Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại do hiệu suất cao, mật độ năng lượng, kích thước nhỏ gọn và độ tin cậy. Tuy nhiên, việc chọn chiến lược điều khiển tối ưu—dựa trên cảm biến (có phản hồi vị trí) hoặc không có cảm biến (ước tính vị trí)—sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất, chi phí, độ tin cậy và phạm vi ứng dụng của động cơ.
Mục tiêu cốt lõi là điều khiển tốc độ/mô-men xoắn chính xác, yêu cầu phát hiện vị trí rôto chính xác:
Điều khiển dựa trên cảm biến:
Sử dụng các cảm biến vị trí vật lý (ví dụ: bộ mã hóa, bộ phân giải, cảm biến Hall) để đo vị trí rôto trực tiếp, cho phép điều khiển vòng kín.
Kiểm soát không cảm biến:
Ước tính vị trí/tốc độ rôto theo thuật toán thông qua các phương pháp như quan sát EMF ngược, MRAS, Bộ quan sát chế độ trượt (SMO) hoặc đưa tín hiệu tần số cao.
Ưu điểm:
✅ Độ chính xác cao: Đo trực tiếp đảm bảo độ chính xác vượt trội, đặc biệt ở tốc độ thấp.
✅ Phản hồi động nhanh: Phản hồi thời gian thực cho phép thích ứng tải nhanh.
✅ Dễ thực hiện: Thuật toán đơn giản hơn, vận hành ngắn hơn.
✅ Độ bền: Ít bị tác động từ bên ngoài.
Nhược điểm:
❌ Chi phí cao hơn: Cảm biến tốn thêm chi phí phần cứng và lắp đặt.
❌ Giảm độ tin cậy: Cảm biến cơ học dễ bị hỏng khi bị rung, nhiệt độ hoặc nhiễm bẩn.
❌ Dấu chân lớn hơn: Tích hợp cảm biến làm tăng kích thước động cơ.
❌ Độ phức tạp của việc bảo trì: Việc thay thế cảm biến có thể tốn nhiều công sức.
❌ Nhạy cảm với môi trường: Hoạt động kém trong điều kiện khắc nghiệt (bụi, ẩm, dầu).
Ưu điểm:
✅ Tiết kiệm chi phí: Loại bỏ phần cứng cảm biến.
✅ Độ tin cậy cao hơn: Ít lỗi cơ học hơn.
✅ Thiết kế nhỏ gọn: Không yêu cầu không gian cảm biến.
✅ Ít phải bảo trì: Giảm mài mòn cơ học.
✅ Khả năng chống chịu môi trường: Thích hợp với điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, bụi bẩn).
Nhược điểm:
❌ Độ chính xác thấp hơn: Vị trí ước tính bị trễ ở tốc độ thấp/tải cao.
❌ Động lực chậm hơn: Độ trễ ước tính ảnh hưởng đến khả năng phản hồi.
❌ Độ phức tạp của thuật toán: Yêu cầu các điều khiển thích ứng nâng cao (ví dụ: EKF, SMO).
❌ Độ nhạy tham số: Hiệu suất phụ thuộc vào các thông số chính xác của động cơ (độ tự cảm, từ thông).
❌ Thử thách tốc độ thấp: EMF trở lại yếu đòi hỏi các kỹ thuật như tiêm HF để khởi động.
Việc lựa chọn giữa hai tùy thuộc vào:
Nhu cầu ứng dụng:
• Dựa trên cảm biến: Các tác vụ có độ chính xác cao (ví dụ: ổ đĩa servo, robot).
• Không có cảm biến: Môi trường khắc nghiệt hoặc nhạy cảm với chi phí (ví dụ: máy bơm, HVAC).
Đánh giá sức mạnh:
• Động cơ nhỏ ủng hộ chi phí không có cảm biến; động cơ lớn có thể đảm bảo độ chính xác của cảm biến.
Môi trường hoạt động:
• Các điều kiện khắc nghiệt (bụi, ẩm) ưu tiên loại không có cảm biến.
Yêu cầu về hiệu suất:
• Kiểm soát tốc độ/mô-men xoắn chặt chẽ cần có cảm biến.
Ngân sách & Chi phí Vòng đời:
• Cảm biến giúp giảm chi phí trả trước và chi phí bảo trì.
Dòng thời gian phát triển:
• Dựa trên cảm biến giúp triển khai nhanh hơn.
Ví dụ về ngành:
Máy móc chính xác/Robot: Dựa trên cảm biến (độ chính xác cao).
Tua bin/máy nén gió: Không có cảm biến (độ tin cậy/chi phí).
xe điện: Phương pháp lai (cảm biến dành cho mẫu cao cấp).
Thiết bị gia dụng: Không cảm biến (tối ưu hóa chi phí).
Những tiến bộ gần đây trong điều khiển không cảm biến:
♦ Công cụ quan sát nâng cao: EKF, công cụ quan sát thích ứng cải thiện độ tin cậy của ước tính.
♦ Nhận dạng thông số trực tuyến: Tự động điều chỉnh cho các điều kiện vận hành khác nhau.
♦ Sensor Fusion: Kết hợp các thuật toán không cảm biến với phản hồi phụ trợ.
♦ Nền tảng kỹ thuật số: DSP/FPGA hiệu suất cao hỗ trợ các thuật toán phức tạp.
Những cải tiến này mở rộng khả năng ứng dụng không cần cảm biến đồng thời thu hẹp khoảng cách về hiệu suất.
Sự lựa chọn xoay quanh việc phân tích đánh đổi giữa độ chính xác, chi phí và nhu cầu môi trường. Trong khi điều khiển dựa trên cảm biến vẫn không thể thay thế đối với các ứng dụng hiệu suất cao, công nghệ không cảm biến đang có chỗ đứng nhờ các thuật toán cải tiến và lợi ích về chi phí. Các kỹ sư phải đánh giá các trường hợp sử dụng cụ thể để đạt được sự cân bằng tối ưu.
Khi các kỹ thuật không cảm biến hoàn thiện, việc áp dụng chúng sẽ tăng lên—do nhu cầu của Công nghiệp 4.0 về hệ thống động cơ thông minh hơn, linh hoạt hơn.
