Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo nghiên cứu thị trường của Markets and Markets, thị trường điều khiển chuyển động toàn cầu dự kiến đạt giá trị khoảng 22,84 tỷ đô la Mỹ với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm 5,5% trong giai đoạn 2016-2022. Động cơ điện là thành phần trung tâm trong các hệ thống chuyển động công nghiệp hiện đại, đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như đóng gói, xử lý vật liệu, gia công kim loại và định vị. Tuy nhiên, các giải pháp điều khiển động cơ hiện nay thường chỉ cho phép người dùng điều chỉnh các thông số cơ bản mà không can thiệp sâu vào công nghệ lõi, gây hạn chế trong các ứng dụng đòi hỏi yêu cầu khắt khe về không gian lắp đặt và khả năng chống chịu môi trường.

Tại Việt Nam, nhu cầu phát triển hệ thống điều khiển động cơ và chuyển động đặc biệt cao trong các lĩnh vực đặc thù như quân sự. Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế module điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) áp dụng phương pháp điều khiển tựa hướng từ thông rotor (FOC). Mục tiêu chính là mô hình hóa động cơ, thiết kế bộ điều khiển trên phần mềm MATLAB/Simulink, phát triển phần cứng module điều khiển và triển khai chương trình trên nền tảng DSP TI TMS320F2800157. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế và thử nghiệm thực nghiệm tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong năm học 2023-2024.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao khi làm chủ công nghệ lõi điều khiển dòng điện, đảm bảo tiêu chuẩn chống chịu môi trường và khả năng thích nghi với nhiều ứng dụng khác nhau. Động cơ PMSM được lựa chọn do hiệu suất cao, độ chính xác trong điều khiển và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, dân sự và quân sự.

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:

  • Phương pháp điều khiển tựa hướng từ thông rotor (FOC): Đây là phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều bằng cách chuyển đổi dòng điện 3 pha sang hệ tọa độ quay d-q, tách thành phần dòng điện điều khiển từ thông (d) và momen (q). Với động cơ PMSM, dòng điện trục d được giữ bằng 0, dòng điện trục q điều khiển momen quay.

  • Phép biến đổi hệ trục tọa độ Park-Clarke: Phép biến đổi Clarke chuyển đổi tín hiệu 3 pha sang hệ tọa độ 2 chiều tĩnh α-β, tiếp theo phép biến đổi Park chuyển hệ tọa độ α-β sang hệ tọa độ quay d-q đồng bộ với rotor, giúp đơn giản hóa việc điều khiển.

  • Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVM): Sử dụng trong điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha để tạo ra điện áp 3 pha điều khiển động cơ PMSM. SVM xác định độ rộng xung điều khiển các van bán dẫn dựa trên vị trí vectơ điện áp mong muốn trong 6 sector của không gian vectơ.

  • Mô hình toán học động cơ PMSM trên hệ tọa độ d-q: Bao gồm phương trình cân bằng điện áp, quan hệ điện-cơ sinh momen và phương trình chuyển động quay, giúp thiết kế bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển dòng điện và tốc độ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên MATLAB/Simulink và thực nghiệm trên hệ thống điều khiển động cơ PMSM thực tế sử dụng bộ xử lý tín hiệu số TI TMS320F2800157.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển dòng điện và tốc độ dựa trên mô hình toán học, triển khai thuật toán điều khiển trong chương trình nhúng trên DSP. Phân tích đáp ứng hệ thống qua các kịch bản mô phỏng và thực nghiệm, đánh giá hiệu suất điều khiển qua các thông số như thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh, sai lệch tĩnh và khả năng chịu tải.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm học 2023-2024, bao gồm các giai đoạn tổng quan lý thuyết, thiết kế mô hình và bộ điều khiển, phát triển phần cứng, lập trình nhúng và thử nghiệm thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đáp ứng mô phỏng bước nhảy tốc độ: Trong kịch bản mô phỏng bước nhảy từ 0 lên 2000 rpm, tốc độ động cơ nhanh chóng bám theo giá trị đặt với sai lệch tĩnh gần như bằng 0. Độ quá điều chỉnh khoảng 15% do đặc tính hàm truyền vòng kín. Khi đóng tải tại thời điểm 5 giây, tốc độ giảm nhẹ nhưng nhanh chóng ổn định trở lại, chứng tỏ bộ điều khiển có khả năng bù tải hiệu quả.

  2. Đáp ứng mô phỏng dòng điện và điện áp pha: Dòng điện và điện áp pha được điều khiển ổn định, phù hợp với mô hình toán học và lý thuyết điều khiển FOC. Các tín hiệu dòng điện trục d giữ gần bằng 0, dòng điện trục q biến đổi theo momen yêu cầu.

  3. Kết quả thực nghiệm thay đổi tốc độ và tải: Thực nghiệm với các mức tốc độ 0, 500, 1000 rpm và thay đổi tải tại thời điểm 24 giây cho thấy tốc độ động cơ đáp ứng nhanh, sai lệch tĩnh nhỏ, thể hiện tính ổn định và chính xác của bộ điều khiển. Khi đảo chiều động cơ trong kịch bản 2, tốc độ thay đổi mượt mà từ 0 lên 2000 rpm rồi xuống -1000 rpm, chứng tỏ khả năng điều khiển chiều quay hiệu quả.

  4. Hiệu suất phần cứng và phần mềm: Mạch lực sử dụng MOSFET IAUTN12S5N018T với các thông số kỹ thuật phù hợp, đảm bảo khả năng chịu dòng và điện áp cao. Phần mềm nhúng trên DSP TI TMS320F2800157 vận hành ổn định, thời gian xử lý trong một chu kỳ xung điều khiển được đảm bảo, giúp cập nhật độ rộng xung PWM chính xác.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển FOC kết hợp với điều chế vectơ không gian SVM là giải pháp hiệu quả cho điều khiển động cơ PMSM. Độ chính xác cao trong điều khiển tốc độ và momen, khả năng chịu tải và thay đổi chiều quay được đảm bảo. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế về điều khiển động cơ PMSM.

Việc sử dụng DSP TI TMS320F2800157 với kiến trúc lõi kép và các mô-đun ngoại vi hỗ trợ giúp tăng hiệu năng xử lý, giảm độ trễ trong điều khiển, đồng thời phần cứng thiết kế đáp ứng tốt các yêu cầu về điện áp, dòng điện và chống nhiễu. Các biểu đồ đáp ứng tốc độ, dòng điện và điện áp pha có thể được trình bày qua các đồ thị thời gian để minh họa rõ ràng sự ổn định và chính xác của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển: Cải tiến bộ điều khiển PI hiện tại bằng cách áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển mờ hoặc điều khiển dự đoán để giảm độ quá điều chỉnh và tăng tốc độ đáp ứng, hướng tới mục tiêu giảm thời gian đáp ứng dưới 0,1 giây.

  2. Nâng cao khả năng chống nhiễu và bảo vệ phần cứng: Thiết kế thêm các mạch lọc và bảo vệ chống nhiễu điện từ, quá dòng, quá áp nhằm tăng độ bền và độ tin cậy của module điều khiển, đặc biệt trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do bộ phận kỹ thuật phần cứng đảm nhiệm.

  3. Phát triển giao diện người dùng và hệ thống giám sát: Xây dựng phần mềm giao diện người dùng để dễ dàng cấu hình, giám sát và điều khiển từ xa module, giúp nâng cao tính tiện dụng và khả năng ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa. Thời gian triển khai dự kiến 4 tháng, phối hợp giữa nhóm phần mềm và kỹ thuật điều khiển.

  4. Mở rộng ứng dụng và tích hợp hệ thống: Nghiên cứu tích hợp module điều khiển vào các hệ thống lớn hơn như robot công nghiệp, xe điện hoặc thiết bị quân sự, nhằm khai thác tối đa hiệu suất và tính linh hoạt của động cơ PMSM. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 1 năm, phối hợp với các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện tử và điều khiển tự động: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển động cơ PMSM, phương pháp FOC và SVM, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng thực hành.

  2. Kỹ sư phát triển sản phẩm trong lĩnh vực động cơ điện và hệ thống điều khiển: Tham khảo để thiết kế và triển khai các module điều khiển động cơ hiệu quả, đáp ứng yêu cầu công nghiệp và quân sự.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện và tự động hóa: Tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ, phát triển phần cứng và phần mềm nhúng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất và hệ thống tự động hóa: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp điều khiển FOC là gì và tại sao được sử dụng cho động cơ PMSM?
    FOC là phương pháp điều khiển tựa hướng từ thông rotor, chuyển đổi dòng điện 3 pha sang hệ tọa độ d-q để điều khiển độc lập từ thông và momen. Phương pháp này giúp điều khiển chính xác, hiệu quả và ổn định động cơ PMSM, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.

  2. Tại sao sử dụng bộ xử lý DSP TI TMS320F2800157 trong nghiên cứu?
    DSP TI TMS320F2800157 có kiến trúc lõi kép 32-bit, tốc độ xử lý 120 MHz, hỗ trợ nhiều mô-đun ngoại vi như ePWM, ADC, SPI, giúp xử lý tín hiệu nhanh và chính xác, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển động cơ phức tạp.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ ổn định của bộ điều khiển trong điều kiện tải thay đổi?
    Bộ điều khiển PI được thiết kế với tham số tối ưu dựa trên mô hình toán học, kết hợp vòng điều khiển dòng điện và tốc độ phản hồi nhanh giúp bù tải hiệu quả, duy trì tốc độ ổn định ngay cả khi tải thay đổi đột ngột.

  4. Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVM) có ưu điểm gì?
    SVM tạo ra điện áp 3 pha với biên độ và góc pha chính xác, giảm tổn thất chuyển mạch, tăng hiệu suất điều khiển và giảm nhiễu điện từ so với các phương pháp điều chế truyền thống, phù hợp cho điều khiển động cơ PMSM.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại động cơ khác không?
    Mặc dù tập trung vào động cơ PMSM, các nguyên lý điều khiển FOC và SVM có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại động cơ xoay chiều khác như động cơ không đồng bộ, tuy nhiên cần hiệu chỉnh tham số và mô hình phù hợp với từng loại động cơ.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và thiết kế thành công module điều khiển động cơ PMSM sử dụng phương pháp FOC và điều chế vectơ không gian SVM, đảm bảo điều khiển chính xác và ổn định.
  • Phần cứng mạch lực và mạch điều khiển được thiết kế phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, sử dụng MOSFET IAUTN12S5N018T và vi điều khiển DSP TI TMS320F2800157.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh hiệu quả của bộ điều khiển trong các kịch bản thay đổi tốc độ, tải và đảo chiều động cơ.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu suất, bảo vệ phần cứng và phát triển giao diện người dùng để mở rộng ứng dụng trong công nghiệp và quân sự.
  • Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các hệ thống điều khiển động cơ tiên tiến trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai các đề xuất cải tiến, mở rộng thử nghiệm trong các ứng dụng thực tế và phát triển sản phẩm thương mại dựa trên nền tảng nghiên cứu này.