Tổng quan luận án

Động cơ điện tự nâng (Self-Bearing Motor / Slotless Self-Bearing Motor - SSBM) là loại máy điện tích hợp đồng thời hai chức năng: sinh mô men quay để truyền động rotor và tự sinh lực từ trường để nâng, giữ ổn định vị trí tâm rotor trong không gian mà không cần tiếp xúc cơ khí.

Trong các hệ truyền động truyền thống, vòng bi cơ khí bộc lộ nhiều hạn chế do ma sát, mài mòn và đòi hỏi chất bôi trơn. Điều này gây khó khăn khi vận hành trong các môi trường làm việc khắc nghiệt (chân không, nhiệt độ cực cao hoặc cực thấp, môi trường hóa chất) cũng như nguy cơ gây ô nhiễm trong các ngành công nghệ sạch (chế biến thực phẩm, dược phẩm, thiết bị y tế, bơm máu nhân tạo). Để giải quyết vấn đề này, hệ thống ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing - AMB) đã được ứng dụng nhằm treo trục không tiếp xúc. Tuy nhiên, các hệ thống động cơ sử dụng ổ từ truyền thống có cấu trúc cồng kềnh, phức tạp, đòi hỏi nhiều bộ biến đổi công suất và cảm biến để điều khiển tới 6 bậc tự do.

Xu hướng tích hợp chức năng ổ từ trực tiếp vào cấu trúc stator của động cơ đã được nghiên cứu nhằm giảm kích thước và chi phí. Tuy vậy, các mô hình động cơ tích hợp có lõi thép khi vận hành ở dải tốc độ cao thường đòi hỏi tần số cấp nguồn lớn, gây tổn hao sắt từ đáng kể do giới hạn của vật liệu từ. Động cơ tự nâng stator không lõi thép dựa trên nguyên lý lực Lorentz xuất hiện như một giải pháp khắc phục triệt để tổn hao sắt từ và hiện tượng đập mạch mô men, đồng thời đảm bảo mối quan hệ tuyến tính giữa lực nâng và dòng điện. Mặc dù vậy, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào stator dạng thanh dẫn, bộc lộ hạn chế về kích thước khi tăng công suất và gặp khó khăn trong việc điều khiển khử ghép kênh, bù nhiễu lực ly tâm và ngăn chặn mô men hãm ngược. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống nghiên cứu này bằng cách xây dựng mô hình toán học và thiết kế hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cho động cơ tự nâng stator không lõi thép sử dụng dây quấn rải.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm hai nội dung:

  1. Xây dựng mô hình toán học cho động cơ tự nâng stator không lõi thép nhằm làm rõ khả năng sinh lực đồng thời cả mô men quay lẫn lực nâng ngang trục.
  2. Xây dựng hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép nhằm đảm bảo điều khiển độc lập và chính xác cả lực nâng ngang trục lẫn mô men quay của động cơ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ tự nâng stator không lõi thép sử dụng dây quấn rải và rotor nam châm vĩnh cửu.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào hệ thống điều khiển tốc độ quay và vị trí ngang trục (hai bậc tự do trong mặt phẳng trực giao $X-Y$) của động cơ tự nâng stator không lõi thép. Trục dọc $Z$ được cố định về mặt cơ học bằng khớp nối mềm để phục vụ thử nghiệm và đánh giá chất lượng điều khiển 2 bậc tự do ngang trục.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các mốc nghiên cứu chính về động cơ ổ từ và động cơ tự nâng trên thế giới:

  • Hướng tích hợp ổ từ ngang trục vào động cơ có lõi thép: Các công trình nghiên cứu sử dụng hai hệ thống dây quấn riêng biệt trên cùng stator: dây quấn có số đôi cực $p$ để sinh mô men quay và dây quấn có số đôi cực $p \pm 2$ để tạo lực nâng ngang trục [12÷20]. Giải pháp này giảm được một phần kích thước cơ khí nhưng cấu trúc dây quấn và mạch lực vẫn phức tạp.
  • Hướng tích hợp mạch điện động cơ và ổ từ: Các nghiên cứu sử dụng 5 cuộn dây để tạo đồng thời lực nâng và mô men [14, 20]. Hạn chế lớn nhất của cấu trúc này là sự ghép kênh phi tuyến mạnh giữa mô men quay và lực nâng, đòi hỏi thuật toán điều khiển phức tạp và độ tin cậy chưa cao trong các hệ thống đòi hỏi độ chính xác lớn.
  • Hướng phát triển động cơ tự nâng không răng rãnh theo nguyên lý lực Lorentz: Được công bố trong các công trình [31÷37, 34, 38], giải pháp này loại bỏ đập mạch mô men và đảm bảo hằng số lực, mô men tuyến tính. Tuy nhiên, kết cấu động cơ trong các công trình này sử dụng số lượng phiến nam châm lớn (12 đôi cực) và khe hở không khí lớn, dẫn đến kích thước tổng thể của động cơ vẫn cồng kềnh.
  • Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép của Ueno và các cộng sự [42]: Đề xuất mô hình động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu hình trụ tròn đều, stator không lõi thép sử dụng các thanh dẫn thẳng. Cấu trúc này đã kiểm chứng được nguyên lý sinh lực Lorentz đồng thời cho chuyển động quay và lực nâng $x_1, y_1$, nhưng mới dừng lại ở dạng mô hình nguyên lý, thử nghiệm một đầu trục trong khi đầu còn lại vẫn bị giữ bởi vòng bi cơ khí.
  • Các phương pháp thiết kế điều khiển: Các nghiên cứu điều khiển tuyến tính sử dụng bộ điều khiển PID [55÷63] chủ yếu tập trung vào việc bám lượng đặt và kháng nhiễu tải tĩnh, chưa xử lý triệt để ảnh hưởng của các thành phần nhiễu ngoại như lực ly tâm khi rotor quay lệch tâm. Các phương pháp điều khiển phi tuyến hoặc điều khiển trượt [64÷70] áp dụng cho các mô hình có thông số biến đổi nhưng cấu trúc giải thuật phức tạp khi triển khai thực tế.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là: chuyển đổi từ cấu trúc stator dạng thanh dẫn sang cấu trúc stator dây quấn rải tròn đều; xây dựng mô hình toán học giải tích mô tả quá trình điện từ - động lực học; đề xuất cấu trúc điều khiển vị trí PD song song kết hợp khâu bù nhiễu Feedforward nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của lực ly tâm; áp dụng phép biến đổi tọa độ tĩnh từ hệ trục $(X-Y)$ sang hệ pha stator $(a-d, b-e, c-f)$ nhằm loại bỏ mô men hãm ngược phát sinh khi rotor quay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án xây dựng khung phân tích dựa trên các nền tảng lý thuyết máy điện và điều khiển tự động:

  • Nguyên lý lực Lorentz: Lực tác dụng lên thanh dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường được xác định theo biểu thức $\vec{F} = I (\vec{\ell} \times \vec{B})$, có độ lớn $F = B I \ell \sin\gamma$, trong đó $B$ là cường độ từ trường khe hở không khí, $I$ là cường độ dòng điện, $\ell$ là chiều dài hiệu dụng của đoạn dây dẫn, $\gamma$ là góc hợp bởi véc tơ từ trường và đoạn dây dẫn. Chiều của lực xác định theo quy tắc bàn tay trái.
  • Lý thuyết máy điện xoay chiều và véc tơ sức từ động: Sử dụng véc tơ sức từ động $I_k = \frac{2N}{\pi} k_{qd} i_k$ để biểu diễn tương đương dòng điện chạy trong các bối dây quấn rải của stator.
  • Lý thuyết véc tơ không gian trục $d-q$ và nguyên lý xếp chồng điện từ: Phân tích dòng điện stator thành hai thành phần trực giao và độc lập về mặt vật lý: thành phần dòng điện một chiều điều khiển lực nâng ($i^f$) và thành phần dòng điện xoay chiều điều khiển mô men quay ($i^T$). Do động cơ có điện cảm stator rất nhỏ ($L_s = 0{,}006\text{ mH}$), điện kháng stator tại tần số $1000\text{ Hz}$ chỉ đạt $0{,}037,\Omega$ so với điện trở thuần $R_s = 3{,}2,\Omega$, hệ thống làm việc ở chế độ thuần trở với véc tơ dòng điện tổng $I_s$ trùng pha với sức điện động $E$, cho phép định hướng dòng điện hoàn toàn trên trục $q$ ($I_{sq} = I_s$, $I_{sd} = 0$).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết giải tích, mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng:

  • Phương pháp mô hình hóa toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ điện từ của mạch phần ứng và phương trình động lực học chuyển động ngang của rotor trên hệ trục tọa độ trực giao $X-Y$.
  • Phương pháp mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình hệ thống điều khiển truyền động, khảo sát chất lượng đáp ứng bám lượng đặt vị trí, tốc độ và khả năng kháng nhiễu lực cản, nhiễu ly tâm.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình phần cứng động cơ TNSKLT dây quấn rải, kết nối hệ thống điều khiển số thời gian thực qua card dSPACE DS1104, lập trình giao diện giám sát và thu thập dữ liệu bằng ControlDesk.

Nguồn tư liệu và thông số thực nghiệm

Thông số hình học và điện từ Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Khe hở không khí trong (rotor - cuộn dây stator) $\delta$ $0{,}005$ ($5$) $\text{m}$ ($\text{mm}$)
Khe hở không khí ngoài (vỏ sắt - cuộn dây stator) $\delta_n$ $0{,}005$ ($5$) $\text{m}$ ($\text{mm}$)
Bán kính ngoài rotor $r$ $0{,}010$ ($10$) $\text{m}$ ($\text{mm}$)
Đường kính rotor nam châm vĩnh cửu $d_r$ $0{,}020$ ($20$) $\text{m}$ ($\text{mm}$)
Đường kính ngoài cuộn dây stator $d_s$ $0{,}050$ ($50$) $\text{m}$ ($\text{mm}$)
Đường kính vỏ sắt của rotor $d_{vt}$ $0{,}062$ ($62$) $\text{m}$ ($\text{mm}$)
Đường kính dây dẫn stator $d_{day}$ $1$ $\text{mm}$
Số vòng dây của một cuộn dây $N_c$ $26$ vòng
Số vòng dây của một cặp cuộn dây (1 pha) $N$ $52$ vòng
Hệ số quấn dây $k_{qd}$ $0{,}8$ -
Điện trở một pha stator $R_s$ $3{,}2$ $\Omega$
Điện cảm một pha stator $L_s$ $0{,}006$ $\text{mH}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan chung về động cơ tự nâng stator không lõi thép

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về động cơ tự nâng kích từ nam châm vĩnh cửu stator không lõi thép hoạt động theo nguyên lý lực Lorentz. Tác giả phân tích chi tiết kết cấu động cơ gồm ba phần: rotor nam châm vĩnh cửu hai cực hình trụ tròn đều (SPMM) có vỏ sắt bao quanh để định hướng khép mạch từ, stator gồm các thanh dẫn được lắp trên khung nhựa và phần tải nối qua khớp mềm.

Nội dung trọng tâm của chương tập trung vào cơ chế sinh lực của cấu trúc stator 12 thanh dẫn chia thành 6 pha ($a, b, c, d, e, f$) tạo thành 3 cặp đối xứng ($a-d, b-e, c-f$) đặt lệch nhau $120^\circ$:

  • Khi cấp dòng điện một chiều $i_{ad}^f, i_{be}^f, i_{cf}^f$, từ trường rotor tương tác với dòng điện sinh ra lực nâng Lorentz tác động lên thanh dẫn. Do thanh dẫn cố định, phản lực sẽ tác động đẩy rotor theo phương ngang.
  • Khi rotor đứng yên và đồng tâm, tổng hợp lực nâng tĩnh ban đầu triệt tiêu lẫn nhau ($F_{ox}^+ = F_{ox}^-$ và $F_{oy}^+ = F_{oy}^-$). Khi rotor bị lệch tâm một khoảng $\Delta x, \Delta y$, dòng điện điều khiển sẽ tạo ra các biến thiên lực $\Delta F_x = k_{fx} i_x$ và $\Delta F_y = k_{fy} i_y$ để kéo rotor về vị trí trung tâm.
  • Thành phần mô men quay được tạo ra khi cấp hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha $i_{ad}^T, i_{be}^T, i_{cf}^T$ lệch pha nhau $120^\circ$, tạo ngẫu lực quay tác động lên trục rotor.

Chương 1 chỉ ra các nhược điểm của stator dạng thanh dẫn: việc tăng công suất đòi hỏi tăng tiết diện thanh dẫn gây cồng kềnh, cấu trúc mô hình toán học và giải thuật điều khiển phức tạp. Từ đó, tác giả đề xuất mô hình nghiên cứu mới sử dụng stator dây quấn rải.

Chương 2: Xây dựng mô hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải

Chương 2 trình bày chi tiết mô hình toán học của động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải. Stator gồm 6 bối dây quấn rải không răng rãnh bố trí tròn đều, đấu nối nối tiếp thành 3 cặp cuộn dây $a-d, b-e, c-f$ lệch pha không gian $120^\circ$.

Các kết quả phân tích giải tích bao gồm:

  • Cơ chế tạo lực nâng: Biểu diễn véc tơ dòng điện qua sức từ động $I_k = \frac{2N}{\pi} k_{qd} i_k$. Lực Lorentz tác động lên ba cặp cuộn dây quay đồng bộ theo tốc độ rotor $\omega$: $$\begin{cases} F_{ad} = k_n B i_{ad}^f \sin(\theta - \omega t) \ F_{be} = k_n B i_{be}^f \sin(\theta - \frac{2\pi}{3} - \omega t) \ F_{cf} = k_n B i_{cf}^f \sin(\theta - \frac{4\pi}{3} - \omega t) \end{cases}$$ Chiếu các lực này lên hệ trục $X-Y$ tĩnh, tác giả chứng minh khi cấp các dòng điện ban đầu $I_{0f}$, hệ thống tạo ra các cặp lực đối đầu cân bằng $F_{ox}^+ = F_{ox}^-$ và $F_{oy}^+ = F_{oy}^-$, hoàn toàn tương đương nguyên lý của ổ từ chủ động.
  • Cơ chế tạo mô men quay: Áp dụng phép biến đổi véc tơ không gian định hướng theo trục dòng điện $q$ ($I_{sd} = 0$), mô men quay động cơ được rút gọn thành biểu thức tuyến tính thuận tiện cho điều khiển: $$M = k_M \Phi_r i_{sm}^T$$ với $k_M = \frac{3}{\pi} \frac{2N}{\pi} k_{qd}$ và $\Phi_r = \frac{1}{2} \pi r \ell B$.
  • Động lực học quá trình điện từ và chuyển động: Thiết lập phương trình điện áp phần ứng cho từng thành phần lực nâng và mô men: $$u_s^f = L_s \frac{d i_s^f}{dt} + R_s i_s^f, \quad u_s^T = e_s(t) + L_s \frac{d i_s^T}{dt} + R_s i_s^T$$ Phương trình động học chuyển động ngang của rotor: $$m \frac{d v_x}{dt} = F_x - F_{cx} = k_{fx} i_x - F_{cx}, \quad m \frac{d v_y}{dt} = F_y - F_{cy} = k_{fy} i_y - F_{cy}$$
  • Lựa chọn cấu trúc điều khiển: Phân tích cấu trúc điều khiển dạng II, áp dụng phép biến đổi tọa độ tĩnh từ $(X-Y)$ sang $(a-d, b-e, c-f)$ nhằm loại bỏ việc quay véc tơ dòng điện nâng, từ đó ngăn ngừa hiện tượng phát sinh mô men hãm ngược trên trục động cơ.

Chương 3: Thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

Chương 3 đi sâu vào thiết kế chi tiết các mạch vòng điều khiển độc lập cho kênh tốc độ và kênh vị trí:

  • Tổng hợp mạch vòng tốc độ: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ $R_\omega$ nhằm xác định biên độ đặt của dòng điện sinh mô men $I_{sm}^*$, kết hợp với góc cực từ đo từ Resolver để tạo tín hiệu dòng điện xoay chiều 3 pha cấp cho động cơ.
  • Tổng hợp mạch vòng vị trí: So sánh các cấu trúc điều khiển vị trí (một mạch vòng PI, hai mạch vòng nối tầng, PD song song). Luận án lựa chọn cấu trúc điều khiển PD song song cho hai trục $X$ và $Y$, đảm bảo khả năng đáp ứng nhanh sai lệch vị trí và độ ổn định động học của rotor.
  • Thiết kế khâu bù nhiễu Feedforward: Khi rotor quay lệch tâm, lực ly tâm quán tính xuất hiện và đóng vai trò như một thành phần nhiễu ngoại tuần hoàn tác động lên mạch vòng vị trí. Tác giả thiết kế khâu bù nhiễu Feedforward $G_F$ nhằm tính toán trực tiếp giá trị lực ly tâm từ tốc độ quay và vị trí lệch tâm, tạo tín hiệu bù trừ vào đầu ra bộ điều khiển vị trí, nâng cao khả năng triệt tiêu sai số quỹ đạo.
  • Mô phỏng hệ thống: Xây dựng mô hình hoàn chỉnh trên Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng khẳng định hệ thống điều khiển bám tốt lượng đặt tốc độ và vị trí, khâu bù nhiễu Feedforward giúp giảm đáng kể biên độ dao động lệch tâm khi có tải và khi tốc độ quay tăng cao.

Chương 4: Xây dựng mô hình động cơ TNSKLT và thực nghiệm

Chương 4 trình bày quá trình xây dựng hệ thống phần cứng và kiểm chứng thực nghiệm các thuật toán điều khiển đã thiết kế:

  • Cấu hình phần cứng thực nghiệm: Bao gồm động cơ TNSKLT chế tạo tại phòng thí nghiệm, card xử lý tín hiệu số dSPACE DS1104, 3 bộ khuếch đại dòng điện công suất (BKĐD A, B, C), hai cảm biến tiệm cận tuyến tính LS-500-2A đo độ dịch chuyển trục $X-Y$, cảm biến Resolver đo góc cực từ và tốc độ quay, máy phát một chiều (MFMC) đóng vai trò tải nối mềm với rotor.
Thiết bị / Thành phần Chức năng trong hệ thống thực nghiệm
Động cơ TNSKLT dây quấn rải Đối tượng điều khiển chính (rotor nam châm vĩnh cửu, stator 6 bối dây)
Card dSPACE DS1104 Thu thập tín hiệu ADC, tính toán thuật toán điều khiển thời gian thực, phát xung PWM/DAC
Cảm biến vị trí LS-500-2A Đo sai lệch khoảng cách khe hở không khí trên hai trục $X$ và $Y$
Cảm biến Resolver Đo vị trí góc cực từ rotor $\theta$ và phản hồi tốc độ quay $\omega$
3 Bộ khuếch đại dòng (BKĐD A, B, C) Cấp nguồn dòng cho 3 cặp bối dây stator ($a-d, b-e, c-f$)
Máy phát một chiều (MFMC) Đóng vai trò tải cơ học nối với rotor qua khớp nối mềm
Phần mềm ControlDesk Giao diện điều khiển, tinh chỉnh thông số trực tuyến và hiển thị đồ thị thực nghiệm
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Xác định thông số sức điện động $E_s$ của động cơ ở các chế độ khởi động và chạy ổn định.
    • Khảo sát hệ điều khiển vị trí: Hệ thống giữ rotor lơ lửng ổn định tại vị trí cân bằng, các sai lệch $\Delta x, \Delta y$ được triệt tiêu nhanh chóng khi xuất hiện xung nhiễu lực cản.
    • Khảo sát hiện tượng xen kênh: Khi tốc độ động cơ thay đổi đột ngột hoặc duy trì ổn định ở mức $4000\text{ vòng/phút}$, vị trí tâm rotor trên mặt phẳng $X-Y$ không bị ảnh hưởng đáng kể, chứng minh tính tách kênh hoàn toàn giữa mạch điều khiển mô men và mạch điều khiển lực nâng.
    • Đánh giá sai số quỹ đạo: Quỹ đạo chuyển động $X-Y$ của rotor khi quay ổn định ở tốc độ $4000\text{ vòng/phút}$ nằm trọn trong giới hạn cho phép của khe hở không khí, không xảy ra va chạm cơ khí giữa rotor và stator.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp mới về mặt khoa học lý luận và ứng dụng thực tiễn:

  1. Xây dựng mô tả toán học mới cho động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải: Ứng dụng lý thuyết máy điện xoay chiều, véc tơ sức từ động đẳng trị và phép biến đổi véc tơ không gian để thiết lập mô hình động học quá trình điện từ - cơ. Mô hình này giải thích rõ ràng cơ chế đồng thời tạo lực nâng Lorentz và mô men quay, biến đổi phương trình mô men phức tạp về dạng quan hệ tuyến tính thuận lợi cho thiết kế điều khiển.
  2. Đề xuất cấu trúc điều khiển vị trí PD song song kết hợp khâu bù nhiễu Feedforward: Giải quyết bài toán triệt tiêu ảnh hưởng của lực ly tâm quán tính khi rotor quay lệch tâm, đồng thời đưa ra phương án cấp dòng điện một chiều ban đầu để duy trì lực nâng ổn định tương đương ổ từ chủ động.
  3. Đề xuất giải pháp biến đổi tọa độ tĩnh $(X-Y) \to (a-d, b-e, c-f)$: Thay thế cho phép biến đổi tọa độ quay truyền thống, giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng sinh mô men hãm ngược trên trục động cơ khi duy trì lực nâng.
  4. Chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình phần cứng thực nghiệm: Tích hợp hoàn chỉnh hệ truyền động trên nền tảng xử lý số thời gian thực dSPACE DS1104, cảm biến tiệm cận LS-500-2A và resolver, kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình toán học và giải thuật điều khiển ở dải tốc độ lên đến $4000\text{ vòng/phút}$.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Ứng dụng mô hình toán học và thuật toán điều khiển đề xuất vào việc thiết kế, chế tạo các hệ truyền động động cơ tự nâng không lõi thép phục vụ các thiết bị quay tốc độ cao trong công nghiệp.
  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc dây quấn và công nghệ chế tạo khung stator để nâng cao hơn nữa mật độ công suất và tối ưu hóa khe hở không khí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều khiển 2 bậc tự do ngang trục ($X-Y$); chuyển động dọc trục $Z$ và các góc nghiêng vẫn đang được cố định bằng cơ cấu khớp nối mềm với tải máy phát một chiều.
  • Dải tốc độ thực nghiệm mới đạt mức $4000\text{ vòng/phút}$ do giới hạn phần cứng của bộ thí nghiệm và khớp nối mềm, chưa khảo sát ở các dải tốc độ siêu cao ($> 10.000\text{ vòng/phút}$).

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng mô hình toán học và cấu trúc điều khiển cho hệ thống đầy đủ 5 hoặc 6 bậc tự do không tiếp xúc hoàn toàn (tích hợp lực nâng dọc trục $Z$ và kiểm soát góc nghiêng).
  • Nghiên cứu nâng cao dải tốc độ làm việc của động cơ lên dải siêu cao tốc, khảo sát đặc tính nhiệt và độ ổn định động học của stator không lõi thép ở tần số làm việc lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật điện, Cơ điện tử; tham khảo phương pháp mô hình hóa điện từ cho máy điện không lõi thép (Chương 2) và kỹ thuật thiết kế điều khiển bù nhiễu Feedforward (Chương 3).
  • Kỹ sư và nhà phát triển công nghệ: Đang nghiên cứu thiết kế các cơ cấu chấp hành có độ chính xác cao, các hệ truyền động siêu cao tốc (máy nén khí, máy ly tâm), thiết bị y sinh (bơm tim nhân tạo), hoặc thiết bị làm việc trong phòng sạch và môi trường chân không.
  • Phần đáng tham khảo: Sơ đồ nguyên lý mạch lực, thuật toán biến đổi tọa độ tĩnh khử xen kênh, và quy trình xây dựng hệ thống điều khiển số thời gian thực trên card dSPACE DS1104 kết nối ControlDesk (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ tự nâng stator không lõi thép (TNSKLT) có ưu điểm gì nổi bật so với động cơ ổ từ có lõi thép truyền thống?

Động cơ TNSKLT hoạt động theo nguyên lý lực Lorentz, không sử dụng lõi thép ở stator nên loại bỏ hoàn toàn tổn hao sắt từ (dòng xoáy và trễ từ) khi vận hành ở tần số cao. Cấu trúc này không có hiện tượng đập mạch mô men, đồng thời tạo ra mối quan hệ tuyến tính giữa lực nâng với dòng điện điều khiển, giúp việc điều khiển vị trí đạt độ chính xác cao hơn so với quan hệ phi tuyến bậc hai của ổ từ cảm ứng có lõi thép.

2. Tại sao luận án lại chuyển từ stator dạng thanh dẫn sang stator dạng dây quấn rải?

Stator dạng thanh dẫn có nhược điểm lớn là khi cần tăng công suất, bắt buộc phải tăng tiết diện thanh dẫn (hoặc dùng tấm đồng lớn), làm tăng kích thước động cơ và khiến mô hình toán học cũng như thuật toán điều khiển trở nên phức tạp. Cấu trúc dây quấn rải với 6 bối dây bố trí tròn đều giúp tối ưu hóa không gian khe hở không khí, dễ dàng gia tăng số vòng dây ($N = 52$ vòng/pha), nâng cao lực nâng và mô men mà vẫn giữ kết cấu nhỏ gọn.

3. Cơ chế nào đảm bảo động cơ TNSKLT sinh đồng thời lực nâng và mô men mà không bị triệt tiêu lẫn nhau?

Dòng điện chạy qua mỗi pha stator là sự xếp chồng tuyến tính của hai thành phần dòng điện độc lập về mặt vật lý: thành phần dòng điện một chiều ($i^f$) tạo lực nâng Lorentz theo phương ngang và thành phần dòng điện xoay chiều ba pha ($i^T$) tương tác với từ trường rotor để tạo mô men quay. Do điện kháng stator rất nhỏ ($L_s = 0{,}006\text{ mH}$), mạch phần ứng mang tính thuần trở, véc tơ dòng điện tổng định hướng hoàn toàn trên trục $q$ ($I_{sd} = 0$), giúp hai kênh điều khiển vị trí và tốc độ hoạt động độc lập mà không gây can nhiễu.

4. Mục đích của phép biến đổi tọa độ tĩnh từ hệ trục $(X-Y)$ sang hệ pha stator $(a-d, b-e, c-f)$ là gì?

Nếu sử dụng phép biến đổi tọa độ quay truyền thống, véc tơ dòng điện sinh lực nâng sẽ quay đồng bộ với rotor, dẫn đến việc tạo ra một thành phần mô men hãm ngược cản trở chuyển động quay của động cơ. Luận án đề xuất phép biến đổi tọa độ tĩnh giúp giữ cố định phương của lực nâng trên hệ trục tọa độ không gian stator, triệt tiêu hoàn toàn mô men hãm ngược này.

5. Khâu bù nhiễu Feedforward trong mạch vòng vị trí giải quyết vấn đề gì?

Khi rotor quay, nếu xuất hiện sai lệch tâm ban đầu, quán tính khối lượng của rotor sẽ sinh ra lực ly tâm tác động như một thành phần nhiễu ngoại tuần hoàn làm tăng độ lệch tâm. Khâu bù nhiễu Feedforward tính toán giá trị lực ly tâm dựa trên tốc độ góc và sai lệch vị trí để bù trực tiếp vào tín hiệu điều khiển dòng điện, giúp mạch vòng vị trí PD song song giữ vững tâm rotor trong giới hạn an toàn.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Võ Đức Nhân đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán xây dựng mô hình toán học và thiết kế hệ thống điều khiển cho động cơ tự nâng stator không lõi thép sử dụng dây quấn rải. Công trình đã chứng minh tính khả thi của việc tích hợp đồng thời chức năng sinh mô men quay và tự nâng ngang trục theo nguyên lý lực Lorentz, loại bỏ hiện tượng mô men hãm ngược và bù trừ hiệu quả nhiễu lực ly tâm. Toàn bộ các kết quả lý thuyết và thuật toán điều khiển đề xuất đã được kiểm chứng thành công thông qua mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm thời gian thực trên hệ thống dSPACE DS1104 ở tốc độ $4000\text{ vòng/phút}$.