Luận án: Nghiên cứu phát triển phương pháp điều khiển trượt chattering free cho động cơ điện

Hiện tượng rung chattering bắt nguồn từ việc sử dụng hàm dấu gián đoạn trong luật điều khiển trượt kinh điển. Thành phần đóng cắt tần số vô hạn kích thích các động học bậc cao chưa được mô hình hóa. Bộ truyền động thực tế luôn có quán tính và trễ thời gian đóng cắt của van bán dẫn. Tín hiệu điều khiển dao động liên tục quanh mặt trượt với tần số cao và biên độ lớn. Hiện tượng này làm giảm tuổi thọ thiết bị cơ khí và gây quá nhiệt mạch nghịch lưu công suất. Trong các hệ thống truyền động chính xác, rung chattering làm suy giảm chất lượng bám quỹ đạo vị trí. Tần số dao động cao còn tạo ra tiếng ồn cơ học khó chịu trong môi trường làm việc thực tế. Việc nhận diện chính xác cơ chế sinh ra rung động giúp xây dựng cấu trúc điều khiển khắc phục triệt để.

Kỹ thuật lớp biên (boundary layer technique) là giải pháp cổ điển để làm mượt tín hiệu điều khiển trượt. Phương pháp này thay thế hàm dấu bằng hàm bão hòa (saturation function) hoặc các hàm trơn liên tục. Tín hiệu điều khiển chuyển đổi tuyến tính khi quỹ đạo trạng thái đi vào vùng lân cận mặt trượt. Tuy nhiên, việc làm trơn tín hiệu khiến hệ thống mất đi tính bất biến lý tưởng trước các nhiễu ngoại sinh. Sai số xác lập tăng lên rõ rệt và độ cứng vững trước tải biến thiên bị suy giảm đáng kể. Khi mở rộng lớp biên quá lớn, hệ thống dễ rơi vào trạng thái mất ổn định cục bộ. Ngược lại, lớp biên quá hẹp không thể triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rung lắc. Kỹ thuật này chỉ là sự đánh đổi giữa độ chính xác bám và mức độ suy giảm dao động.

Công nghiệp tự động hóa đòi hỏi các hệ thống truyền động đạt độ chính xác cao và độ tin cậy tuyệt đối. Phương pháp chattering-free sliding mode control ra đời nhằm đáp ứng đồng thời cả hai tiêu chí khắt khe này. Hệ thống phải đảm bảo bám sát tín hiệu đặt trong điều kiện tải thay đổi liên tục. Tín hiệu điện áp và dòng điện cấp cho động cơ cần mượt mà, không xuất hiện gai nhọn biên độ lớn. Điều này giúp giảm thiểu sóng hài, bảo vệ biến tần công suất và kéo dài tuổi thọ động cơ điện. Việc loại bỏ rung lắc còn nâng cao chất lượng sản phẩm trong gia công cơ khí chính xác và cánh tay robot công nghiệp. Giải pháp điều khiển không rung chattering mở ra bước đột phá quan trọng cho các dây chuyền sản xuất tự động.

Cấu trúc điều khiển trượt bậc cao PID-NTSM kết hợp mặt trượt vi tích phân và trượt phi tuyến không kỳ dị. Bề mặt trượt tích hợp thành phần PID giúp triệt tiêu sai số xác lập một cách nhanh chóng. Thành phần trượt phi tuyến không kỳ dị (NTSM) đảm bảo trạng thái hội tụ về điểm cân bằng trong thời gian hữu hạn. Cấu trúc này loại bỏ hoàn toàn hiện tượng kỳ dị toán học thường gặp ở các bộ điều khiển trượt đầu cuối. Luật điều khiển liên tục được thiết kế dựa trên hàm Lyapunov đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục cho hệ thống. Đáp ứng của hệ thống đạt tốc độ cao, không xuất hiện hiện tượng vọt lố hay dao động kéo dài. Cấu trúc PID-NTSM chứng minh ưu thế toàn diện về cả lý thuyết lẫn ứng dụng thực tiễn.

Thuật toán super-twisting là một trong những giải thuật tiêu biểu nhất của điều khiển trượt bậc cao bậc hai. Thuật toán này không đòi hỏi thông tin về đạo hàm của mặt trượt trong quá trình tính toán thời gian thực. Cấu trúc gồm hai thành phần: thành phần liên tục dạng hàm mũ phân số và thành phần tích phân hàm gián đoạn. Nhờ tác động tích phân, tín hiệu điều khiển thực tế đưa vào hệ thống là một đại lượng liên tục theo thời gian. Rung chattering được triệt tiêu hiệu quả mà không làm suy giảm tính bền vững của hệ thống truyền động. Thuật toán super-twisting giúp quỹ đạo trượt hội tụ về gốc tọa độ trong thời gian hữu hạn. Giải thuật thích ứng linh hoạt với các dạng nhiễu ngoại sinh có đạo hàm bị chặn trong thực tế vận hành.

Phương pháp triệt tiêu rung chattering truyền thống thường đánh đổi độ chính xác thông qua hàm bão hòa (saturation function). Ngược lại, cấu trúc PID-NTSM và giải thuật bậc cao chuyển phần gián đoạn vào miền tích phân liên tục. Tín hiệu điều khiển đưa đến cuộn dây động cơ có dạng hàm trơn, êm dịu và không có xung nhọn. Năng lượng đóng cắt tần số cao bị loại bỏ, ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng kích thích các mode dao động cơ học. Tính bất biến của hệ thống đối với nhiễu tải và bất định tham số vẫn được duy trì nghiêm ngặt. Trạng thái hệ thống luôn bám sát mặt trượt định trước với độ chính xác xác lập cao. Cơ chế này giải quyết triệt để xung đột giữa yêu cầu làm mịn tín hiệu và tính bền vững hệ thống.

Mô hình toán học của động cơ điện một chiều bao gồm phương trình cân bằng điện áp phần ứng và động lực học rotor. Các thông số điện trở, độ tự cảm, hằng số mô-men và mô-men quán tính được xác định chính xác. Luận án cũng mở rộng nghiên cứu sang động cơ DC không chổi than (BLDC) với cấu trúc từ trường phức tạp. Động cơ DC không chổi than (BLDC) sở hữu ưu điểm không cần chổi than tiếp điện, hiệu suất cao và độ bền vượt trội. Mô hình toán học phi tuyến của BLDC tích hợp các yếu tố sức điện động ngược hình thang và dao động mô-men. Việc mô hình hóa chính xác tạo cơ sở vững chắc cho việc thiết kế bộ điều khiển trượt bền vững, hỗ trợ đánh giá tác động của tải thực tế.

Thực nghiệm được triển khai trên hệ thống thử nghiệm động cơ DC kết nối card thu thập dữ liệu thời gian thực. Giải thuật điều khiển trượt bậc cao PID-NTSM được nạp vào vi điều khiển để kiểm tra đáp ứng vận tốc và góc quay. Khi đột ngột thay đổi mô-men tải, tốc độ động cơ hồi phục về giá trị đặt trong thời gian rất ngắn. Điện áp cấp cho động cơ duy trì trạng thái êm dịu, không xuất hiện các xung nhọn chattering tần số cao. Dòng điện phần ứng biến thiên mượt mà, giúp hạn chế phát nhiệt cuộn dây và giảm tổn hao công suất vô công. Kết quả đo đạc thực tế khẳng định tính khả thi cao của giải thuật khi triển khai trên phần cứng nhúng công nghiệp.

Phân tích so sánh định lượng được tiến hành giữa bộ điều khiển PID-NTSM, bộ điều khiển trượt tuyến tính và bộ điều khiển PID kinh điển. Bộ điều khiển trượt tuyến tính thông thường tạo ra dao động chattering lớn trên đồ thị dòng điện và điện áp. Bộ điều khiển PID truyền thống có thời gian quá độ dài và xuất hiện độ vọt lố đáng kể khi tải thay đổi đột ngột. Ngược lại, bộ điều khiển trượt chattering-free duy trì sai số bám gần như bằng không trong suốt quá trình vận hành. Thời gian hội tụ nhanh hơn rõ rệt so với các phương pháp điều khiển cũ. Biên độ dao động cơ học giảm mạnh, chứng minh tính ưu việt vượt trội của giải thuật đề xuất trong nghiên cứu.

Động cơ không đồng bộ (Induction Motor) được mô tả trên hệ tọa độ quay đồng bộ d-q thông qua kỹ thuật định hướng từ thông rotor (FOC). Mô hình toán học phân tách hoàn toàn dòng điện tạo từ thông và dòng điện tạo mô-men xoắn. Tuy nhiên, điện trở rotor và hỗ cảm biến thiên mạnh theo nhiệt độ làm suy giảm chất lượng điều khiển. Nghiên cứu thiết lập hệ phương trình trạng thái phi tuyến đầy đủ tính đến các yếu tố bất định tham số và nhiễu tải cơ học. Mô hình này làm nền tảng để thiết kế mặt trượt PID-NTSM nhằm đảm bảo tính ổn định toàn cục. Kỹ thuật điều khiển phi tuyến giúp hệ thống duy trì từ thông định mức và kiểm soát chính xác tốc độ quay.

Cấu trúc điều khiển trượt PID-NTSM được tích hợp trực tiếp vào các vòng điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ xoay chiều. Bộ điều khiển tạo ra điện áp đặt liên tục cho bộ điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM). Tần số đóng cắt của biến tần được giữ cố định, loại bỏ sóng hài bậc cao gây nóng lõi thép stator. Hiện tượng rung chattering trên trục động cơ được triệt tiêu hoàn toàn, loại bỏ nguy cơ cộng hưởng cơ học trong hệ truyền động. Động cơ tăng tốc êm dịu, không giật cục và đạt tốc độ mong muốn trong thời gian tối ưu. Hệ thống thể hiện khả năng bù tải vượt trội khi mô-men cản thay đổi đột ngột từ không tải đến định mức.

Nghiên cứu mở rộng khả năng áp dụng thuật toán điều khiển trượt cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) sở hữu mật độ công suất cao và hiệu suất vượt trội trong xe điện và máy công cụ CNC. Tuy nhiên, hiện tượng dao động răng cưa (cogging torque) và từ thông nam châm biến thiên gây khó khăn cho việc điều khiển. Việc kết hợp thuật toán super-twisting và mặt trượt PID-NTSM giúp san phẳng gợn mô-men xoắn hiệu quả. Hệ thống đạt độ mượt mà cao ngay cả ở vùng tốc độ rất thấp. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm khẳng định giải pháp chattering-free sliding mode control có tính phổ quát cao cho nhiều dòng máy điện xoay chiều.

Hiện tượng rung chattering trong điều khiển trượt kinh điển là nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng cơ khí và tiêu hao điện năng. Khi rung lắc tần số cao bị loại trừ, ứng suất động tác động lên khớp nối, hộp giảm tốc và ổ trục giảm rõ rệt. Động cơ vận hành êm ái, giảm độ rung tổng thể và giảm phát xạ tiếng ồn công nghiệp. Về mặt điện năng, tín hiệu điều khiển liên tục ngăn ngừa hiện tượng quá dòng tức thời và sụt áp trên thanh cái DC. Tổn hao do nhiệt trên cuộn dây stator và mạch van công suất IGBT giảm đáng kể. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể của hệ thống truyền động được nâng cao rõ rệt trong các chu trình vận hành dài hạn.

Một ưu điểm lớn của giải thuật điều khiển trượt PID-NTSM là độ phức tạp tính toán vừa phải. Cấu trúc thuật toán không đòi hỏi các phép toán ma trận phức tạp như điều khiển tối ưu hay dự báo mô hình (MPC). Thuật toán dễ dàng lập trình và thực thi thời gian thực trên các dòng vi điều khiển nhúng DSP, STM32 hoặc FPGA thông dụng. Tần số lấy mẫu đạt mức hàng kilohertz mà không gây quá tải bộ xử lý trung tâm. Điều này giúp các doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể chi phí phần cứng khi nâng cấp dây chuyền công nghệ tự động hóa. Tính khả thi cao trong triển khai thực tiễn giúp thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu học thuật và ứng dụng sản xuất.

Từ nền tảng của nghiên cứu, hướng phát triển tiếp theo là tích hợp trí tuệ nhân tạo vào điều khiển trượt bậc cao (HOSMC). Mạng nơ-ron nhân tạo hoặc giải thuật mờ thích nghi có thể tự động ước lượng và bù trừ trực tuyến các thành phần nhiễu bất định. Hệ thống không cần biết trước giới hạn biên trên của tải hay tham số động cơ điện. Sự kết hợp này tạo nên hệ thống điều khiển tự chỉnh định thông minh, nâng cao tính thích ứng trong môi trường làm việc khắc nghiệt. Các nghiên cứu tương lai hứa hẹn mở ra thế hệ điều khiển trượt thông minh mới cho xe tự hành, robot công nghiệp và hàng không vũ trụ hiện đại.