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa hệ thống truyền động cho xe điện dẫn động cầu trước.

  3. Các nhà sản xuất và thiết kế xe điện: Luận văn cung cấp giải pháp kỹ thuật để giảm trọng lượng, tăng hiệu suất và tính linh hoạt của xe điện, hỗ trợ trong việc phát triển sản phẩm mới đáp ứng yêu cầu thị trường.

  4. Chuyên gia trong lĩnh vực điều khiển tự động và điện tử công suất: Các thuật toán điều khiển và mô phỏng chi tiết trong luận văn là tài liệu tham khảo quý giá để phát triển các bộ điều khiển thông minh và hệ thống quản lý năng lượng trên xe điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn động cơ in-wheel IPMSM cho xe điện dẫn động cầu trước?
    Động cơ IPMSM có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, mô-men cao ở tốc độ thấp và khả năng suy giảm từ thông để mở rộng vùng công suất không đổi, phù hợp với yêu cầu vận hành linh hoạt và hiệu quả của xe điện dẫn động cầu trước.

  2. Thuật toán MTPA kết hợp FW hoạt động như thế nào?
    MTPA tối ưu dòng điện trục d và q để đạt mô-men cực đại trong vùng mô-men không đổi, trong khi FW bơm dòng 𝑖𝑑 âm để khử từ thông rotor, giúp duy trì công suất không đổi ở vùng tốc độ cao, đảm bảo hiệu suất và giới hạn điện áp biến tần.

  3. Bộ vi sai điện tử EDS có lợi ích gì so với bộ vi sai cơ khí?
    EDS loại bỏ các bộ phận cơ khí cồng kềnh, giảm trọng lượng và tổn thất cơ khí, cho phép phân phối mô-men và tốc độ bánh xe chính xác hơn khi xe vào cua, nâng cao tính ổn định và an toàn.

  4. Bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB giúp gì cho hệ thống điều khiển?
    DOB giúp phát hiện và bù trừ nhanh các biến đổi mô-men tải, giảm sai số và dao động trong hệ thống điều khiển, từ đó nâng cao độ ổn định và chất lượng vận hành của động cơ.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng kết quả?
    Phần mềm Matlab/Simulink và Codesys Software Package được sử dụng để xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng các kịch bản vận hành, đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và phát triển thành công phương pháp điều khiển động cơ in-wheel IPMSM trên xe điện dẫn động cầu trước, kết hợp thuật toán MTPA và FW, nâng cao hiệu suất và mở rộng vùng làm việc của động cơ.
  • Bộ vi sai điện tử EDS được thiết kế và mô phỏng hiệu quả, thay thế bộ vi sai cơ khí truyền thống, giúp phân phối mô-men và tốc độ bánh xe chính xác khi xe vào cua.
  • Bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB cải thiện đáng kể độ ổn định và khả năng thích ứng của hệ thống điều khiển khi có biến đổi tải.
  • Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink phù hợp với thực tế, có tính ứng dụng cao trong phát triển xe điện hiện đại.
  • Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng nghiên cứu điều khiển động cơ in-wheel cho xe điện dẫn động bốn bánh nhằm tăng cường tính ổn định và an toàn khi vận hành.

Để tiếp tục phát triển công nghệ điều khiển xe điện, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và thử nghiệm các giải pháp đề xuất trong luận văn, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các cấu hình truyền động phức tạp hơn.