Điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mô hình tiểu não cho ổ từ có cấu trúc nguyên khối

Bộ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HÔ CHÍ MINHBÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÃI KHOA HỌC KẾT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI Tên đế tài: “ Điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mô hình tiểu nã

Bộ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HÔ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÃI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI

Tên đế tài: “ Điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mô hình tiểu não cho ẻ

từ có cấu trúc nguyên khối ”

Mã số đề tài: 22/1D01

Chủ nhiệm đề tài: LÊ NGỌC HỘI

Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thiện đề tài,tôi gặpphải một số khó khăn do

đề tài này được thực hiện trong giai đoạn dịch bệnh Covid 19, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học còn hạn hẹp

Các nghiên cứu về môhình toán học và điều khiển cho ổ từ có cấu trúc nguyên khối

là kháít Hon nữa tài liệu về thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mô hình

tiểu não (RACMAC - Robust adaptivecerebellar model articulation controller) ổ từ chủ

động nói chung, ổ từ nguyên khối nói riêng ở trong vàngoài nước hầu như chưa có công

trình nào công bố, chưa có nhiều co hội được tiếpxúc với hệthống ổ đỡtừ trên thựctế Vì

vậy, để hoàn thành được đề tài này, tôi xin chân thành cảm on Trường Đại học Công

Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cấpkinh phí cho tôi thực hiện nghiên cứu

này, sự giúp đỡ của các cán bộ PhòngQuản lý Khoa học và Hợp tác quốctế, các thầy côKhoa Công Nghệ Điện Trường Đại họcCông Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh nơi tôi đang công tác đãhướng dẫn tạo mọi điều kiện trong suốtquá trình nghiên cứu

Ngoài ra tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong viện Kỹ thuật Điều

khiển và Tự động hóa, Trường Đại học BáchKhoaHà Nội nơi tôi đang làm nghiên cứu sinh

đãgiúp đỡ tôi hoànthành đề tài này

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

I Thông tín tống quát

1.1 Tên đề tài: “ Điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mô hình tiểu não cho ổ từ có

1.2 Mã số: 22/1D01

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

(họchàm, học vị) Đon vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 ThS Lê Ngọc Hội KhoaCôngNghệ Điện Chủ nhiệm đề tài

2 TS Ngô Thanh Quyền KhoaCôngNghệ Điện Tham gia

1.4 Đon vị chủ trì: Khoa Công Nghệ Điện

1.5 Thòi gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng08 năm 2022 đến tháng 08 năm 2023

1.5.2 Gia hạn đến: tháng 02 năm 2024

1.5.3 Thựchiện thực tế: từtháng 08 năm 2022 đến tháng 11 năm 2023

1.6 Những thay đỗi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Không

nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 50 triệu đồng

II Kết quả nghiên cứu

1 Đặt vấn đề

ỏ đỡ từ gắn liền với lịch sử ra đời của máy móc có các cơ cấu chuyển động Trongsuốt

chiều dài lịch sửnày, có rấtnhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng, giảmthiếu ma sát của O đỡ từ Gần đây, với sự pháttriển của kỹ thuật điều khiến và công nghệ

bán dẫn, ổ từ đã dần thay thế ổ bi truyền thống trong các hệthống đòi hỏi chất lượngtruyền

độngcao, độ ồnnhỏ, hoặc những ứng dụng đặc biệt không được có sự xuất hiện củadầu bôi

trơn, bằng cách sử dụng lực từtrường, ổ từ có khảnăng nâng vật chuyển động màkhông

cần tiếpxúc [1] Trong số ổ đỡtừ được giớithiệu hiện nay thìO từ chủ động giành được sự

quan tâm rấtnhiều do lực nâng lớn và lực nâng này cóthế được điều khiển thông qua việc

điều khiến dòng điện cấp cho ổ từ Tuy nhiên đối với ổ từ chủ động có cấu trúcnguyên khốicho đến nay có rất ít công trình nghiên cứu vềđiều khiển Nguyên lý cơ bản của ốtừ chủ

động có cấu trúc nguyên khối một cực được thế hiện nhưhình0.1:

2

Hình 0.1: Ô từ hình c cấu tạo nguyên khốiCấu true của ô từ chủ động có cấu trúc nguyênkhối gồm2 bộ phậnchính là stator và rotor,

rotorcủa ổ từ đuợc cấu tạonguyênkhối gắntrực tiếp vào trục cần nâng, còn stator được cấu

tạo nguyên khối

Theo nghiên cứuvề mô hình toán học ổ tù dọc trục cấu trúc nguyên khối, nghiên cứu được

báo cáo đầu tiên về mô hỉnh phân tích một ổ từ dọc trục cấu trúc nguyênkhối được thực hiện bởi Zmood [19], người đã đưa ra được mô hỉnhtoán học cho ổ từ hình chữ c cấu trúc

nguyên khối có tỷ lệ giữa chiều rộng cực và chiều cao cực lớn Trong mô hình này Zmood

đã sử dụng mô tảtù'trường một chiều cho cấu trúc các lá thép kỹ thuật điện ghép lại được

đưa ra trong [20]

cosh (ứíy)

r - , I n 1 A o -I A 1 T Ấ A 1 z\

Trong đó: H s = - ■ là độ lớn (biên độ) củacường độ từ trường bê mặt, N là sô vòng dây

củacuộn dây, ỉ là dòng điều khiển, ỉeff(x) là chiều dài hiệu dụng củamạch từ, X là chiều dài khe hở không khí,<z = yfsỡjũ, 5 là toán tử laplace, crlà độ dẫn điện, /7 là độ từ thẩm của vậtliệu và b là một nửa của chiều cao cực từ Từ thông khe hở không khí có liên quan đến

dòng điều khiển đã được đưa ra:

Trong đó: thông lượng khe hở không khí, /?(.%:) = • , A = 4ab, là một nửa

chiều rộng cực, vói a » b Zmood đã tạo ra một mô hình bậc đầu tiên bằng cách sử dụngxấpxỉ:

1 /1 8 ì

Trong đó: = 4cr//ỏ2

tA

Một công bố thứ hai về mô hình phân tích của ổ từ hình chữ c cấu trúc nguyên khối đã

được trình bày bởi Feeley [21] Trong công bố này Feeley đã áp dụng mô tả từ trường hai chiều cho một thanh dài hình chữ nhật được trình bày trong [20] như sau:

ụNI

(*)

cosh(az)cosh(ab^

4b2 Trong trường hợp này chiều rộng và chiều

cao của cực từ được phép có độ lón chênh lệch nhau không quá nhiều Mô hình từ thông

khe hở khôngkhí được đưa ra:

ỊLiAN lẹff (^)

Mặc dù các mô hình giải tích (0.3) và (0.6) đưa ra trong [9] và [11] khá đơn giản, nhưngtheo như các công trình Lei Zhu và Carl R Knsope đãchỉ ra rằng, độ chính xác của chúng

khá kém Lý do chính làtrong cả hai bài báo, các tác giả đều giả định rằng cấu hình của mật

độ từ thông trong một mặt cắt ngang của khe hở không khí giống như trong mặt cắt ngang

của phần tử sắt Đây là một giả định chỉ đúng cho phân tích tĩnh nhưng không đúng chotrường hợp từ trường biến thiên theo thời gian, tức là dòng xoáy sinh ra trên cơ cấu chấp hành khi códòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator

Kucera và Ahrens [22] đãtrình bày một mô hìnhgiải tích cho ổ từ dọc trục hình trụ cấu trúc nguyên khối vàonăm 1995 Các tác giả này đã chia bộ truyền động thành các dạng hình học

cơbản và sử dụng nghiệm của phương trình Maxwell cho một tấm bán vô hạn để tính gần

đúng sự phân bố từ thông trong từng phần Từ đó, các tác giả đã phát triển một dạng tổng quát của phươngtrình từ thông:

Trong đó: a Jè = ụr~—, ỉf e là chiều dài củaphần tử sắt Theo Kucera và Ahrens [12], các tác

giả đã trình bày các kết quả phân tích mô tả mối quan hệ dòng điện-lực từ tương ứng đối với

stator hình trụ và hình chữ c Tuy nhiên tác giả cho rằng mật độ từ thông khe hở không khí không phụ thuộc vào tần số của trường điều hòa Hơn nữa, tham số d trong mô hình toán

học phân tích này phải được xác định từ kết quả thực nghiệm, nó là tham số cố định, khôngphụ thuộc vào hình dạng và vật liệu của cơ cấu chấp hành Do đó, kết quả này không phù

hợp với việc tối ưu hóa thiết kế cơ cấu chấp hành ổtừ dọc trục

Mặc dù các công trình củaLei Zhu và Carl R Knsope đãtrình bày khá chi tiết mô hình toán

học hình trụ và đưa ra mô hình toán học khá chính xác so với mô hình lý tưởng và lực từphụ thuộc vào tần số của trường biến thiên Đối với mô hình toán học ổ từ hình c các tác

giả chỉ đưa ra được kết quả, các bước xác định cụ thể các tác giả không trình bày cụ thể.Tuy nhiên đối với mô hình toán học hình E có tổn hao từ thông tản nhỏ hơn và mở rộng

đường từ thông so với ổ từ hình c thì các tácgiả chưa đưa ra và đặc biệt mô hình toán học

các tác giả chỉ đưa ra chỉ ở dạng trên miền tần số đối với trường hợp một cực từ, mô hình

toán học trên miền thời gian nói chung, mô hình đối với trường hợp một cặp cực trở lên chưa có công trình nào công bố.

Mục tiêu tổng quát: Xây dựng mô hình toánhọc ổtừcấutrúc nguyên khối 1 bậc từdo Phân tích các đặc điểm môhìnhtoánhọc,từđó đề xuất bộ điềukhiển thích nghi bền vững có cấutrúc mô hình tiểu não được thể hiện như Hình 0.2

Mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng thành công mô hình toán học trên miền thời giancủaổ từ cấutrúc nguyên khối

vàđưa ra được tong nhiễu phi tuyến

- Xâydựng cấu trúc điều khiển RACMAC, trong đóbộ điều khiển CM AC đóng vai trò

đóng vaitrò ước lượng nhiễu phituyếnvà bộ điều khiển bền vững đóng vaitrò bù sai số

Hình 0.2: cấu trúc hệ thống điều khiển RACMAC cho ổ từ binh c cấu trúc nguyên khối

3 Phirong pháp nghiên cứu

3.1 Nội dung: Tống quan các nghiên cứu liên quan đến mô hình toán học và điều khiến

ố từ cấu trúc nguyên khối.

- Cách tiếp cận:

Thu thậptài liệu liên quan

- Phương pháp nghiên cứu, kỹthuậtsửdụng:

Nghiêncứu tổng quan

- Ketquảdựkiến:

Tổng quanvề mô hình toán họcvà điều khiển 0 từ có cấu trúc nguyên khối

3.2 Nội dung: Xây dựng mô hình toán học của 0 từ cấu trúc nguyên khối.

- Cách tiếp cận:

Dựatrên các định luật, địnhlývật lýcơ bảnvà các nghiên cứu đã đượccông bố vềO từ cócấu trúc nguyên khối

- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuậtsử dụng:

Dựatrên các định luật, định lývậtlý cơ bản như định luật II Newton, các nghiên cứu đã

côngbốvề 0 từcấu trúc nguyên khối, từđó áp dụng cácphép biến đổi tương đương

6

- Kết quả dự kiến:

Mô hìnhtoán học của ổ từ cấu trúc nguyên khối 1 bậctự do

3.3 Nội dung: Thiết kế bộ điều khiến thích nghi bền vũng có cấu trúc mô hình tiểu não cho 0 từ nguyên khối 1 bậc tự do.

- Cách tiếp cận:

Dựa trên đặc điểm mô hìnhtoán học như mô hình có chứathành phần bất định như là tổng

nhiễu phi tuyến,từ đó đềxuấtgiải thuật điều khiển

- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

Dựatrên đặc điểm mô hìnhtoán học đưa ra thành phần chính là bộ CMAC đóng vai trò ước

lượngnhiễu phi tuyến: Nhiễu tải bên ngoài, nhiễu do thành phần bất định của mô hình,

thành phần do tổn hao dòng xoáy, từ đó đưaraluật điều khiển chính xấpxỉ luật điều khiến

lý tưởng và bộ điều khiển bù bền vững, ngoài ra còn sử dụng mặt trượt và luật điều khiểnthích nghi

Dựatrên lý thuyếtổn định Lyapunov

- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

Dựatrên lý thuyếtổn định Lyapunov đểtìm raluật điều khiển thích nghi và chứng minh tính ổ định của hệthống kín

- Kết quảdự kiến:

Chứng minh được hệthống kín ổn định

3.5 Nội dung: Mô phỏng kiếm chứng

- Cách tiếp cận:

Từ thuật toán đã đưaraởnội dung 3, code chương trình và mô phỏng bằng phần mềm

Matlab được thực hiện

- Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

Thựchiện viết code chươngtrình và mô phỏng trên phần mềm Matlab dựa trên thuậttoán

đã đề ra

- Kết quả dự kiến:

4 Tống kết về két quả nghiên cứu

Những đóng góp mới của đề tài cóthể được tóm tắtnhư sau:

(i) Trong nghiên cứu này, chúngtôi đã xây dựngthành công mô hình toán học trên miền thời gian của O từ cấu trúc nguyên khối và đưara được tổng nhiễu phi tuyến bao gồm:

Nhiễu tải bên ngoài tác độngvào rotor, nhiễu do tham số bất định của mô hình, nhiễu do tổn hao dòng xoáy trong cơ cấu chấp hành ổ đỡtừ

(ii) Mộtcấu trúc điều khiển RACMAC được đề xuất, trong đó bộ điều khiển CMAC đóng vai trò đóng vai trò ước lượngnhiễu phi tuyến: Nhiễu tác động bên ngoài, tham sốbấtđịnh trong mô hình và tổn hao dòng xoáy gây ratrong cơ cấuchấp hành của Otừ cấu trúc nguyên

khối, từ đó (tính ra dòng điện điều khiển chính xấpxỉ dòng điều khiến lý tưởng) đưara luật

điều khiển chínhxấp xỉ luật điều khiến lý tưởng và bộ điều khiển bền vững đóng vai tròbù

sai số Nhờ các ưu điểm như điều chỉnh linh hoạtthông số mạng, phản hồi nhanh và thích nghi tốt với các tham sốthay đối của nhiễu phi tuyến bên ngoài mà RACMAC khắc phục

được những nhược điểmcủa bộ điều khiển truyền thống nhưPID, FOPID và điều khiển phi

tuyến SMC

5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Kếtquả mô phỏng chứng minh những ưu điểm của bộ điều khiển RACMAC đề xuấtvà chothấy phản ứng vượt trội vềthích ứng với sự thay đổi nhiễu phi tuyến tốt hơn của bộ điều

khiển được đềxuất so với điều khiển truyền thống PID, FOPID [22] và điều khiển phi tuyến SMC đã được nghiên cứu đối với O từ cấu trúc nguyên khối

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

ỏ đỡtừ có khảnăng nâng các vậtchuyển động mà không cótiếp xúc và do bản chất không

ổn định, hệthống ổtừ thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài

nước trong lĩnh vựcmô hình hóa và điều khiển

Các nghiên cứu trước đây đã giải quyết bài toán điều khiển khánhiều và triệt để Tuy nhiên các nghiên cứu nàychủ yếu là nghiên cứu về môhìnhtoán học và điều khiển cho ổ từ có

cấu trúc xếp lớp Các nghiên cứu về môhình toán học vàđiều khiển choổ từ có cấu trúc nguyên khối làkhá ít Các nghiên cứu về các phương pháp điều khiển thông minh nói chung

và phương pháp điều khiển mạng Noron nói riêngchoổ từ cócấu trúc nguyên khối chưacó

công trình nào đượccông bố Do đó đặt ra cho tác giả thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cócấu trúc mô hìnhtiểu não (RACMAC - Robust adaptive cerebellar model

articulation controller) cho ổtừ có cấu trúc nguyên khối làvấn đề mới vàrất cần thiết

Một cấu trúc điều khiển RACMAC được đề xuất,trong đó bộ điều khiển CMAC đóngvai trò đóng vai trò ước lượngnhiễu phi tuyến: Nhiễu tác động bên ngoài, tham số bất định trong mô hình và tổn hao dòng xoáy gây ratrong cơ cấu chấp hành củaổtừ cấu trúc nguyên

khối, từ đó (tính ra dòng điện điều khiển chính xấpxỉ dòng điều khiển lý tưởng) đưara luật

điều khiển chínhxấp xỉ luật điều khiển lý tưởng và bộ điều khiển bền vững đóng vai trò bù

sai số Nhờ các ưu điểm như điều chỉnh linh hoạtthông số mạng, phản hồi nhanh và thích nghi tốtvới các tham số thay đối của nhiễu phi tuyến bên ngoài mà RACMAC khắc phục

được những nhược điểmcủa bộ điều khiến truyền thống nhưPID, FOPID và điều khiến phi

tuyến SMC

Active Magneticbearings are capable of lifting movingobjects without contact, and due to their unstable nature, magneticbearing systems have attracted much attention from

domesticand foreign scientists in the field of modeling and control

Previous studies have solved the control problem quitea lot and thoroughly However, thesestudies aremainly research on mathematical models and control for magnetic drives with

laminated structure Research on mathematical and control models for magnetic drives with

Nonlaminated structures is quite limited Research on intelligentcontrol methods in generalandNoron network control methods in particular for magnetic drives with Nonlaminated structures has not yet been published Therefore, the author was askedto design a robust

adaptive controller with a cerebellarmodel structure (RACMAC - Robust adaptive

cerebellarmodel articulation controller) for a active magnetic bearingswith a Nonlaminated

structure, whichis a new and verynecessary problem

TheRACMAC control structure is proposed, in which the CMACcontroller plays the role

of estimating nonlinear disturbances: Externaldisturbances, uncertain parameters in the

model and eddy current lossescaused in themechanism The actuatorofthe drive is from a

8

Nonlaminated structures, from which(calculating the main control current to approximate

the ideal control current) comesthe main control law toapproximate the ideal control lawand the sustainable controller plays the role errorcompensation game Thanks to advantages

such as flexible adjustmentof networkparameters, fast response and good adaptation to

changing parameters of external nonlinear disturbances, RACMAC overcomes the

disadvantages of traditional controllers such asPID, FOPID and SMC nonlinear control

III Sản phẩm đề tài, công bố và két quả đào tạo

3.1 Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ

tiêu kinh tế - kỹ thuật

Tạpchí ScopusQ3

Tạp chí ScieQ3

(Impacts factor

IP 0.864)

Theo kết quả sản phẩm của đề tài được thể hiện bảng trên, tacóthể nhận thấy: sản phẩm

của đề tài này đăng ký trên thuyết minh đề tài làmộtbài báo ScopusQ3, tuy nhiên kết quả đạt được thực tế là mộtbàibáo có chấtlưong, uy tín hon làScie Q3 phù hợp với nội dung

của đề tài

Ghi chú:

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo ) chỉ được chấp

nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm on trường ĐH Công NghiệpTp HCM đã cấpkính phí

thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo.(đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối kèm thông tin quyết định vàsố hiệu xuấtbản)

3.2 Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thòi gian thực hiện đề tài

Tên đề tài

văn; (thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)

IV Tình hình sử dụng kinh phí

T

Kinh phí được duyệt

Kinh phí thực hiện

(triệu đồng)

Ghi chú

10

3 Thiếtbị, dụng cụ 0 0

6 Hộinghị, hội thảo, thù lao

nghiệm thu giữa kỳ

1 õng so

V Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

Địnhhướng theo đề tài của nghiên cứu sinh của chủ nhiệm đề tài, kết quả nghiên cứu sẽ

tạo tiền đề chonhững pháttriểntiếptheotrong lĩnh vực điều khiển ổ từ chủ động Kết quả

nghiên cứu sẽ được cài đặt trên hệthống thí nghiệm ổ từ dochủ nhiệm đề tài triển khai

trong tương lai gần

VI Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

Ngoe Hoi Le, Thanh Quyen Nguyen, Dinh Khoi Hoang, Quang Dich Nguyen, DucThinh

Le, Tung Lam Nguyen, “ Robust Adaptive Cerebellar Model Articulation Controller for

gazette, Vol 30 No 5, 2023 DOI: 10.175 59/TV-20220725105224

Chủ nhiệm đề tài

Tp HCM, ngày tháng năm

Phòng QLKH&HTQT Khoa Công Nghệ Điện

Trưởng (đon vị) (Họ tên, chữ ký)

Lê Ngọc Hội

PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐÈ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC

CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN VÈ Ô TỪ

Thông thường một hệ ổ từ bao gồm hai ổ từ ngang trục đặt ở hai đầu trục mục đích để nâng rotor như Hình 1.1, Hai ổ từ này thường tạo ra những lực từ lớn để nâng và giữ rotor theo

hướngngang trục và một ổ từ dọc trục mục đích giữ rotor ở vị trí nào đó theo hướng dọc trục,thường ở vị trí chính giữa hai nam châm điện của ổ từ dọc trục Trong nghiên cứu của

luận án này không nghiên cứu hai ổ từ ngangtrục và coi bai ổ từ ngang trục đã được điều

khiển để giữ chorotor theo hướngngang trục và chỉ tập trung nghiên cứu ổtừ dọc trục

Ổ từ ngang trục

Nam châm điện

Hình ỉ ỉ: cấu trúc hệ ể từ dọc trục

1.1 Khái quát về ổ từ cấu trúc nguyên khối (ổ từ dọc trục):

- Định nghĩa: ô từ dọc trục làmột ổ chặn có nhiệm vụ điều khiển chuyển động của trục (rotor+ đĩa quay)theo hướng dọc trục Ổ từ dọc trục thông thường để giữ cho trục khôngdịch chuyển theo hướngdọc trục,thường đứng yên tại vị trí chính giữa2 nam châm điện

- Phân loại: ô từ dọctrụccó nhiều loại khácnhau

+ Phân loại theo hình dạng: Thông thườngcó ổ từ dọc trục hình trụ, ổtừ dọc trục hình E

và ổ từ dọc trụchình c ô từ dọc trục hình trụ là ổ từ mà stator (nam châm điện)có dạng

hình trụ như Hình 1.1, ổtừ hình chữ c là ổ từ có statorcó hìnhdạng hình chữ cnhư Hình

1.2, tưong tự như vậy ổtừ hình chữ E là ổ từ mà statorcó dạng hình chữ Enhư Hình 1.4

Đối với rotor thì vẫn có hìnhdạng chung là dạng đĩa hình trụ Ngoài ra còn códạng ổ từ

dạng hình nón, đây là dạng ổ từ mà ổ từ dọc trục và ngang trục được tích thành một ổtừ đểgiảm số lượng ổ từ (giảm ổ từ dọc trục) được thể hiện như Hình 1.3

12

Hình 1.2: o từ hỉnh c

Hình 1.4: Cực từ hình E

+ Phân loại theo cấu trúc: Nếuphânloại theo cấu trúc gồmcó ổtừ có cấu trúc nguyênkhối và ổ từ có cấu trúc xếp lớp(bao gồm các lá thépkỳ thuật điện ghép lại)nhằm mục đích

làm giảm tồn hao dòng xoáy trên cơcấu chấp hành khi cótừ trường biến thiên theo thời gian trong các cơ cấuchấp hành.

1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của O từ cấu trúc nguyên khối

1.2.1 Cấu tạo O từ cấu trúc nguyên khối (ổ từ dọc trục):

Cấu tạo của ồ từ dọctrục cũng như ồ từ chủ động nói chung bao gồm hai bộ phận chính là

stator (nam châm điện) và rotor

Hình 1.5: Sơ đồ các thành phần của ể từ dọc trục

a Stator

Bao gồm hai nam châm điện (cực từ) 2 bên rotor,mỗi cực từ được quấn dây và cấp điện riêng, bao gồm hai thành phần: Thành phần tĩnh và thành phần biến thiên theo thời gian thường có giá trị nhỏ sovới thành phần tĩnh có tác dụng sinh lựctừgiúp cân bangrotor

b Rotor

Rotor của ổ từ dọc trục có kết cấudạng như đĩa quay, đóng vai trò như là vậtcần được

giữ đứng yên tại ví trí giữa 2 cực từ theo hướng dọc trục, không có cuộn dây rotor Khi

nghiên cứu hệ điềukhiển cho ổ từ dọc trục, động lực học của rotor là một phần quan trọng,

rotor thôngthường được cấu trúc nguyênkhối vàviệc mô hình toán học lâu nay các tác giảxem như là cấutrúc xếp lớp (bỏ qua dòng xoáy) để xây dựng mô hìnhtoán học, do đó việc

tìm ra mô hình toán học chính xác của rotorảnh hưởng đến mô hình toán học của ồ từ dọctrục Khi có sự ảnh hưởng của nhiễu tải, rotor có thể bị dao động, quay theo những trục không mong muốn gây nhiễu loạn quỹ đạo, ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống Trong thực tế, rotor thường được chế tạo ở dạng đĩa đối xứng, cân bằng ở trọngtâm (trục quay)

c Khuếch đại công suất

14

Hình ỉ 6: Sơ nguyên lý cơ bản của mạch khuếch đại

Bộ khuếch đại côngsuất là một bộ phận quan trọng của ổ từ chủ chủ động nói chung,

ổ từ dọc trục nói riêng, có nhiệm vụ cung cấp nguốn nuôi cho các cuộn dây cực từ để tạo dòng điện sinh lực hútnhằm duy trì hoạt động và ổn định hệ thống Vói nhũng nhiệm vụ đó, yêu cầu cho bộ khuếch đại công suấtlàphải tạo đượcnguồn nuôi ổn định, đáp ứng kịp thờivới yêu cầu của thuật toán điều khiển, đồng thời cung cấp đủ công suất để hệ thống hoạt

động

Ngoài ra còn có cảmbiến khoảng cách, thường dùng cảmbiến dòng xoáy

1.2.2 Cấu tạo 0 từ cấu trúc nguyên khối (ổ tù dọc trục):

Để tìm hiểu nguyênlí hoạt động của ổ đỡ từ dọctrục, ta xuất phát từ một cấu trúc điềukhiểnnhư Hình 1.7, đây là loại điếu khiển nâng theo mộthướng với một bậc tự do (Degree

of Freedom - DOF) Mô hình này là một sự đon giảnhóađáng kể so vói một ổ đỡ từ trong thực tế, tuy nhiên nó hỗ trợ tatrong việc phân tích và xây dựng mộtmô hình toán học chomột hệ thống nhiều bậc tự do một cách dễ dànghon Hình 1.7 mô tả cấutrúccơ bản của mộtvòng điều khiển kín cho ổ từ dọctrục với các thành phần cần thiết để cấu thành nên một hệ

thống ổ từchủ động theo một phương

Hình ỉ. 7 Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB.

Hệ thống trên Hình 1.7 gồm: một rotor được treo tự do tại một khoảng cách mongmuốn XQ so với cơ cấu điện từ, một cảm biến vị trí đo độ sai lệch X giữa vị trí mong muốn

khiển là cung cấp một tín hiệu điều khiển thích hợp nhằm ổn định hệ thống, duy trì vị trí củarotor tại vị trí mongmuốn, tức là làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lựchấp dẫn f m được tạo ra với trọng lực rotor mg tại điểm làm việc và các ngoại lực tác động theo phương thẳngđứng Bộ điều khiển sẽ xử lí thông tin thu đượcvà gửi tín hiệu điều khiển đến bộ khuếch đại

công suất để tạo thành dòng điện đưa đến cuộn dây của cơ cấu điện từ, dòng điện này sẽ tạo

ra được lực điện từ fdt giúp cân bằng lực tác động lên rotor theo phương trọng trường, về

cơbản, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách thức: khi rotordịch chuyển xuống so với vị trí mong muốn, bộ điều khiển sẽ đưa ra một tín hiệu làm tăng dòng điện điều khiển, từ đógiatăng độ lớn lực điện từ để kéo rotor trở lại vị trí danh định của nó và ngượclại

16

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA Ổ TỪ CẤU TRÚC NGUYÊN KHỐI

Ịỹo (ar^Kj {ar3)+K Q {ar 2)Ii(«r3)J

(2.11) và (2.13).

R° là từ trởphần biến thiên của phần tử thứ ị , đượcxác định như sau:

Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 1:

Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 5:

Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 6:

J2

2.1.2 Xấp xỉ Taylor và Padé

xấp xỉ Taylorvà Padé được tính theo công thức sau:

2.1.2 Từ trở hiệu dụng gân đúng của các phân tử

Hình 2.3 Một cắt ngang của ổ từ hình trụ.

Bảng 2 ỉ: Thông số cơ cấu chấp hành ổ từ đọc trục hình trụ

7 Chiều cao từ vị trí quấn dây đến

phía dưới stator

Dùng phần mềm matlab mô phỏng xấp xỉ Taylor và xấp xỉ Ad-hoc Approximations, kết

quả ta nhận thấy đối với phần tử không khí Rr và R3 xấp xỉ Taylor là chính xác hơn, đối vớiphần tử sắt R2 , R4 , R5 và R6 xấp xỉ Ad-hoc Approximations làchính xácnhất

Từ đótừ trởtổng của bộ truyền động(ổ từ) có thểxấpxỉ như sau:

Với ỉ=2,4,5,6

(2.34)

Trong đó: Rị là từ trở hiệu dụng của phần tử thứ z, FịP(5) là lực điện động dọc theo phần

tử i

Do lực điện động trên mỗi phần tử bao gồm thành phần cố định (danh định) và thành phần

điều khiển nên có biểu thức sau:

Trong đó lực điện động danh định Fịb có giátrị không đổi, theo định luật Ampere’s:

2=1Trong khi đối với từtrường tĩnhcố định (danh định):

(2.37)2=1

Do đó đối với thànhphần điều khiển:

(2-38)2=1

Trong đó: ĩp (s) là dòng điều khiển, I (5) =L{ ì ( í ) - i b } Thay (2.32), (2.33) và (2.34) vào(2.38)ta được:

] (2.43)

^Bo s

Trong đó:

B(r,ộ bao gồm thành phần danh định (cố định) và thành phần nhiễu loạn, thành phần

nhiễu loạn B p (r,ộ rất nhỏ so với thành phần danh định Bb (r) Do đótổng lực co học cũng

bao gồm thànhphần danh định và thành phần nhiễu loạn

2.2 Mô hình toán học ô tù' hình c

Cách làm tương tự như phần ổ từ hình trụ, xét ổ tù' hình c như hình 2.8 ta có lực từ được

Trong đó: R°=R° + 2R° = — 2go+ -^ là từ trở tĩnh tổng của mạch từ, lị = 2ĨỈ4-2c là

chiều dài tổng của các phần tửsắt

k = " + — -T—tanh

trong ổ từ cấu trúc nguyênkhối

—là hệ số biểu thị ảnh hưởng của dòng xoáy

V

Nhận xét: Lựctừ (2.50) là dạng tổng quát đúng cho cả trường tình (cấp dòng DC vào 2 đầucuộn dây) vàtrường biến thiên(cấp dòng AC vào 2 đầu cuộn dây)

- Khi cấp dòng DC vào 2 đầu cuộn dây, trường trên cơ cấu chấp hành là trường tĩnh thỉ

s = jỗ) = 0, khi đó lực từ (2.50) trở thành F p(5) = KJP (5) +KxX p(5) đây là dạng mô hỉnh

toán học của ổ từ cấu true xếp lóp thông thương, bỏ qua dòng xoáy Vì dòng diện DC lchi cấp vào 2 đầu cuộn dây thì không sinh radòng xoáy dù đó là ổ từ cấy true nguyên khối hay

là xếp lóp

- Khi cấp dòng điện AC vào 2 đầu cuộn dây thì (ỡ > 0, khi đó có sự ảnh hưởng của dòng xoáy Đối với ổ từ xếp lớp thì mô hìnhtoán học có dạng (2.50) trong đó k -0, khi cấp dòngđiện AC vào 2 đầu cuộn dâythì dòng xoáy được bỏ qua.

Khi đó để chứng minh lại (2.51) bằng cách chọn vị trí ban đầu khi khoảng cách giữa stator

và rotor x o = Q.2mm nên = 0 Khi đó lực từtrửthành:

(2.52)

Hình 2.10: Phân bo cường độ từ trường H

Dựa vào kếtquảmô phỏng trên phần mềm ANSYS Mawxell được thể hiện trên Hình 2.9

và Hình 2.10 cho thấyphân bố từ thông trên ổ từ, từ đó chia cơ cấu chấp hành thành 3 phần

tử, bao gồm 2phầntử chuyển tiếp khe hở không khí vàphầntử sắt Dotính đối xứngcủa cơ cấu chấp hành nên từ trở của 2 phần tử không khí có giá trị bằng nhau được thể hiện trên

Hình 2.11

Hình 2.ỈỈ Cấu trúc các phần tử của ể từ hình c

ụ = ụ oJur — 0.001256 vàsố liệu của ổ từ hình c được cho như Bảng 2.2 và Hình 2.8 để biểu diễn (2.52) Mô phỏng trên phần mềm ANSYS MAXWELL với đường đặc tính (B — H )

được điều chỉnhgiátrị độ từ thẩm tuyệtđối giốngnhưlýthuyết ụ = jUot r = 0.001256

30

Khi I x -0.2Zứ)(Ẩ) kết quả lực từ trên miền tần số được thể hiện bằng đồ thị lực từ phụ

thuộc vào tần số được thể hiện như Hình 2.12 và Hình 2.13 Đối với Hình 2.12 là thành

phần tĩnh của lực từ có giátrị không đổi khi tần số thay đổi, đối với Hình 2.13 làthành phần biến thiên của lực từgiảm khi tần số tăng

Hình 2.12 Phần tĩnh của ỉực từ khi I Ỵ — 0.2Hứ)(Ẩj

Hình 2 ỉ 3 Phần điều hòa của ỉực từ khi ỉỵ = 0.2Zứ) (À)

khi ỉ2 =0.21Zớ?(A) Kết quả lực từ trên miền tần số được thể hiện bằng đồ thị lực từ phụ

thuộc vào tần số được thể hiện như Hình 2.14 và Hình 2.15 Đối với Hình 2.14 là thành

phần tĩnh của lực từ có giátrị không đổi khi tần số thay đổi, đối với Hình 2.15 làthành phần biến thiên của lực từgiảm khi tần số tăng.

Freq [Hz]

Hình 2.14 Phần tĩnh của lực từ khi ỉ 2 = 0.21zíứ)(nj

Hình 2.Ỉ 5 Phần điều hòa của lực từ khiZ2 = 0.2 lZứ) (/ộ

Từ Hình 2.12 - Hình2.15 tacóthể rútra đượcnhận xét như sau:

- Đối với ổ từ cấu trúc xếp lớp khi đặt dòng điện /=Zocos(ứ)í) thì lực từ là

2.12 hoặc Hình 2.14

z J." 1 1 A T TA

Với được xác định băng giá trị như Hình

32

- Đôi với ô từ câu trúc nguyên khôi khi đó dòng xoáy ảnh hưởng đên môhìnhtoán học khi

đặt dòng điện ỉ = Io cos(ứ?/), khi đó lực từ là F (/) = F o Fỵ cos (2ứtf)

bằng giátrị trên Hình 2.13 hoặc Hình 2.15 tưong ứngvới mỗi giá trị ũ)

- Do (2.51) là phưong trình dạngtuyến tính hóanên F(s} trong (2.51) và (2.52) được xác

định như sau: Fp(5) = F2 (s) (sộ = AFZo> Từ đó lực từ Fp(s) được tính theo kết quả

thể hiện trên hình 2.12-2.15, bằng cách lấy tổng giátrị của Hình 2.14 và Hình 2.15 (F2(s))

trừ cho tổng giátrị trên Hình 2.12 và Hình 2.13 (FJ (sộ), kết quả được thể hiện trên đường màu xanh thể hiện trên Hình 2.16 đó chính làgiátrị Fp(s) ứng vói dòng điện

I (sộ = Z2 (5)- A(sộ = O.OlZd) Dó đó nhận thấy giá trị tínhtoán lực từbằng công thức (đườngmàu đỏ) và giátrị lực từ đượcxác định bằng phần mềmANSYS MAXWELL là xấp

xỉ bằng nhau Từ đó có thể khẳng định rằng (2.51) là gần đúng so với lực từ trong mô hình

tế lý tưởng

Hình 2 ỉ 6 Lực từ tình theo (2.52) và xác định bằng ANSYS MAXWELL

R° R°

Trong đó:

là lực điệntừ trên miềntần số

ỉ(s} là dòng điều khiển trên miền tần số

X(s) là độ dịch chuyển giữa vị trí mong muốn so với vị trí thực trên miền tần số

4(a + h) 3a 7ĩ 5 a2

1 na tanh -

lị = 2h + 2c là chiều dài đường từ trường của sắt

Biến đổi tương đương (2.53)trở thành (2.54):

Biến đổi laplace ngược (2.54) ta được:

Trong đó:

F(t) là lực điệntừ trên miền thời gian

i là dòng điều khiển trên miền thờigian

X là độ dịch chuyển giữa vị trí mong muốn sovới vị tríthực

trên miền thời gian

Theo định luật Newton II ta có phươngtrình động lựcmô tảcực từ:

(.-ti

Trong đó:

FL lànhiễu bên ngoài

m là khối lượng của rotor

Từ (2.56)thế vào (2.55)ta được:

m r dt

Cũng theo [6]-[12] lực điện từ trên miền tần số của cực từ phía trên cấu trúc nguyên khối là:

Trong đó: c : Hệ số giảm chấn của rotor, F L là nhiễu tải bên ngoài, m là khối lượng của

rotor, Z = 2h + 2c là chiều dài đường từ trường của sắt từ, k là hệ số biểu thị ảnh hưởng

dòng xoáy trongổ từ cấu trúc nguyên khối

CHƯƠNG 3: HẸ THỐNG ĐIÈU KHIẺN RACMAC

3.1 Cấu trúc bộ điều khiển lý tưởng

Nhận thấy (2.61) là hàm động học phi tuyến rất khó để xác định chính xác Do vậy việc thiết kế bộ điều khiển dựa trên mô hình khó manglại đáp ứngtốt Đe giải quyếtvấn đề này,

chúng tôi có thểchia giátrị thực tế của f (x), g(x) bao gồm thành phần danh định f o (x) ,

go (x) và thành phần tổng hợp các thành phần bất định của tham số mô hình Af(x), Ag(x)

Trong đó: /(x) = rf(x) + A/(x) +Ag(x)í (ỉ = iCMAC + l cc)

Mục tiêu của điều khiển hệ thống là điều khiến vị trí rotor X bám theo tín hiệu đặt đầu vào

x d Sai số bám đuổi được xác định như sau: