Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ trên xe điện dẫn động cầu trước

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ trên xe điện dẫn động cầu trước, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Văn Thành
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Huy
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự Động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ trên xe điện dẫn động cầu trước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG TRÊN XE ĐIỆN DẪN ĐỘNG CẦU TRƯỚC
• 1.1. Cấu trúc hệ thống truyền động cầu trước
• 1.2. Động cơ sử dụng trên xe điện
• 1.2.1. Đặc điểm, yêu cầu của động cơ xe điện
• 1.2.2. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện
• 1.2.3. Giới thiệu về động cơ in-wheel
• 1.3. Cấu trúc và phương pháp điều khiển động cơ trên xe điện
• 1.3.1. Cấu trúc điều khiển
• 1.3.2. Các phương pháp điều khiển động cơ IPMSM
• 1.3.2.1. Điều khiển vô hướng U/f
• 1.3.2.2. Điều khiển trực tiếp mô-men DTC
• 1.3.2.3. Điều khiển vector tựa từ thông rotor FOC
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IN-WHEEL IPMSM PHÙ HỢP VỚI YÊU CẦU TRÊN XE ĐIỆN
• 2.1. Các vùng làm việc của động cơ IPMSM
• 2.1.1. Vùng mô-men không đổi
• 2.1.2. Vùng công suất không đổi
• 2.2. Mô hình toán học của động cơ IPMSM
• 2.3. Nguyên lý điều khiển MTPA và FW
• 2.3.1. Khái niệm điều khiển MTPA
• 2.3.2. Giới hạn làm việc của động cơ
• 2.3.3. Thuật toán MTPA kết hợp FW cho điều khiển tốc độ động cơ in-wheel IPMSM
• 2.4. Thiết kế bộ điều khiển
• 2.4.1. Thiết kế mạch vòng dòng điện
• 2.4.2. Thiết kế mạch vòng tốc độ
• 2.5. Thiết kế bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB
• 2.6. Mô phỏng trên phần mềm Matlab
• 2.6.1. Thông số động cơ
• 2.6.2. Thông số bộ điều khiển
• 2.6.3. Kịch bản mô phỏng
• 2.6.4. Kết quả mô phỏng
• 2.6.5. Mô phỏng bộ quan sát nhiễu DOB
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN DẪN ĐỘNG CẦU TRƯỚC
• 3.1. Bộ vi sai điện tử EDS
• 3.2. Thiết kế bộ vi sai điện tử EDS
• 3.3. Mô phỏng EDS
• 3.4. Mô hình động lực học của xe điện
• 3.5. Cấu trúc điều khiển xe điện dẫn động cầu trước
• 3.5.1. Mô phỏng điều khiển xe điện dẫn động cầu trước trên Matlab/Simulink
• 3.5.2. Kịch bản và kết quả mô phỏng
• 3.6. Hướng phát triển của luận văn trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Động Cơ In Wheel Cho Xe Điện Cầu Trước

Xe điện ngày càng trở nên phổ biến, và động cơ in-wheel đang được ưa chuộng nhờ hiệu suất và kích thước ưu việt. Hệ thống vi sai cơ khí truyền thống không còn phù hợp do kích thước lớn và tổn thất cơ khí. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu cấu trúc điều khiển động cơ in-wheel cho xe điện dẫn động độc lập hai bánh trước. Bộ vi sai điện tử (EDS) được đề xuất để thay thế hệ thống vi sai cơ khí, phân phối mô-men xoắn và tính toán tốc độ cho mỗi bánh xe khi xe di chuyển trên đường cong. Thuật toán điều khiển tối ưu dòng điện đầu vào MTPA kết hợp thuật toán suy giảm từ thông FW trên cơ sở phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC được sử dụng để xây dựng cấu trúc điều khiển cho động cơ in-wheel IPMSM. Bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB được đề xuất để nâng cao chất lượng điều khiển động cơ khi tải thay đổi.

1.1. Ưu điểm của động cơ in wheel trên xe điện FWD

Động cơ in-wheel mang lại nhiều ưu điểm cho xe điện dẫn động cầu trước (FWD). Chúng bao gồm khả năng kiểm soát mô-men xoắn độc lập trên mỗi bánh xe, cải thiện khả năng xử lý và ổn định. Việc loại bỏ các thành phần cơ khí truyền thống như trục truyền động và bộ vi sai giúp giảm trọng lượng và tăng hiệu quả. Theo tài liệu, động cơ in-wheel ngày càng được ưa chuộng do các đặc điểm ưu việt về mô-men, hiệu suất hoạt động và kích thước động cơ.

1.2. Cấu trúc truyền động xe điện dẫn động cầu trước FWD

Hệ thống truyền động của xe điện FWD kết hợp hệ thống điện (động cơ, pin, bộ chuyển đổi) và hệ thống cơ khí (hộp số, bộ vi sai, bánh xe). Bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất, tối ưu tốc độ và quãng đường di chuyển. Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ trên xe điện FWD được ưu tiên vì hiệu quả cao trong tăng tốc, tiết kiệm năng lượng và an toàn. Có sáu cấu trúc điển hình cho hệ thống truyền động xe điện FWD, bao gồm hệ thống một động cơ và hai động cơ.

II. Thách Thức Điều Khiển Động Cơ In Wheel IPMSM Xe Điện

Việc điều khiển động cơ in-wheel IPMSM trên xe điện đặt ra nhiều thách thức. Các yếu tố như thay đổi tải trọng, điều kiện đường xá khác nhau và yêu cầu về hiệu suất cao đòi hỏi các phương pháp điều khiển tiên tiến. Cần có các thuật toán điều khiển chính xác để đảm bảo ổn định xe, khả năng xử lý tốt và hiệu quả năng lượng tối ưu. Ngoài ra, việc tích hợp hệ thống phanh tái sinh và các hệ thống an toàn khác cũng đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các bộ điều khiển.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ in wheel

Hiệu suất của động cơ in-wheel chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, tốc độ, mô-men xoắn và điện áp. Việc duy trì hiệu suất cao trong các điều kiện vận hành khác nhau là một thách thức. Các phương pháp điều khiển cần phải thích ứng với các thay đổi này để đảm bảo hiệu quả năng lượng tối ưu. Theo tài liệu, cần nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ in-wheel IPMSM sử dụng thuật toán MTPA kết hợp với thuật toán FW.

2.2. Vấn đề ổn định và an toàn khi điều khiển xe điện FWD

Đảm bảo ổn định xe và an toàn là ưu tiên hàng đầu trong điều khiển xe điện FWD. Các hệ thống như ABS, ESC và kiểm soát lực kéo cần được tích hợp chặt chẽ với bộ điều khiển động cơ. Việc phát hiện và phản ứng nhanh chóng với các tình huống nguy hiểm là rất quan trọng. Nghiên cứu và phát triển phương pháp điều khiển động cơ trên xe điện dẫn động cầu trước có thể giúp tăng cường tính an toàn và ổn định của hệ thống này.

III. Phương Pháp Điều Khiển Vector Tối Ưu Động Cơ In Wheel

Điều khiển vector (FOC) là một phương pháp hiệu quả để điều khiển động cơ in-wheel IPMSM. FOC cho phép điều khiển độc lập mô-men xoắn và từ thông, giúp cải thiện hiệu suất và khả năng đáp ứng của động cơ. Các thuật toán như MTPA và FW được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất trong các vùng hoạt động khác nhau. Việc sử dụng bộ quan sát nhiễu mô-men tải (DOB) giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài và cải thiện độ chính xác của điều khiển.

3.1. Ứng dụng thuật toán MTPA và FW cho động cơ IPMSM

Thuật toán MTPA (Maximum Torque Per Ampere) và FW (Field Weakening) được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất của động cơ in-wheel IPMSM. MTPA giúp đạt được mô-men xoắn tối đa với dòng điện tối thiểu, trong khi FW cho phép mở rộng phạm vi tốc độ hoạt động. Việc kết hợp hai thuật toán này giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của động cơ. Tác giả sử dụng thuật toán điều khiển tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng mô-men của phụ tải MTPA kết hợp thuật toán suy giảm từ thông FW trên cơ sở phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC để xây dựng cấu trúc điều khiển cho động cơ in-wheel IPMSM trên xe điện.

3.2. Thiết kế bộ quan sát nhiễu mô men tải DOB nâng cao hiệu suất

Bộ quan sát nhiễu mô-men tải (DOB) được sử dụng để ước lượng và bù trừ các nhiễu mô-men tải, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển. DOB đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng mà tải trọng thay đổi liên tục. Bên cạnh đó, tác giả cũng đề xuất bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB để nâng cao chất lượng điều khiển động cơ khi tải thay đổi.

IV. Vi Sai Điện Tử EDS Cho Xe Điện Dẫn Động Cầu Trước

Bộ vi sai điện tử (EDS) là một giải pháp thay thế cho bộ vi sai cơ khí truyền thống. EDS cho phép điều khiển độc lập mô-men xoắn trên mỗi bánh xe, giúp cải thiện khả năng xử lý và ổn định của xe. EDS đặc biệt hữu ích trong các tình huống lái xe khó khăn như vào cua hoặc trên bề mặt trơn trượt. Việc thiết kế EDS dựa trên mô hình động học lái Ackermann-Jeantand giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả.

4.1. Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai điện tử EDS

Bộ vi sai điện tử (EDS) hoạt động bằng cách điều chỉnh mô-men xoắn trên mỗi bánh xe dựa trên các thông số như góc lái, tốc độ xe và gia tốc. Khi xe vào cua, EDS sẽ phân phối nhiều mô-men xoắn hơn cho bánh xe phía ngoài và ít mô-men xoắn hơn cho bánh xe phía trong, giúp xe quay vòng dễ dàng hơn. Đồng thời, bộ vi sai điện tử EDS được đề xuất nhằm thay thế cho hệ thống vi sai cơ khí truyền thống, để phân phối mô-men, tính toán tốc độ đặt cho mỗi bánh xe phía trước khi xe di chuyển trên đường cong.

4.2. Mô hình động học lái Ackermann Jeantand trong thiết kế EDS

Mô hình động học lái Ackermann-Jeantand được sử dụng để thiết kế EDS. Mô hình này mô tả mối quan hệ giữa góc lái, tốc độ xe và bán kính quay vòng. Dựa trên mô hình này, EDS có thể tính toán mô-men xoắn cần thiết cho mỗi bánh xe để đạt được quỹ đạo mong muốn. Sử dụng mô hình đánh lái Ackermann-Jeantand để thiết kế bộ vi sai điện tử EDS.

V. Mô Phỏng và Kiểm Chứng Phương Pháp Điều Khiển Xe Điện

Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng hiệu quả của các phương pháp điều khiển được đề xuất. Các kịch bản mô phỏng bao gồm xe đi thẳng, vào cua và thay đổi tải trọng. Kết quả mô phỏng cho thấy các phương pháp điều khiển hoạt động tốt và đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất và ổn định. Việc mô phỏng bộ quan sát nhiễu DOB cũng cho thấy khả năng cải thiện độ chính xác của điều khiển.

5.1. Kịch bản mô phỏng điều khiển xe điện trên Matlab Simulink

Các kịch bản mô phỏng bao gồm xe đi thẳng, vào cua và thay đổi tải trọng. Các thông số như tốc độ, mô-men xoắn, dòng điện và góc lái được theo dõi để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển. Đề tài sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng, kiểm chứng hiệu quả của cấu trúc điều khiển xe điện đề xuất với kịch bản khi xe đi thẳng và khi xe di chuyển vào cung đường cong (rẽ trái hoặc rẽ phải).

5.2. Đánh giá kết quả mô phỏng và so sánh các phương pháp

Kết quả mô phỏng cho thấy các phương pháp điều khiển hoạt động tốt và đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất và ổn định. Việc so sánh các phương pháp điều khiển khác nhau giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng điều kiện vận hành. Kết quả mô phỏng thu được phù hợp với thực tiễn và có tính ứng dụng tốt.

VI. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Điều Khiển Động Cơ In Wheel

Hướng phát triển của nghiên cứu là mở rộng phương pháp điều khiển cho xe điện dẫn động độc lập bốn bánh sử dụng động cơ in-wheel. Điều này sẽ giúp nâng cao tính ổn định, linh hoạt và an toàn khi lái xe. Ngoài ra, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển thích ứng, điều khiển dự đoán và điều khiển học máy cũng là một hướng đi tiềm năng.

6.1. Nghiên cứu điều khiển xe điện dẫn động bốn bánh AWD

Việc mở rộng phương pháp điều khiển cho xe điện dẫn động bốn bánh (AWD) sẽ giúp cải thiện khả năng xử lý và ổn định của xe trong các điều kiện lái xe khó khăn. Hệ thống AWD có thể phân phối mô-men xoắn đến cả bốn bánh xe, giúp tăng cường độ bám đường và giảm nguy cơ trượt. Phương hướng phát triển của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển xe điện dẫn động độc lập bốn bánh sử dụng động cơ in-wheel nhằm nâng cao tính ổn định, linh hoạt và an toàn khi lái xe.

6.2. Ứng dụng điều khiển thích ứng và học máy cho xe điện

Các phương pháp điều khiển thích ứng và học máy có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển xe điện. Điều khiển thích ứng cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các thông số điều khiển dựa trên các điều kiện vận hành khác nhau. Điều khiển học máy có thể được sử dụng để dự đoán các tình huống lái xe và tối ưu hóa các chiến lược điều khiển.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG TRÊN XE ĐIỆN DẪN ĐỘNG CẦU TRƯỚC 1.1 Cấu trúc hệ thống truyền động cầu trước Hệ thống truyền động của xe điện EV là sự kết hợp hài hòa giữa một hệ thống điện, bao gồm các thành phần chẳng hạn như Động cơ điện (Electric Motor), Pin (Batteries), Bộ chuyển đổi công suất (Power Converter), Bộ điều khiển trung tâm (Electric Controller), nguồn phụ trợ (Auxiliary Power Supply) và các Drivers truyền động, kết hợp với một hệ thống truyền động cơ khí (Transmission Unit), bao gồm hộp số, bộ vi sai và các bánh xe (Hình 1. Trong các thành phần thì bộ điều trung tâm khiển đóng vai trò quan trọng nhất trong việc thực hiện nâng cao hiệu suất của xe, tối ưu giữa tốc độ lớn nhất, khả năng tăng tốc và quãng đường di chuyển trên mỗi lần sạc. Do các hệ thống điện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lái xe và động lực học của xe điện nên mô hình tích hợp xem xét cả hệ thống cơ và điện là điều cần thiết để đánh giá các đặc tính động học và động lực học của EV.1 Các thành phần chính của một hệ thống truyền động xe điện [1] Các xe điện ngày nay có thể có nhiều cấu trúc truyền động khi thay đổi vị trí của các thành phần khác nhau.

Vị trí lắp đặt của động cơ điện có thể ở bánh trước/trục trước hoặc bánh sau/trục sau. Mỗi cấu trúc đều có những đặc điểm và lợi ích riêng. Việc lựa chọn hệ thống dẫn động nào phù hợp cho một chiếc xe điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm mục đích sử dụng, điều kiện địa hình, hiệu suất và tiện nghi. Tuy nhiên, nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ trên xe điện dẫn động cầu trước thường được ưu tiên và quan tâm hơn bởi một số lý do sau: - Hiệu quả cao trong việc tăng tốc và vận hành trên địa hình bằng phẳng: Với hệ thống dẫn động cầu trước, khối lượng của động cơ và các thành phần khác được phân bố ở phía trước của xe, giúp cân bằng trọng lượng và tăng tốc hiệu quả hơn.

Ngoài ra, hệ thống này cũng giúp xe vận hành tốt hơn trên địa hình bằng phẳng và đường cao tốc. 1 - Tiết kiệm năng lượng và chi phí: Do không cần trục truyền động như dẫn động cầu sau, nên cấu tạo đơn giản, chi phí thấp, tiết kiệm nhiên liệu, không chiếm nhiều không gian gầm xe… - An toàn và ổn định: Với hệ thống dẫn động cầu trước, xe điện có tính ổn định cao hơn khi vận hành ở tốc độ cao, đặc biệt trên đường cong và khi lái xe trong điều kiện thời tiết xấu. Trọng lượng sẽ tập trung nhiều ở phần đầu xe, cũng giúp bánh xe trước bám đường tốt hơn. Xe điện dẫn động cầu trước thường sử dụng trong các loại xe sedan hoặc hatchback đô thị để chúng không gặp khó khăn khi leo dốc.

Còn xe điện dẫn động cầu sau thường được thực hiện trên xe thể thao yêu cầu gia tốc cao như BMW, Mercedes,. Tùy theo kết cấu cơ khí cũng như số lượng động cơ mà hệ thống truyền động xe điện dẫn động cầu trước FWD (front-wheel drive) có thể được phân loại thành sáu cấu trúc điển hình, như được minh họa trong Hình 1.2 Cấu trúc truyền động cầu trước điển hình của xe điện[2] Trong đó: D: Differential; FG: Fixed Gearing; GB: Gear Box; M: Motor Theo cấu trúc trên có thể chia cấu trúc dẫn động cầu trước làm 2 loại chính: Bảng 1.1 Cấu trúc dẫn động cầu trước xe điện Hệ truyền động dựa trên 01 động cơ Hệ truyền động dựa trên 02 động cơ Hình a, Loại thông thường Hình d, Không sử dụng bộ vi sai cơ Bao gồm bộ vi sai cơ khí, hộp số, ly hợp, khí và động cơ điện Hai động cơ điện được sử dụng độc lập dẫn động cho từng bánh trước và được kết nối với bánh trước bộ giảm tốc cố định Hình b, Động cơ đặt sau, dẫn động Hình e, Loại In-wheel với bộ giảm bánh trước tốc (FG) Cấu hình này, với bộ giảm tốc với tỉ số Loại này tương tự như loại không có vi truyền cố định (FG) được sử dụng thay sai trong (d), khác vị trí của động cơ vì ly hợp và hộp số để truyền lực từ điện. Động cơ điện và bộ giảm tốc được động cơ điện đến bánh trước chủ động đặt trong bánh xe 2 Hình c, Động cơ đặt trước, dẫn động Hình f, Loại In-wheel không dùng bánh trước bộ giảm tốc (FG) Cụm động cơ điện, hộp giảm tốc (FG) Hệ thống truyền động cơ khí được loại và bộ vi sai có thể tích hợp vào cầu bỏ hoàn toàn cho loại này. Tốc độ xe bánh xe chủ động phía trước trực tiếp phụ thuộc vào tốc độ động cơ Hình 1.2 (a)–(c) minh họa hệ thống truyền động EV dựa trên một động cơ.

Trong đó có một động cơ duy nhất cung cấp năng lượng dẫn động cho các cặp bánh xe thông qua các thành phần truyền động cơ khí (hộp số và bộ vi sai cơ khí). Bộ vi sai cơ khí có nhiệm vụ quan trọng là chia mô-men xoắn tạo ra đến các bánh. Điều này cho phép các bánh xe được điều khiển ở các tốc độ khác nhau khi xe thay đổi phương hướng. Hệ thống truyền động EV dựa trên một động cơ có ưu điểm là tận dụng được các hệ thống truyền động cơ khí sẵn có trên các phương tiện xe hơi dùng động cơ đốt trong thông thường.

Các hệ truyền động EV dựa trên hai động cơ có thể rút ngắn đường truyền cơ học từ động cơ điện đến bánh xe dẫn động, như được mô tả trong Hình 1. Mỗi động cơ kết hợp với bộ chuyển đổi chuyên dụng được sử dụng để cung cấp tốc độ và mô-men xoắn cho các bánh xe tương ứng, dẫn đến không có yêu cầu sử dụng bộ vi sai cơ khí. Vì vậy, cấu trúc này giảm được chi phí và tổn thất trong quá trình truyền động nhưng đồng thời cũng tăng độ phức tạp của các thành phần điện và bộ điều khiển. Để có thể tính toán được tốc độ, mô-men xoắn cho các bánh xe, một bộ vi sai điện tử EDS sẽ được đề xuất tại Chương 2, dựa trên mô hình động học lái Ackermann- Jeantand.2 Động cơ sử dụng trên xe điện 1.1 Đặc điểm, yêu cầu của động cơ xe điện Xe điện được truyền động bằng động cơ điện thay cho động cơ đốt trong ICE.

Do không sử dụng nhiên liệu đốt như xăng, dầu,… nên động cơ điện không thải ra khí carbonic gây ô nhiễm môi trường. Đây là ưu điểm dễ nhận thấy của động cơ điện so với động cơ đốt trong. Ngoài ra, động cơ điện còn có những ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển, cho phép sử dụng các phương pháp điều khiển tối ưu để điều khiển động cơ. Từ đó nâng cao được chất lượng động lực học của xe điện.

So sánh với động cơ đốt trong, động cơ điện còn có một số ưu điểm sau: - Có khả năng đáp ứng mô-men nhanh hơn và chính xác hơn: Động cơ điện có khả năng đáp ứng mô-men nhanh hơn rất nhiều lần (khoảng 100 lần) so với động cơ đốt trong. - Có thể tích hợp hai, bốn hay nhiều động cơ in-wheel vào trong mỗi bánh xe: điều này giúp cho các bánh xe được điều khiển một cách độc lập. Từ đó cho phép điều khiển chuyển động của xe thuận tiện và linh hoạt hơn. - Mô-men của động cơ điện có thể tính toán được: Khác với động cơ đốt trong, mô-men của động cơ điện có thể tính toán, ước lượng chính xác và dễ dàng nhờ các thông số đo được như : dòng điện, điện áp, số cực,…của động cơ.

3 Trên xe điện, động cơ truyền động có những yêu cầu riêng, khác biệt so với động cơ dùng trong công nghiệp thông thường. Cụ thể như sau:. - Khối lượng động cơ phải nhẹ, có kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt và mật độ công suất phải lớn: Thông thường công suất động cơ từ 30 kW đến 100 kW là phù hợp với động cơ truyền động cho ô tô điện. Với cùng công suất này, động cơ thông thường sử dụng trong công nghiệp sẽ có khối lượng rất lớn, làm tăng khối lượng của xe.

Điều này dẫn đến tiêu tốn năng lượng và giảm quãng đường đi được mỗi lần nạp điện. - Có thể điều chỉnh tốc độ trong dải rộng: ô tô điện thông thường có dải tốc độ từ khoảng từ 0 đến 150 km/h. Điều này yêu cầu động cơ dẫn động cho xe điện phải hoạt động trong một dải tốc độ rất rộng. - Mô-men sinh ra cần phải lớn khi ô tô khởi động và chạy ở tốc độ thấp, còn khi xe chạy ở tốc độ cao thì chỉ cần mô-men nhỏ.

Động cơ điện có hai vùng làm việc như Hình 1.3: + Vùng I: Mô-men không đổi (Constant torque region) + Vùng II: Công suất không đổi (Constant power region) Vùng mô-men không đổi tương ứng với tốc độ làm việc của động cơ dưới mức tốc độ cơ bản (Base speed). Vùng công suất không đổi tương ứng với động cơ làm việc với tốc độ trên tốc độ cơ bản và bị giới hạn bởi tốc độ cực đại (Maximum speed). Các động cơ trong công nghiệp thường làm việc tại vùng I nhiều hơn vùng II. Động cơ trên ô tô điện thường làm ở vùng II nhiều hơn vùng I.

Torque, Power Torque Power Base speed Maximum speed O Speed Constant torque region (I) Constant power region (II) Hình 1.3 Đặc tính làm việc động cơ xe điện [3] Do đó, để phát triển tổng thể lĩnh vực ô tô điện thì cần phải có định hướng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng động cơ điện phù hợp với những yêu cầu trên.2 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện a) Động cơ một chiều (DC Motor) Động cơ một chiều Hình 1.4 Cấu tạo động cơ DCcó ưu điểm nổi bật là cấu tạo đơn giản và dễ điều khiển. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển động cơ chưa phát triển, động cơ DC là sự lựa chọn tốt nhất cho những ứng dụng cần điều khiển tốc độ, mô-men. Do động cơ DC có đặc tính tốc độ mô-men đáp ứng tốt các yêu cầu về lực kéo, cùng với việc điều khiển tốc độ đơn giản.4 Cấu tạo động cơ DC Nhược điểm của loại động cơ này là cấu trúc cồng kềnh, mật độ công suất trên một đơn vị khối lượng nhỏ.