Luận án tiến sĩ: Hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục (AFPMSM) có cấu trúc độc đáo. Từ trường chính hoạt động theo hướng dọc trục thay vì hướng xuyên tâm. Thiết kế này mang lại mật độ công suất cao. Kích thước động cơ nhỏ gọn hơn so với các loại truyền thống. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng rất tốt. AFPMSM ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao. Ví dụ bao gồm robot, ô tô điện và các thiết bị tự động hóa. Động cơ này thể hiện khả năng điều khiển mô-men xoắn tốt. Đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi tải. Cấu tạo thường gồm hai hoặc nhiều stator và một rotor ở giữa. Nam châm vĩnh cửu được gắn trên rotor. Cuộn dây trên stator tạo ra từ trường quay. Tương tác từ trường tạo ra mô-men xoắn. Các ưu điểm này thúc đẩy sự phát triển của AFPMSM. Nhu cầu về một hệ thống điều khiển hiệu quả là rất lớn.

Điều khiển không cảm biến là một xu hướng công nghệ quan trọng. Phương pháp này loại bỏ việc sử dụng các cảm biến vật lý. Các cảm biến như encoder hay resolver thường được dùng để đo tốc độ và vị trí rotor. Loại bỏ chúng giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất. Độ phức tạp của phần cứng cũng được giảm bớt. Hệ thống trở nên bền bỉ hơn trong môi trường khắc nghiệt. Bụi bẩn, rung động, nhiệt độ cao có thể làm hỏng cảm biến. Điều khiển không cảm biến tăng độ tin cậy và tuổi thọ hệ thống. Nó giúp tối ưu hóa không gian lắp đặt. Mặc dù có nhiều lợi ích, điều khiển không cảm biến đặt ra thách thức. Ước lượng chính xác vị trí và tốc độ rotor là vấn đề cốt lõi. Đặc biệt là ở tốc độ thấp hoặc khi khởi động. Nghiên cứu tập trung giải quyết các thách thức này. Mục tiêu là đạt được hiệu suất điều khiển tương đương hệ thống có cảm biến.

Mô hình toán học của động cơ AFPMSM là cốt lõi. Nó bao gồm các phương trình điện áp, dòng điện và mô-men xoắn. Các phương trình này được biểu diễn trong hệ tọa độ tĩnh (pha a,b,c). Sau đó, chúng được biến đổi sang hệ tọa độ quay d-q (Park và Clarke). Biến đổi Park giúp đơn giản hóa các phương trình. Dòng điện và điện áp được phân tích thành hai thành phần trực giao. Thành phần trục d liên quan đến từ thông. Thành phần trục q liên quan đến mô-men xoắn. Các tham số động cơ như điện trở stator, điện cảm trục d và q, từ thông nam châm vĩnh cửu được xác định. Mô hình này cho phép thiết kế các bộ điều khiển. Nó cũng là cơ sở để phát triển các bộ quan sát. Độ chính xác của mô hình ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển. Mô hình cũng tính đến sức điện động ngược động cơ (Back-EMF). Đây là thông tin quan trọng cho các phương pháp điều khiển không cảm biến.

Cấu trúc điều khiển vector (FOC) là phương pháp tiên tiến. Nó cho phép điều khiển động cơ đồng bộ giống như động cơ DC. FOC tách biệt điều khiển từ thông và mô-men xoắn. Hệ thống bao gồm các vòng điều khiển dòng điện, tốc độ và vị trí. Trong hệ điều khiển không cảm biến, vị trí và tốc độ rotor không được đo trực tiếp. Thay vào đó, chúng được ước lượng bởi các bộ quan sát. Đầu ra từ bộ ước lượng được đưa vào bộ điều khiển FOC. Bộ điều khiển FOC tính toán các lệnh điện áp. Các lệnh này được biến đổi ngược về hệ tọa độ stator. Sau đó, chúng được gửi đến bộ biến tần. Bộ biến tần cung cấp điện áp phù hợp cho động cơ. Cấu trúc FOC không cảm biến cần có sự phối hợp nhịp nhàng. Giữa bộ ước lượng và bộ điều khiển chính. Điều này đảm bảo hiệu suất điều khiển cao. Nó cũng duy trì sự ổn định trong mọi dải tốc độ. So với điều khiển trực tiếp mô-men (DTC), FOC thường cho đáp ứng mượt mà hơn.

Phương pháp ước lượng dựa trên sức điện động ngược động cơ (Back-EMF) là phổ biến. Sức điện động ngược động cơ là điện áp cảm ứng trong cuộn dây stator. Nó tỷ lệ thuận với tốc độ quay của rotor. Vectơ Back-EMF có mối quan hệ trực tiếp với vị trí rotor. Bằng cách quan sát điện áp và dòng điện stator, có thể tính toán Back-EMF. Sau đó, thông tin vị trí và tốc độ rotor được suy ra. Phương pháp này hoạt động tốt ở tốc độ trung bình và cao. Tuy nhiên, ở tốc độ thấp, biên độ Back-EMF rất nhỏ. Điều này gây khó khăn cho việc ước lượng chính xác. Tín hiệu trở nên yếu ớt và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Điện áp rơi trên điện trở stator cũng trở nên đáng kể. Nó làm giảm độ chính xác của ước lượng. Để cải thiện, các kỹ thuật lọc và bù được sử dụng. Bù điện áp rơi trên điện trở là một ví dụ. Các bộ lọc thông thấp giúp loại bỏ nhiễu. Mặc dù có hạn chế, Back-EMF vẫn là cơ sở cho nhiều thuật toán ước lượng tiên tiến.

Để khắc phục hạn chế của phương pháp Back-EMF, nhiều bộ quan sát nâng cao đã được phát triển. Bộ quan sát chế độ trượt (Sliding Mode Observer - SMO) là một lựa chọn mạnh mẽ. SMO có khả năng chống nhiễu tốt và tính ổn định cao. Nó sử dụng tín hiệu chuyển mạch để buộc lỗi quan sát về không. Bộ lọc Kalman là một thuật toán ước lượng tối ưu. Nó kết hợp mô hình động cơ với các phép đo thực tế. Bộ lọc Kalman xử lý hiệu quả các nhiễu đo lường và nhiễu mô hình. Nó cung cấp ước lượng trạng thái tốt nhất có thể. Hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình (MRAS) là một phương pháp khác. MRAS sử dụng hai mô hình: một mô hình tham chiếu và một mô hình thích nghi. Mô hình thích nghi điều chỉnh các tham số của nó. Điều chỉnh để đầu ra của nó khớp với đầu ra của mô hình tham chiếu. Sai lệch giữa hai mô hình được sử dụng để điều chỉnh. Từ đó, vị trí và tốc độ rotor được ước lượng. Các phương pháp này cải thiện đáng kể độ chính xác. Chúng giúp mở rộng dải tốc độ hoạt động của điều khiển không cảm biến. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và khả năng tính toán.

Việc tích hợp bộ quan sát vào cấu trúc FOC là bước thiết yếu. Bộ quan sát cung cấp các giá trị ước lượng của vị trí và tốc độ rotor. Các giá trị này thay thế cho thông tin từ cảm biến vật lý. Đầu ra của bộ quan sát được sử dụng để thực hiện các phép biến đổi tọa độ Park và Clarke. Những phép biến đổi này là cơ bản cho FOC. Độ chính xác của ước lượng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển dòng điện. Nó cũng ảnh hưởng đến mô-men xoắn. Nếu ước lượng không chính xác, điều khiển sẽ kém hiệu quả. Nó có thể dẫn đến dao động hoặc mất ổn định. Để đảm bảo tích hợp hiệu quả, cần đồng bộ hóa chặt chẽ. Giữa tốc độ lấy mẫu của bộ quan sát và bộ điều khiển FOC. Các vấn đề về độ trễ và nhiễu cần được xử lý cẩn thận. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống điều khiển mượt mà. Nó phải có khả năng đáp ứng nhanh chóng. Đồng thời duy trì độ chính xác cao trong mọi chế độ hoạt động.

Thuật toán Backstepping là một kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển phi tuyến tính. Nó được sử dụng để điều khiển các hệ thống phức tạp. Đặc biệt là các hệ thống có tính chất phi tuyến và bất định. Backstepping phân chia bài toán điều khiển thành các bước nhỏ hơn. Mỗi bước được thiết kế một bộ điều khiển con. Bộ điều khiển con này ổn định một phần của hệ thống. Sau đó, các bộ điều khiển con được kết hợp lại. Chúng tạo thành một bộ điều khiển toàn diện. Phương pháp này mang lại tính mạnh mẽ cao. Nó giúp hệ thống chống lại nhiễu và các thay đổi tham số. Trong điều khiển AFPMSM không cảm biến, Backstepping được áp dụng. Nó dùng để điều khiển tốc độ và vị trí dọc trục. Thuật toán đảm bảo theo dõi quỹ đạo chính xác. Nó cũng duy trì sự ổn định của hệ thống. Ngay cả khi có sự không chắc chắn về mô hình. Việc thiết kế bộ điều khiển Backstepping đòi hỏi phân tích động lực học kỹ lưỡng. Sau đó, nó cần kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy hiệu quả vượt trội trong điều kiện khắc nghiệt.

Hệ điều khiển động cơ không cảm biến có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Trong ngành công nghiệp ô tô, nó có thể được dùng trong động cơ xe điện. Hoặc dùng trong các hệ thống phụ trợ như bơm nước, quạt làm mát. Với thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả, AFPMSM không cảm biến lý tưởng cho robot. Nó dùng trong robot công nghiệp và robot dịch vụ. Các thiết bị gia dụng như máy giặt, máy hút bụi cũng có thể hưởng lợi. Các ứng dụng yêu cầu không gian hạn chế. Nó cũng cần giảm chi phí sản xuất. Công nghệ này phù hợp cho hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí). Nó giúp tăng hiệu quả năng lượng và giảm tiếng ồn. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, độ tin cậy là yếu tố tối quan trọng. Việc không có cảm biến vật lý giúp tăng cường độ bền. Giảm nguy cơ hỏng hóc trong các điều kiện khắc nghiệt. Các ứng dụng khác bao gồm máy công cụ, máy bơm và máy nén.

Lợi ích cốt lõi của điều khiển không cảm biến là tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí. Loại bỏ cảm biến tốc độ/vị trí trực tiếp dẫn đến giảm chi phí vật liệu. Đồng thời, nó giảm chi phí lắp đặt và dây nối. Điều này giúp giảm tổng chi phí sở hữu (TCO) của hệ thống. Hệ thống không cảm biến ít linh kiện hơn, ít điểm hỏng hóc hơn. Điều này tăng cường độ tin cậy và giảm thời gian chết. Chi phí bảo trì cũng được giảm thiểu đáng kể. Khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt là một lợi thế cạnh tranh. Nhiệt độ cao, rung động, bụi bẩn không còn là rào cản. Hiệu quả năng lượng của động cơ được cải thiện. Các bộ điều khiển tiên tiến giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Giảm tổn thất trong quá trình chuyển đổi. Cuối cùng, điều này dẫn đến tiết kiệm chi phí vận hành. Toàn bộ hệ thống trở nên kinh tế và bền vững hơn. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở vững chắc cho những lợi ích này.