Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ tích cực bốn bậc tự do bằng bộ điều khiển phản hồi đầu ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.2 Chức năng cơ bản của một ổ đỡ từ chủ động treo rotor theo phương thẳng 8 Hình 1.3 Ổ đỡ từ c

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

ĐỖ THỊ PHƯƠNG THẢO

"NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ TÍCH CỰC BỐN BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIÊN PHẢN HỒI ĐẦU RA "

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự dộng hóa

Thái Nguyên - năm 2014

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết quả nghiên cứu là trung thực

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Học viên

Đỗ Thị Phương Thảo

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công Nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thê hoàn thành bài luận văn của mình

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp Đặc biệt dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS Trần Xuân Minh đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô

Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy,

cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này

Học viên

Đỗ Thị Phương Thảo

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Lịch sử phát triển 5

1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các ổ đỡ từ 7

1.3.1 Nguyên lý làm việc cơ bản 7

1.3.2 Phân loại ổ đỡ từ 9

1.4 Những đặc trưng cơ bản và ứng dụng của hệ thống AMB 15

1.4.1 Những đặc trưng cơ bản của AMB 15

1.4.2 Các ứng dụng của hệ thống AMB 16

1.5 Các nghiên cứu liên quan 17

1.5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 17

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 19

1.5.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 20

1.6 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA AMB 23

Trang 6

2.1 Giới thiệu chung 23

2.2 Các thành phần của mạch vòng điều khiển 23

2.3 Mạch từ (cơ sở toán học của hệ thống nâng từ trường) 25

2.3.1 Mật độ từ thông của mạch từ: 26

2.3.2 Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ: 27

2.4 Các phương trình điện từ 29

2.4.1 Các lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép 29

2.4.2 Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép 30

2.4.3 Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB 31

2.5 Các phương trình động lực học của hệ thống AMB 34

2.5.1 Cấu trúc của bộ AMB được khảo sát 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO Ổ ĐỠ TỪ BỐN BẬC TỰ DO 40

3.1 Xây dựng mô hình toán học hệ thống tuyến tính dưới dạng mô hình không gian trạng thái: 40

3.2 Tính điều khiển được và tính quan sát được 42

3.2.1 Tính điều khiển được 43

3.2.2 Tính quan sát được 44

3.3 Mô hình không gian trạng thái của AMB 4 DOF 45

3.3.1 Phép biểu diễn phương trình vi phân ma trận 45

3.3.2 Phép biểu diễn mô hình không gian trạng thái 48

3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống AMB 48

3.4.1 Xây dựng hệ điều khiển 48

3.4.2 Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink 55

Trang 7

3.5 Khảo sát chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 62

3.5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm 62

3.5.2 Kết quả thí nghiệm 65

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ĐẦU RA LQG CHO Ổ ĐỠ TỪ BỐN BẬC TỰ DO 69

4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi đầu ra 69

4.4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái 69

4.1.2 Thiết kế bộ lọc Kalman 72

4.1.3 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu phản hồi đầu ra Linear Quadratic Gaussian (LQG) 74

4.2 Tổng hợp bộ điều khiển dựa trên phương pháp phản hồi đầu ra cho hệ thống AMB 4 DOF 77

4.2.1 Kiểm tra tính điều khiển được 79

4.2.2 Kiểm tra tính quan sát được 79

4.2.3 Tính ma trận hệ số K của bộ quan sát phản hồi trạng thái LQR 80

4.2.4 Tính ma trận hệ số L của bộ lọc Kalman 81

4.3 Mô phỏng và đánh giá 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

F, f m Lực điện từ

M Trọng lượng rô to

G Gia tốc trọng trường

Sa Tiết diện mặt cắt lõi sắt hình chữ C

Sfe Tiết diện mặt cắt trong khe hở không khí

I Dòng điện tức thời

x0 Khe hở không khí

lc Chiều dài trung bình của đường đi từ trường qua lõi sắt chữ C

lI Chiều dài trung bình của đường đi từ trường qua lõi sắt chữ I

Trang 9

i0 Dòng điện phân cực

ix Dòng điện điều khiển

X Độ dịch chuyển theo phương x

Y Độ dịch chuyển theo phương y

,

  Góc quay của trục theo phương x, y

Fx, Fy Lực nâng trục theo các phương x, y

Fx1, Fy1,

Fx2, Fy2

Lực nâng hướng trục theo phương x, phương y của AMB1 và AMB2

a, b Khoảng cách trọng tâm của trục đến ổ đỡ AMB1, AMB2

c, d Khoảng cách trọng tâm của trục đến cảm biến vị trí 1, 2

F+, F- Lực hấp dẫn giữa rô to và stato theo phương x của AMB1

Ks Hệ số tỉ lệ với độ dịch chuyển

J x =J y Mô men quán tính của trục rotor theo phương x và y

J z Mô men quán tính của trục rotor

x1, y1, x2, y2 Vị trí dịch chuyển của trục tại các điểm đặt cảm biến theo phương

x, y của AMB1, AMB2

Trang 10

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Chức năng cơ bản của một ổ đỡ từ chủ động treo rotor theo

phương thẳng

8

Hình 1.3 Ổ đỡ từ chủ động theo hai phương

(a) có trục xoay dưới đáy (b) không tiếp xúc

10

Hình 1.4 Các kiểu ổ đỡ từ chủ động theo năm phương:

(a) rotor ở bên trong (b) rotor ở bên ngoài (c) rotor rỗng (d) không gian giữa cho máy tải

11

Hình 1.5 Các dạng kết hợp giữa ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí:

(a) với ổ đỡ từ thông thường (b) với ổ đỡ cơ khí thông thường (c) với trục dài

12

Trang 12

Hình 2.4 Hệ số lực điện từ dòng điện ki và hệ số lực điện từ chuyển dịch 32

Hình 3.1 Mô hình điều khiển PID cho mô hình tuyến tính xung quanh

điểm làm việc của ổ đỡ từ

49

Hình 3.4a Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ổ đỡ từ với 2 mạch vòng điều

khiển

54

Hình 3.5 Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo phương x, y 56 Hình 3.6 Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 2 theo phương y, x 57 Hình 3.7 Dòng điện điều khiển được tính toán từ vòng điều khiển vị 58 Hình 3.8 Điện áp điều khiển được tính toán từ vòng điều khiển dòng

điện

58

Hình 3.9 Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ đỡ từ 1 59 Hình 3.10 Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ đỡ từ 2 60 Hình 3.11 Cấu trúc chung của hệ thí nghiệm cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do 61

Hình 3.15 Màn hình hiển thị trên phần mềm control desk 63

Trang 13

Trang 14

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Ổ đỡ từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần có tiếp xúc cơ học giữa phần tĩnh và phần động Do đặc điểm treo không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ mới này đưa ra một số các ưu điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông thường, ví dụ như ổ đỡ vòng bi hay ổ đỡ chất lỏng Chúng góp phần mạnh mẽ trong việc nâng cao tốc độ quay của động cơ và giúp động cơ có thể được ứng dụng trong những môi trường khắc nghiệt,đồng thời giảm thiểu được bảo trì (giảm thiểu chi phí) Các ứng dụng quan trọng của ổ đỡ từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, các thiết bị y tế công nghệ cao, các ứng dụng cho môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm việc ngoài không gian, các

hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly rung động [1, 2]

Sau gần 30 năm kể từ khi bắt đầu được ứng dụng, ổ đỡ từ chủ động (Active Magnetic Bearings - AMBs) được dùng nhiều hơn so với ổ đỡ từ tính thụ động (Passive Magnetic Bearings - PMBs)

Ổ đỡ từ là một hệ thống mất ổn định cố hữu nên cần thiết phải có một vòng điều khiển phản hồi để ổn định hóa hệ thống Thiết kế bộ điều khiển là công việc quan trọng trong thiết kế hệ thống AMB do bộ điều khiển có khả năng thay đổi thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ từ Rất nhiều các phương pháp điều khiển đã được áp dụng thành công cho hệ thống AMB khi có kể đến và không kể đến ảnh hưởng của hồi chuyển Từ các giải pháp điều khiển phi tập trung như PD, PID cho đến các phương pháp điều khiển phi tuyến như tuyến tính hóa phản hồi, backstepping… Một xu hướng mới áp dụng cho các phương pháp điều khiển hiện đại cũng thu hút được nhiều sự quan tâm hiện nay Các giải pháp điều khiển tập trung có thể kể đến gồm: LQR, LQG,

H, tổng hợp µ… Xu hướng nghiên cứu này ngày càng phát triển mạnh mẽ là do công nghệ cảm biến tiên tiến hiện nay cho phép thực hiện nhiều phép đo các đại lượng vật lý khác nhau để phục vụ mục đích phản hồi đại lượng điều khiển, bên cạnh đó giải

Trang 15

pháp điều khiển hệ thống được tập trung về một mối Bộ quan sát trạng thái là một ứng dụng hữu ích trong việc đánh giá động học hệ thống thông qua các tín hiệu đầu ra của

hệ Ngoài ra, nó khắc phục một số biến trạng thái không thể đo được của hệ thống Chúng ta biết rằng hệ thống luôn chịu tác động của hai loại nhiễu cơ bản: nhiễu đo lường là sai số từ cảm biến ảnh hưởng đến tín hiệu cần đo và nhiễu hệ thống, nên để loai bỏ sự ảnh hưởng của nhiễu và trạng thái quan sát được là tối ưu ta sẽ thiết kế bộ quan sát trạng thái sau đó kết hợp với việc thiết kế một bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu nhằm tạo tín hiệu điều khiển hệ thống tối ưu nhất Dựa trên nguyên lý tách,

bộ quan sát tối ưu và bộ điều khiển tối ưu được thiết kế độc lập với nhau

Vì vậy, đề tài nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào xây dựng một mô hình toán học chặt chẽ cho AMB 4 DOF có kể đến ảnh hưởng hồi chuyển trong động lực học hệ thống Sau đó trình bày một phương pháp thiết kế bô điều kiển tối ưu phản hồi đầu ra LQG cho hệ thống điều khiển ổ đỡ từ

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu chung:

Đề tài này đặt mục tiêu chính là thiết kế bộ điều khiển tối ưu phản hồi đầu ra LQG cho hệ thống điều khiển ổ đỡ từ nhằm tạo ra chất lượng làm việc tốt cho hệ thống dựa trên các tiêu chí về năng lượng điều khiển và sai lệch điều khiển

- Mục tiêu cụ thể:

1 Tìm hiểu, đánh giá tổng quan nghiên cứu về ổ đỡ từ

2 Cơ sở toán học và phương pháp xây dựng mô hình toán học cho ổ đỡ từ

3 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu phản hồi đầu ra LQG cho hệ thống AMB 4 DOF

4 Tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink, thực nghiệm về điều khiển hệ ổ đỡ từ trên thiết bị thực của phòng thí nghiệm

3 Nội dung của luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ

Trang 16

Chương 2: Mô hình toán học của AMB

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do

Chương 4: Đề xuất phương pháp điều khiển phản hồi đầu ra LQG cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do

Kết luận và kiến nghị

Trang 17

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ

1.1 Giới thiệu chung

Các ổ đỡ từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần

có tiếp xúc cơ học Do đặc điểm treo không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ mới này có các

ưu điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông thường, ví dụ như ổ đỡ vòng bi hay ổ đỡ chất lỏng Những ưu điểm này bao gồm loại bỏ được các hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số

ma sát thấp, tốc độ rotor cao, các đặc tính động có thể điều chỉnh được Các ổ đỡ từ có thể cho phép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và chân không Bên cạnh đó các ổ đỡ từ có thể đáp ứng khả năng chịu tải lớn bằng cách tối ưu hóa hệ thống và các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí của ổ đỡ, từ thông bão hòa của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lượng vòng dây trên các cực từ và công suất bộ khuếch đại Một hệ thống đo lường (giám sát) tiên tiến tích hợp trong hệ thống ổ đỡ từ không chỉ giám sát tức thời các thông số của hệ như vị trí rotor, dao động nganh trục và dọc trục, dòng điện và tốc độ quay mà còn có thể phân tích được sự mất cân bằng bằng cách tính toán được vị trí và biên độ của nó

Bộ điều khiển có thể thay đổi các thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ Điều này cho phép bộ điều khiển điều chỉnh được đặc tính động ảnh hưởng lên các tần số cộng hưởng của hệ thống và làm giảm rung động lan truyền [1, 2]

Trong khoảng ba thập kỷ có rất nhiều các nghiên cứu quan trọng đã được tiến hành bao trùm lên tất cả các lĩnh vực liên quan đến ổ đỡ từ Ta có thể kể ra ở đây bao gồm công nghệ cảm biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu và các thành phần… Cho đến nay, những nhận thức trọng tâm trong thiết kế các ổ đỡ từ

đã có những bước tiến rõ rệt và việc ứng dụng các ổ đỡ từ vào các ứng dụng thực tiễn

đã vượt ra ngoài những mong muốn ban đầu Các ứng dụng quan trọng của các ổ đỡ từ gồm có máy gia tốc, máy chân không , máy ly tâm, các thiết bị y tế công nghệ cao, các thiết bị cho môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly rung động [1, 2]

Trang 18

đề này, rất nhiều các nghiên cứu hướng đến mục tiêu thay thế các ổ đỡ truyền thống bằng các biện pháp mới mà không đòi hỏi nhu cầu bảo trì và bảo dưỡng, trong đó sử dụng các ổ đỡ từ là một trong những hướng nghiên cứu thành công và mang lại thuận lợi cho người sử dụng [1, 2]

Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng ổ đỡ từ là một trong những bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác (nhờ loại trừ các bào mòn do ma sát) gia công đối với trục chính cao tốc Tuy nhiên, các lợi thế này buộc ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp

Trên thực tế, phát minh sớm nhất liên quan ổ đỡ từ tích cực được cấp cho Jesse Beams tại trường Đại học Virginia trong thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ II [4] Sáng chế này ứng dụng cho quá trình siêu ly tâm để phục vụ cho công đoạn tinh luyện trong sản xuất quả bom nguyên tử đầu tiên Tuy nhiên, công nghệ lúc đó chưa đủ lớn mạnh cho đến khi xuất hiện các công nghệ tiên tiến về điện tử bán dẫn và điều khiển bằng máy tính, cùng với những nghiên cứu của Habermann và Schweitzer Sau đó các nghiên cứu về ổ đỡ từ thuộc chương trình nghiên cứu Máy điện quay và Điều khiển

Trang 19

công nghiệp vẫn được tiếp tục tại Đại học Virginia Cho đến năm 1988, chỉ có một vài viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu các ổ đỡ từ Có thể kể đến ở đây gồm: phòng thí nghiệm Higuchi, ĐH Tokyo (Nhật Bản), phòng thí nghiệm Schweitzer, Học viện công nghệ Zurich (Thụy Sỹ), phòng thí nghiệm Allaire, ĐH Virginia (Hoa Kỳ) và phòng thí nghiệm Matsumura, ĐH Kanazawa (Nhật Bản) [5] Tại hội nghị khoa học quốc tế đầu tiên về công nghệ treo từ tính (International Symposium on Magnetic Bearings - ISMB) được tổ chức vào tháng 6, 1988 tại Thụy Sỹ, các GS Schweitzer (Học viện công nghệ Zurich), GS Allaire (ĐH Virginia) và GS Okada (ĐH Ibaraki) chính là những người đặt nền móng cho Hiệp hội quốc tế về công nghệ treo từ tính Kasarda chỉ ra rằng ứng dụng thương mại đầu tiên của AMB là trong máy gia tốc AMB cho phép loại bỏ các bồn chứa dầu trong các máy nén đối với các đường ống dẫn dầu của công ty truyền tải khí đốt NOVA (NGTL) tại Alberta, Canada Điều này làm giảm nguy cơ cháy nổ và cho phép giảm giá thành trong bảo hiểm Thành công trong việc ứng dụng công nghệ treo từ tính đã khiến cho NGTL trở thành nơi dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển số cho treo từ tính và như là một sự thay thế cho các hệ thống điều khiển tương tự do công ty Magnetic Bearings Inc (MBI), Hoa Kỳ cung cấp.[4]

Đầu năm 1987, Akira Chiba đã đề xuất khái niệm cơ bản về động cơ không ổ đỡ Một năm sau đó, năm 1988, một mô hình động cơ không ổ đỡ đã được xây dựng tại Trường ĐH Khoa học Tokyo Mẫu phát minh cho ý tưởng về động cơ không ổ đỡ cho các loại máy điện khác nhau, chẳng hạn như: cảm ứng, kích thích vĩnh cửu, từ trở đồng bộ… được đệ trình ngay sau đó một năm [1] Từ đó đến nay, khái niệm này đã được phát triển cho nhiều loại máy điện khác nữa Kể từ giữa những năm 1990s, máy điện không ổ đỡ đã được triển khai nghiên cứu ở Thụy Sỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Canada, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc và các nơi khác

Sau 20 năm phát triển, những đánh giá khái quát về triển vọng phát triển trong tương lai của các ổ đỡ từ nói chung và của AMB nói riêng đã được nhận định H Bleuler [5] chỉ ra rằng xu hướng tích hợp hệ thống sẽ không còn phát triển nhanh chóng như một số năm trước đây nữa, thay vào đó là sự phát triển các ứng dụng

Trang 20

Hướng phát triển mới cho các ổ đỡ từ thụ động đang hé mở ra những ứng dụng mới và hứa hẹn sẽ phát triển nhanh chóng Ngoài ra, các loại ổ đỡ tự cảm biến đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu để nỗ lực chuyển thể thành công thành những ứng dụng công nghiệp Các ổ đỡ từ sẽ tiếp tục là mối quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật Các ứng dụng sẽ còn phát triển mạnh trong nhiều các lĩnh vực khác trong vòng 20 năm tới

1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các ổ đỡ từ

1.3.1 Nguyên lý làm việc cơ bản

Cấu trúc điện - từ cơ bản và một bộ điều khiển phản hồi cho một hệ thống ổ đỡ từ một bậc tự do được thể hiện như trong hình vẽ 1.1 Kích thích của cuộn dây sẽ tạo ra lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật Khi đó đối tượng sẽ được giữ tự do

theo phương thẳng đứng Dòng điện i sẽ tạo ra từ thông ψ Đường đi của từ thông

được thể hiện bằng đường nét đứt và đi qua khe hở không khí hai lần theo chiều thẳng

đứng Lực hấp dẫn giữa vật thể treo và lõi sắt từ là một hàm số của dòng điện i, và tỷ

lệ thuận với bình phương với dòng điện i khi lõi sắt từ chưa bão hòa Trong các điều

kiện xác lập, lực hấp dẫn này được điều chỉnh để bằng với tích của trọng lượng vật

treo m và gia tốc trọng trường g a nhằm thỏa mãn cân bằng lực

Sensor chuyển vị sẽ đo mức độ dịch chuyển của vật thể treo theo chiều thẳng đứng

so với vị trí chuẩn của nó Điện áp ra của sensor sẽ là tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển Một bộ vi xử lý đóng vai trò như là một bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển

từ thông tin đo lường, một bộ khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển này thành dòng điện điều khiển, và dòng điện này sẽ sinh ra từ trường trong mạch từ, như vậy các lực từ sẽ được tạo ra Bằng cách đó, vật thể sẽ được treo ở vị trí lơ lửng của

nó Một lượng đặt của lực từ được tạo ra để treo ổn định vật thể Lượng đặt của lực này bằng tổng đại lượng của lực tắt dần và lực đàn hồi Lượng điều khiển của lực đàn hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị của vật thể treo Còn đối với lực tắt dần thì lực này tỷ

lệ thuận với tốc độ dịch chuyển của vật thể treo Các đại lượng này có chiều ngược với chuyển vị và tốc độ đối với phản hồi âm Bộ điều khiển tạo ra lượng dòng điện điều

Trang 21

khiển để nhằm tạo ra lực từ bám sát với lượng lực từ đặt Bộ điều chỉnh dòng điện sẽ điều khiển dòng điện bằng cách đặt một điện áp lên các đầu cuộn dây

Hình 1 1: Cấu trúc cơ bản của một ổ đỡ từ

Hình 1 2: Chức năng cơ bản của một ổ đỡ từ chủ động treo rotor theo phương thẳng Dòng điện i chạy trong một cuộn dây, và nếu ta giả thiết rằng cuộn dây có số vòng dây là N thì khi đó một lực từ động (MMF) được sinh ra và bằng Ni Với các vật liệu

sắt từ có độ thẩm từ cao thì từ thông sẽ đi theo đường như trong hình vẽ và đi qua khe

hở hai lần Độ tập trung từ thông cực đại trong khe hở không khí sẽ quyết định độ lớn của lực trong phần điện từ Độ tập trung từ thông lớn sẽ tạo ra lực từ lớn Tuy nhiên,

Bộ điều khiển

Bộ điều chỉnhdòng

Cơ cấu điện từ

Vật liệu sắt từ

Cảm biến vị trí

Cảm biến khoảng cách

stator

điều khiển

Nguồn dòng

Trang 22

độ tập trung từ thông cực đại được giới hạn trong khảng từ 1.7 – 2T đối với thép silic thông thường Một lưu ý quan trọng nữa đó là chiều dài khe hở không khí phải được giữ càng nhỏ càng tốt để giảm dòng điện và các tổn thất

Bằng cách chủ động điều khiển động lực học của phần điện từ để tạo ra các lực điện từ chính là nguyên lý cơ bản mà trên thực tế được sử dụng trong hầu hết các ổ đỡ

từ Hình vẽ 1.2 giới thiệu các thành phần chính và diễn giải chức năng của một ổ đỡ từ đơn giản để nâng rotor lên trên một hướng

Luật điều khiển phản hồi chịu trách nhiệm duy trì sự ổn định của trạng thái treo cũng như là độ cứng và độ tắt dần của quá trình treo này Độ cứng và độ tắt dần có thể được thay đổi rộng trong giới hạn vật lý của hệ thống, và có thể được điều chỉnh theo yêu cầu công nghệ Đồng thời chúng có thể được thay đổi trong suốt quá trình làm việc

1.3.2 Phân loại ổ đỡ từ

Ổ đỡ từ đươc chia ra làm 2 nhóm:

- Ổ đỡ từ tính thụ động (Passive Magnetic Bearings - PMBs): các lực đỡ được tạo

ra bằng các nam châm vĩnh cửu theo nguyên lý hút hoặc đẩy, không cần thiết phải sử dụng nguồn cấp điện, không cần bộ điều khiển, lực đỡ cố định, nam châm vĩnh cửu đòi hỏi có độ từ dư và độ kháng lớn, điều này phụ thuộc vào vật liệu làm nam châm

- Ổ đỡ từ chủ động hoặc tích cực (Active Magnetic Bearings - AMBs) làm việc

dựa trên nguyên tắc chênh lệch của lực hấp dẫn điện từ, các lực đỡ được điều khiển tích cực bằng các phần tử điện từ, một vòng điều khiển phản hồi phù hợp và các thành phần khác chẳng hạn như các cảm biến đo khoảng cách và các bộ khuếch đại công suất

Ưu điểm chính của ổ đỡ từ chủ động là khả năng điều khiển dễ dàng, trong khi các

ổ đỡ từ thụ động chỉ có những thuộc tính cố định phụ thuộc vào kích cỡ và thiết kế cơ khí của chúng Ngoài ra, các ổ đỡ từ thụ động còn có một nhược điểm lớn đó là khả năng tắt dần thấp Vậy nên loại này bị hạn chế trong các ứng dụng công nghiệp mà có

sự xuất hiện của nguồn dao động tắt dần [2]

Trang 23

1.3.2.1 Các cấu trúc cơ bản của AMB

Dưới đây mô tả một số cấu trúc đặc trưng của máy điện không ổ đỡ Trong đó, các cấu trúc ổ đỡ từ chủ động theo hai phương, theo năm phương và sự phối hợp giữa các

ổ đỡ thông thường và các ổ đỡ cơ khí sẽ được đề cập cụ thể [2]

Hình 1 3: Ổ đỡ từ chủ động theo hai phương: (a) có trục xoay dưới đáy,(b) không tiếp xúc

Hình 1.3(a, b) trình bày một cấu trúc ổ đỡ từ theo hai phương Trong hình 1.3(a), trục động cơ nằm trong lõi của rotor Ổ đỡ từ theo hai phương được nhận biết bởi các lực từ giữa rotor và stator Tại phía cuối của trục động cơ có bố trí một trục xoay nhằm định vị hướng trục và hướng kính cho đầu cuối của trục Cấu trúc này phù hợp cho các máy trục đứng Trong khi tại hình 1.3(b), trục động cơ bị loại bỏ ra khỏi cấu trúc Định

vị tích cực theo hai phương tạo ra quá trình treo thụ động cho chuyển động hướng trục

và nghiêng Do đó, ta có thể nhận ra được treo thụ động bởi sự hạn chế về độ dài của lõi trục Tuy nhiên, với thiết kế đúng đắn, loại này cho ra các hệ truyền động không ổ

đỡ nhỏ gọn và giá thành thấp

Hình 1.4(a, b, c và d) thể hiện mặt cắt ngang của một số ổ đỡ từ tính theo năm phương Hai ổ đỡ từ được dùng để tạo ra các lực hướng kính theo bốn phương Một ổ chặn là để định vị tích cực hướng trục trên phương thứ năm Trong hình 1.4(a), có hai rotor nằm trên trục theo vị trí cái trước, cái sau Rotor và trục cùng quay bên trong hai lõi thép stator Các tải chẳng hạn như máy bơm và bộ đẩy máy nén có thể được gắn vào đầu cuối của trục Trong hình 1.4(b), rotor được đặt phía ngoài của hai stator Cấu trúc kiểu này phù hợp với các loại truyền động bánh đà hay là các ổ đĩa video số (DVD) và ổ đĩa cứng Cách bố trí như trong hình 1.4(c) chính là sự biến tấu của hình

Trang 24

1.3(a) Trong lòng trục rỗng nhằm để cho, chẳng hạn như dòng chất lỏng chạy qua, và

ổ từ chặn được đặt ở giữa hai ổ đỡ từ trong trường hợp treo tích cực theo năm phương Cấu trúc này thích hợp cho các thiết bị đo lưu lượng, các bơm nguyên liệu đóng hộp, các trục quay… Trong các hình 1.4(a, b, và c) có sử dụng một ổ từ chặn Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi lực hướng trục thấp hoặc không yêu cầu định vị hướng trục chính xác thì không cần đến kiểu ổ chặn này Trong những trường hợp này, định

vị hướng trục có thể được xác định bằng định vị thụ động như trong hình 1.4(d) Trong trường hợp này, rotor nằm trong các bộ treo không ổ đỡ được giữ tự nhiên ở vị trí chính giữa bằng các lực từ Khi các ổ đỡ từ sinh ra một lượng từ thông đáng kể, trục động cơ sẽ chịu một lực đàn hồi đủ lớn dưới sự dịch chuyển hướng trục để duy trì quá trình truyền động hướng trục ổn định

Hình 1 4.Các kiểu ổ đỡ từ chủ động theo năm phương: (a) rotor ở bên trong; (b) rotor ở bên

ngoài; (c) rotor rỗng; (d) không gian giữa cho máy tải

Hình 1.5(a, b và c) biểu diễn mặt cắt ngang của các ổ đỡ không tiếp xúc khác nhau khi chúng được phối hợp với các loại ổ đỡ thông thường, cơ khí và từ tính Trong hình 1.5(a), khối bên trái là một ổ đỡ từ tính hướng kính thông thường Chỉ có khối bên

Trang 25

phải là một ổ đỡ không tiếp xúc Cách bố trí này phù hợp với tải có lực hướng kính lớn ghép ở đầu trục phía trái Trong hình 1.5(b), các ổ đỡ cơ khí được đặt tại hai phía của ổ

đỡ không tiếp xúc Khi tốc độ quay cực cao, trục sẽ có tốc độ bị giới hạn do tính chất

bị bẻ cong của trục đàn hồi Rung động sẽ xuất hiện tại tốc độ này Ổ đỡ không tiếp xúc có thể ngăn chặn những rung động này và hỗ trợ sức nặng của trục Trong hình 1.5(c), một phụ tải được kéo bởi một động cơ thông thường với một trục dài Ổ đỡ không tiếp xúc được đặt gần chính giữa trục này với mục đích để triệt tiêu các rung động của trục

Hình 1 5: Các dạng kết hợp giữa ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí: (a) với ổ đỡ từ thông thường;

(b) với ổ đỡ cơ khí thông thường,(c) với trục dài

điều chỉnh trong hệ trục tọa độ x 1 và y 1 Ổ đỡ từ bên phải được điều chỉnh trong hệ trục

tọa độ x 2 và y 2 Vị trí của ổ chặn theo trục z (là hướng của trục động cơ) được điều

Trang 26

chỉnh bởi các lực hướng kính sinh ra từ một ổ đỡ từ chặn Như vậy, tổng thể có tất cả

năm trục tọa độ x 1 , y 1 , x 2 , y 2 và z được điều khiển bởi các hệ thống AMB

Cấu trúc của ổ đỡ từ chủ động gồm hai bộ phận là rotor và stator, rotor của ổ đỡ từ thường được gắn trực tiếp vào trục cần nâng còn stator thì gồm nhiều nam châm điện được bố trí theo phương pháp khác nhau.Các phương pháp bố trí cực từ hiện nay được phân thành ba loại chính là loại ba cực, bốn cực và tám cực

Loại ổ đỗ từ chủ động ba cực có ưu điểm nhỏ gọn, dễ chế tạo và có sỗ lượng bộ khuyêch đại công suất ít Tuy nhiên lực nâng có phân bố không đối xứng, khó thực hiện việc tách kênh và có tính phi tuyến mạnh,vì vậy việc đảm bảo ổ đỗ từ chủ động

ba cực làm việc ổn định là khó khăn Trong đó loại ổ đỗ từ chủ động 8 cực có phân bố lực nâng đối xứng và dễ dàng thực hiện điều khiển tách kênh nhưng lại có quá nhiều cực dẫn tới số lượng bộ khuyech đại công suất và tổn hao ổ đõ từ tăng Để dung hòa hai yêu cầu trên thì ổ đỡ từ chủ động 4 cực được đẩy mạnh nghiên cứu

Mỗi một ổ đỡ từ tính có bốn cuộn dây trên stator, hai cuộn dây được bố trí trên trục

x và hai cuộn dây được bố trí trên trục y Dòng điện trên một cuộn dây sẽ sinh ra lực từ

hấp dẫn Lực hướng kính theo phương trục x được sinh ra do sai lệch giữa các lực từ hấp dẫn do các cuộn dây trên trục x gây ra

Dòng điện trong các cuộn dây của hai ổ đỡ từ được điều khiển bởi các mạch điện

tử công suất, thông thường là các bộ biến đổi nguồn điện áp một pha Một bộ biến đổi nguồn một pha có thể điều khiển dòng điện trên một cuộn dây Do đó, cần phải có bốn

bộ biến đổi tương ứng với dây dẫn vào ra

Trong ổ đỡ từ tính dịch chuyển gồm có hai cuộn dây, do đó hai bộ biến đổi một pha được dùng để điều chỉnh các dòng điện trên các cuộn dây này và tạo ra lực hướng kính theo hướng trục

Trang 27

Hình 1 6: Động cơ sử dụng AMB Động cơ sinh ra momen trên trục động cơ hay là trục z Tốc độ quay trên trục

động cơ được điều khiển bởi momen xoắn của động cơ và được mô tả bằng phương trình momen của hệ thống Một bộ biến đổi ba pha được dùng để cung cấp tần số và điện áp thay đổi được dựa vào những yêu cầu về momen và tốc độ quay trên trục động

cơ

1.3.2.3 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc

Cấu trúc của một hệ thống truyền động ổ đỡ không tiếp xúc được thể hiện như trong hình 1.7 Hai ổ đỡ được đặt trên một trục truyền động Mỗi một thiết bị sẽ tạo ra các lực hướng kính và mômen quay Thiết bị ổ đỡ không tiếp xúc bên trái làm nhiệm

vụ định vị hướng kính cho x1 và y1 trong khi x2 và y2 được định vị bởi ổ đỡ không tiếp xúc bên phải Mômen quay tổng sẽ bằng hai lần mômen ước tính của mỗi thiết bị bởi hai thiết bị này chia sẻ với nhau lượng mômen Mỗi một ổ đỡ không tiếp xúc có ba đầu cực cho dây quấn treo và ba đầu cực khác cho dây quấn động cơ Dây quấn các pha tương ứng của động cơ trong mỗi bộ được mắc nối tiếp theo cách nối sao (Y) được hình thành với hai cuộn dây pha nối nối tiếp trong mỗi pha Khi mắc nối tiếp dây quấn các pha giữa hai bộ treo và rotor được sắp xếp chính xác trong hai thiết bị này sao cho nếu như dòng điện nằm trên trục quay của rotor ở trong một thiết bị thì cũng nằm trên trục quay của rotor của thiết bị kia Một bộ biến đổi ba pha được mắc với các dây quấn của động cơ để cung cấp điện áp và tần số thay đổi được cho truyền động động cơ Hai bộ biến đổi ba pha làm việc độc lập được mắc với các đầu cực của dây quấn treo

Trang 28

nhằm cung cấp dòng điện treo theo yêu cầu để sinh ra các lực hướng kính theo bốn

trục x 1 , y 1 và x 2 , y 2 bằng các bộ điều khiển phản hồi âm và cảm biến giám sát vị trí của trục động cơ

Hình 1 7: Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc

Dưới đây là một số ưu điểm của các hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc:

Nhỏ gọn: Do trục quay ngắn nên dẫn tốc độ tới hạn cao và làm việc ổn định hơn Giá thành thấp: Trong các hệ này số lượng dây quấn ít hơn; số lượng các bộ biến

đổi được sử dụng cũng ít hơn; (sử dụng bộ biến tần ba pha tiêu chuẩn giá thành thấp)

Hiệu suất cao: truyền động ổ đỡ không tiếp xúc có thể sản sinh công suất gia tăng

với cùng một chiều dài trục

1.4 Những đặc trưng cơ bản và ứng dụng của hệ thống AMB

1.4.1 Những đặc trưng cơ bản của AMB

Thuộc tính không tiếp xúc cơ học giũa phần quay của động cơ với bất kỳ bộ phận

nào, nên không có ma sát hao mòn khi vận hành, tuổi thọ làm việc lâu dài, tăng hiệu xuất của động cơ Khi làm việc ở tốc độ cao, tổn thất do các bộ AMB gây ra thấp hơn

từ 5 đến 20 lần so với các loại ổ đỡ thông thường

Không còn hệ thống bôi trơn và lớp chống bụi bẩn sẽ cho phép những loại ổ đỡ

này được sử dụng trong các hệ thống chân không, trong các môi trường sạch tuyệt đối

Trang 29

hoặc ở môi trường nhiệt độ rất cao đây là ưu điểm quan trọng so với ổ đỡ thông thường

Khoảng cách giữa rotor và ổ đỡ thường là rất bé, chỉ bằng khoảng một vài phần của 1mm, tuy nhiên trong một số ứng dụng cụ thể, nó có thể lên đến 20mm

Khả năng là việc với tốc độ cao Tốc độ quay tròn bên trong ổ đỡ, chỉ bị giới hạn bởi độ bền vật liệu của rotor

Ổ đỡ từ là một phần tử tích cực mà cho phép định vị trục một cách chính xác và kết hợp vào trong quá trình điều khiển dễ dàng làm cho rung động của rotor có thể được tích cực giảm dần

Thuộc tính quan trọng của hệ thống AMB là độ cứng, độ tắt dần có thể được thay đổi phù hợp với yêu cầu mà không cần sửa đổi hệ thống

Các vị trí hoạt động của rotor trong hệ thống AMB có thể điều khiển độc lập với độ cứng, tải bên ngoài

Khả năng chịu tải cụ thể của AMB phụ thuộc vào vật liệu sắt từ và thiết kế của nó, thông thường khoảng 20N/cm2 và có thể đạt đến 40N/cm2

Chi phí bảo dưỡng thấp hơn và tuổi thọ làm việc dài hơn của hệ thống AMB đã được minh chứng trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt Đây là lý do chính khiến cho số lượng các ứng dụng liên quan đến máy gia tốc ngày càng nhiều trong thời gian gần đây

1.4.2 Các ứng dụng của hệ thống AMB

Từ những ưu điểm khác nhau của vòng bi từ đã đưa đến một số các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu như sau [1, 2]:

Các hệ thống chân không và không gian sạch: Các ổ đỡ từ không gặp phải bất kỳ

sự ăn mòn cơ khí hoặc sinh ra các chất cặn bẩn Nếu cần thiết, các ổ đỡ này thậm chí

có thể được bố trí bên ngoài lớp vỏ của bình chân không trong khi các lực từ vẫn có thể tác động xuyên qua lớp vỏ bình Do các ổ đỡ không chịu tổn thất của lực cản khí động học và tiêu thu năng lượng thấp nên đây chính là đặc trưng của các bộ bánh đà

Trang 30

trong hệ thống tích trữ năng lượng Trong dây chuyền sản xuất thực phẩm và dược phẩm, AMB sẽ thay thế các ổ đỡ cơ khí để tránh được dò gỉ của dầu bôi trơn do các vết nứt của mối hàn trên ổ đỡ gây ra

Các máy công cụ: Một trong những ưu điểm chính là độ chính xác cao khiến cho

các ổ đỡ từ có thể đạt được tốc độ quay cao với khả năng chịu tải tương đối lớn Tốc

độ cao là một yêu cầu cần thiết trong quá trình mài chính xác các chi tiết nhỏ

Máy gia tốc: Đây chính là lĩnh vực ứng dụng chính của AMB Lĩnh vực này bao

trùm từ các máy bơm gia tốc phân tử (turbo-molecular pumps) cỡ nhỏ cho đến các máy phát và máy nén gia tốc có công suất cao (Megawatts) Một ưu điểm đó là khả năng điều khiển và làm tắt dần rung động, và đạt được đáp ứng động tốt như mong muốn Hơn nữa, các đặc trưng quan trọng khác đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm

đó là khả năng tự điều khiển và chẩn đoán, giá thành bảo dưỡng rất thấp, và mức tiêu thụ năng lượng thấp Cùng với sự có mặt của các thiết bị điện tử công suất có hiệu suất làm việc cao, AMB chính là sự lựa chọn cho các máy tốc độ cao có công suất lớn, thay thế dần nhu cầu ghép nối giữa các máy phát gia tốc tốc độ cao đến hộp giảm tốc trong

hệ truyền động máy phát và các máy phát tốc độ thấp

Các thiết bị y tế: Một ứng dụng cụ thể là việc sử dụng các ổ đỡ từ trong bơm tim

nhân tạo Chính xác hơn đó là một thiết bị hỗ trợ tâm thất trái làm nhiệm vụ trợ giúp cho quả tim yếu của bệnh nhân luôn giữ được lượng máu bơm đi tại một mức mong muốn nhằm cung cấp quá trình tuần hoàn máu như yêu cầu

Các bộ treo siêu dẫn: ưu thế của các bộ treo siêu dẫn với khả năng thụ động cố hữu

của chúng hứa hẹn sẽ là một sự lựa chọn khác bên cạnh AMB Tuy nhiên để đạt được các thuộc tính tắt dần trong một hệ thống treo siêu dẫn cho máy điện quay thì vẫn cần phải dùng thêm cả các bộ chống dao động tích cực bằng AMB

1.5 Các nghiên cứu liên quan

1.5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Khi ứng dụng ổ đỡ từ vào truyền động cho các máy bơm, tuốc bin khí, máy khí nén, máy công cụ sẽ có hiệu suất cao do ít tổn hao Chính vì vậy trên thế giới đã có

Trang 31

nhiều nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả như trong hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW với tốc độ quay là 12.000 vòng /phút

sử dụng động cơ điện dùng ổ đỡ từ được thay thế cho động cơ sử dụng ổ thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700.000 kWh/năm [2]

Với ưu điểm này, động cơ điện dùng ổ đỡ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, công nghệ sinh học (bơm hóa chất, bơm máu trong tim nhân tạo [4], [5]…)

Việc giảm kích thước và giá thành cho động cơ ổ bi từ thông qua việc tích hợp chức năng của ổ đỡ từ vào động cơ là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm Thành công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A Chiba tại Đại học Tokyo – Nhật Bản Bằng cách tích hợp chức năng của ổ đỡ từ ngang trục vào động

cơ điện, kích thước của động cơ điện dùng ổ đỡ từ đã được giảm đáng kể (giảm khoảng 25%) tuy nhiên cấu trúc của động cơ phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ khí (cuộn dây ổ đỡ từ được quấn cạnh cuộn dây động cơ) và số bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng cho động cơ vẫn giữ nguyên Do đó giá thành của động cơ kiểu này vẫn cao

Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ đỡ từ dọc trục vào động cơ [1][2] Thông qua phương pháp điều khiển mới, động cơ có 13 thêm chức năng sinh ra lực nâng dọc trục mà không cần bổ sung thêm dây quấn phụ Bằng cách này phần cứng của ổ đỡ từ dọc trục được loại bỏ hoàn toàn, kết quả là kích thước và giá thành của động cơ điện dùng ổ đỡ từ sẽ giảm được đáng kể

Tuy nhiên, những nghiên cứu này mới chỉ thành công trong thí nghiệm hai bậc tự

do (chuyển động quay và dịch chuyển theo trục z) khi các chuyển động ngang trục của động cơ bị chặn Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồng bộ động cơ điện dùng ổ đỡ

từ theo một khối thống nhất sẽ thành công trong việc giảm kích thước và giá thành, góp phần nhanh chóng đưa động cơ điện dùng ổ đỡ từ vào ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

Có các hướng nghiên cứu sử dụng động cơ với ổ đỡ từ làm việc trong môi trường sạch tuyệt đối, môi trường có nhiệt độ rất cao và rất thấp,…Trong các môi trường khắc

Trang 32

nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn, động cơ điện dùng ổ đỡ từ còn được nghiên cứu ứng dụng trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng, -1760C [7]) hoặc rất nóng (5500C)

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Mặc dù khái niệm về động cơ điện dùng ổ đỡ từ mới xuất hiện trong thời gian gần đây nhưng đã thu hút mạnh mẽ nghiên cứu của các nhà khoa học và nghiên cứu sinh Trong đó nổi bật là hai trung tâm nghiên cứu về ổ đỡ từ và động cơ điện dùng ổ đỡ từ thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên Tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bộ môn Tự động hóa của Trường thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản, mô hình động cơ điện tự nâng với từ thông dọc trục tích hợp

sử dụng ổ đỡ từ dọc trục đã được nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công, các phương pháp điều khiển cơ bản đã được phát triển và ứng dụng cho động cơ, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới về Kỹ thuật điện [7] Tại trường đại học kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên, đề tài nghiên cứu cải thiện chất lượng ổ đỡ từ bốn bậc tự do của Nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Bình đã xây dựng được một hệ thí nghiệm để bước đầu kiểm nghiệm phương pháp điều khiển PD bù trọng trường cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do có mô hình tách kênh trực tiếp cho kết quả thỏa mãn yêu cầu Hệ thí nghiệm làm việc ổn định với tốc độ làm việc rất cao

Thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu sinh tại bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên với các Giáo sư ở Trường Đại học Tây Úc (The University of Western Australia, Australia), các thuật toán điều khiển nâng cao cho ổ đỡ từ đã được nghiên cứu GS.TS Đỗ Khắc Đức và GS J Pan là các chuyên gia được các nhà khoa học trên thế giới biết đến về điều khiển và rung động, đã có nhiều công trình về điều khiển các

hệ cơ - điện phi tuyến cao đăng trên các tạp chí khoa học hàng đầu trong lĩnh vực này,

"xem tài liệu tham khảo trong sách chuyên khảo" Các phương pháp thiết kế bộ điều

Trang 33

khiển được phát triển bởi các tác giả GS Do.KD và GS J Pan có thể ứng dụng vào điều khiển động cơ điện dùng ổ từ, xem các tài liệu [3], [6], [8]…

1.5.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, các công bố lên quan đến nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các bộ điều khiển cho các hệ thống AMB, kể từ những năm 1990s trở lại đây, có sự gia tăng rất đáng kể Những nước hiện đang đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu này gồm có Nhật Bản, Thụy Sỹ và Brazil và một số nước khác Ngoài ra, Trung Quốc và Hàn Quốc hiện cũng đang nổi lên như là hai nhân tố mới với nhiều ý tưởng và ứng dụng mới [5] Đối với hướng nghiên cứu các bộ điều khiển hiện đại ứng dụng cho AMB, có thể quan tâm đến một số nghiên cứu điển hình sau:

(1) Trong nghiên cứu được công bố gần đây nhất (2009) [9], Chen và cộng

sự đề xuất thay thế bộ điều khiển PID truyền thống bằng độ điều khiển PID- mờ tự chỉnh định (self-tuning fuzzy PID - type controller), nhằm giải quyết vấn đề rung động không cân bằng trong hệ thống ổ đỡ từ tích cực Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc giảm rung động cho hệ thống ổ đỡ từ tích cực cũng như giảm dịch chuyển của trục rotor

(2) Trong một công trình công bố năm 2008 [10], B Lu và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tham số tuyến tính cho hệ thống

ổ đỡ từ tích cực Mô hình các thông số không ổn định được xác định nhờ mạng nơron nhân tạo Một hàm trọng số không ổn định được gần đúng hóa phục vụ cho việc điều khiển LPV Các thí nghiệm được tiến hành để kiểm chứng tính bền vững của các hệ điều khiển LPV làm việc với dải tốc độ quay khá rộng Cách điều khiển này loại bỏ được đòi hỏi về tuyến tính mở rộng (gain scheduling), đồng thời cho thấy kết quả tốt hơn so với điều khiển PID truyền thống ở tốc độ cao

(3) Cũng trong năm 2008 [11], Z Gosiewski và A Mystkowski công bố nghiên cứu điều khiển bền vững ổ đỡ từ đơn cực Hệ điều khiển bền vững của rung động rotor cứng được thiết kế và kiểm chứng bằng thí nghiệm Một bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) được sử dụng để thực thi giải thuật điều khiển Kết quả thí nghiệm

Trang 34

cho thấy hiệu quả của hệ điều khiển cũng như tính bền vững của bộ điều khiển được thiết kế

(4) Năm 2004 [13], M.O.T Cole và các cộng sự đã đề xuất thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ ổ đỡ từ, trong đó tích hợp các phương pháp điều khiển kháng lỗi (fault-tolerant) Kết quả thí nghiệm thu được trên hệ ổ đỡ từ- rotor mềm cho thấy hiệu quả của hệ thống điều khiển này Một giải thuật điều khiển rung động thích nghi nhằm tối thiểu hóa các thao tác đo rung động bằng cách điều chỉnh biên độ và pha của tín hiệu đồng bộ đi vào điểm nút cộng của vòng lặp điều khiển phản hồi cũng đã được J Shi và các cộng sự phát triển và công bố trong năm này

(5) Năm 2003 [14], J.Y Hung và cộng sự đã thiết kế hệ điều khiển phi tuyến cho ổ

đỡ từ, sử dụng kết hợp các khái niệm tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization)

và lùi theo bước (backstep), triển khai với bộ xử lý tín hiệu số dấu chấm động (floating point) Kết quả cho thấy đáp ứng phản hồi vòng kín (closed-loop response) dễ dàng tinh chỉnh hơn và bộ điều khiển phi tuyến sử dụng dòng điện thấp hơn đáng kể so với một bộ điều khiển tuyến tính do không cần đến các dòng điện phân cực trong các phần

tử điện từ Trong khi đó, M Golob và B Tovornik (2003) ứng dụng bộ điều khiển lôgic mờ cho một hệ thống từ treo đơn giản Bộ điều khiển phân tách PID mờ bao gồm các phần tỷ lệ, tích phân, vi phân riêng biệt và được tinh chỉnh một cách độc lập Kiểm nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ PID phân tách thực thi tốt hơn bộ điều khiển PID tuyến tính truyền thống

(6) Marcio S de Queiroz và Darren M Dawson đã sử dụng một mô hình điều khiển phi tuyến ứng dụng kỹ thuật backstepping để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống AMB [6] Bộ điều khiển này cần phải đo lường được vị trí rotor, tốc độ rotor, và dòng điện stator Tín hiệu dòng điện mong muốn được thiết lập nên để tạo ra lực như mong muốn cho các hệ cơ khí con bằng cách đáp ứng thỏa mãn một phương trình thiết kế tĩnh trong khi cũng vẫn thỏa mãn một số các ràng buộc khác của các bước backstepping Do đó, bộ điều khiển tạo ra được quá trình bám theo vị trí rotor toàn cục dạng hàm mũ

Trang 35

Trang 36

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA AMB

2.1 Giới thiệu chung

Để thiết kế một bộ điều khiển và đưa bộ điều khiển này vào thực tế thì cần thiết phải xây dựng được mô hình toán học mô tả bản chất vật lý của đối tượng cần điều khiển Mô hình của đối tượng dưới dạng toán học được gọi là mô hình danh định và được thể hiện dưới dạng các phương trình toán Từ đây ta nhận thức được rằng mô hình hóa đối tượng dưới dạng các phương trình toán học là công việc hết sức cần thiết trong thiết kế điều khiển Việc mô tả toán học cho đối tượng càng sát với mô hình vật

lý thì việc điều khiển nó càng đạt chất lượng cao như mong muốn, tuy nhiên việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển sẽ trở nên khó khăn và phức tạp hơn nhiều.[17]

Tương tự như các kiểu máy điện khác (nam châm, động cơ xoay chiều), quá trình phân tích mô hình toán học của ABM sẽ dựa trên mạch từ tương đương Việc phân tích này sẽ thực hiện tính toán điện cảm, độ tập trung của từ thông, năng lượng từ tích trữ và lực từ

Trong chương này, các cấu trúc cơ bản, các phân tích và các mô hình toán học của AMB cũng như các cơ cấu chấp hành liên quan sẽ được trình bày cụ thể Các kết quả phân tích sẽ đưa ra được một phép biểu diễn cuối cùng cho hệ thống AMB bốn bậc tự

do

2.2 Các thành phần của mạch vòng điều khiển

Cấu trúc mô tả cho AMB trong hình 2.1 là một bậc tự do Điều khiển này dẫn đến

sự đơn giản hóa đang kể so với một bộ treo từ tính thực tế Bởi lẽ các chuyển động quay và chuyển động ngang không thể được điểu khiển bằng một cơ cấu điện từ và điều khiển đơn kênh mà phải cần có vài cơ cấu điện từ được sắp sếp phức tạp cùng với điều khiển đa kênh Tuy nhiên, để phân tích động học một hệ thống cơ thì trước tiên cần phải hiểu rõ các thuộc tính cơ bản của một hệ thống với một bậc tự do (Degree of Freedom – DOF) Từ đó, việc phân tích và xây dựng một mô hình toán học cho một hệ thống nhiều hơn một bậc tự do sẽ dễ dàng được cấu trúc nên Hình 2.1 mô tả cấu trúc

cơ bản của một vòng điều khiển kín cho AMSBs vói các thành phần cần thiết để cấu

Trang 37

thành nên một hệ thống theo một phương Các thành phần này và chức năng của chúng

sẽ được mô tả sơ bộ dưới đây

Đây là một hệ thống không ổn định cố hữu Sự mất ổn định này là do các lực hấp dẫn của các cơ cấu điện tử Do đó cần thiết phải có một giải pháp điều khiển tích cực đối với mạch từ

Một rotor được treo tự do tại một khoảng cách tiền xác định x0 so với cơ cấu điện

từ Một cảm biến vị trí không tiếp xúc (thường là kiểu cảm biến dòng điện eddy hoặc cảm biến điện cảm) sẽ đo độ sai lệch giữa vị trí giữa mong muốn x0 với vị trí thực của rotor x và cung cấp thông tin này đến bộ điều khiển Mục tiêu chính của bộ điều khiển

là nhằm duy trì vì trí của rotor tại vị trí mong muốn của nó

Điều này không chỉ làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực hấp dẫn Fm được tạo ra với mg a(tích của trọng lượng rotor với gia tốc trọng trường) tại điểm làm việc tĩnh mà còn nhằm đạt được sự ổn định hóa, chính là chất lượng quan trọng nhất của quá trình điều khiển Sau cùng, bộ điều khiển sẽ gửi một tính hiệu điều khiển ví trí đến một bộ khuếch đại công suất Từ bộ khuếch đại công suất này, tín hiệu được chuyển thành dạng dòng điện để đưa đến cuộn dây của cơ cấu điện từ và sau đó sẽ tạo được lực điện

từ Fm như mong muốn Về bản chất, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách thức: khi rotor dịch chuyển đi xuống, cảm biến sẽ cung cấp một tính hiệu dịch chuyển để làm tăng dòng điện điều khiển, lực điện từ gia tăng khi đó kéo theo rotor quay trở lại vị trí danh định của nó

Bộ ĐK

Cơ cấu chấp hành điện từ

Rotor

Trọng lượng rotor mg Lực từ f m

Cơ cấu điện từ (Stator)

Sensor

Bộ biến đổi



Trang 38

Hình 2 1 Các phần tử cơ bản của hệ thống AMB

Bộ khuếch đại công suất và cơ cấu điện từ của AMB là các thành phần phụ thuộc chặt chẽ với nhau Các thuộc tính quan trọng của ổ đỡ từ tính phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế của cả bộ khuếch công suất và cơ cấu điện từ của bộ treo, bao gồm dòng điện

và điện áp bộ khuếch đại, hình dạng của ổ đỡ từ, số vòng dây và điện cảm của cuộn dây [1,2]

2.3 Mạch từ (cơ sở toán học của hệ thống nâng từ trường)

Trong công nghệ treo từ tính, các phần tử điện từ gây ra từ thông khép kín trong một mạch vòng từ Khi phân tích những mạch vòng từ như vậy việc tính toán chính xác từ trường thường là không khả thi và không thực sự cần thiết [2].Thông thường các phương pháp phân tích xấp xỉ hóa dựa vào một số giả thiết chẳng hạn như: từ thông khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ (không có từ thông thăm dò), ngoại trừ trong khe hở không khí, từ thông là đồng nhất trong lõi sắt và khe hở không khí Vì độ thẩm từ của vật liệu sắt từ    0 r, lớn hơn rất nhiều so với độ thẩm từ trong không khí, các đường đi của từ trường khi rời khỏi vật liệu sắt từ gần như vuông góc với bề mặt của nó

Hình 2.2 thể hiện một cơ cấu điện từ được dùng để treo một lõi sắt từ hình chữ I bằng một lực từ Lõi sắt từ hình chữ C có tiết diện A fe Đường đi chính của từ thông được mô tả bởi đường nét liền khép kín qua lõi sắt chữ C và chữ I Cuộn dây trên cơ cấu điện từ có số vòng dây là N Dòng điện tức thời có giá trị là I Độ dài khe hở không khí tại vị trí danh định là s

Trang 39

Hình 2 2: Mạch từ

S fe: Tiết diện mặt cắt lõi sắt hình chữ C

S a :Tiết diện mặt cắt trong khe hở không khí

x0 : Độ dài khe hở không khí ở vị trí danh định

N : Số vòng dây của cuộn dây trên cơ cấu điện từ

i : Dòng điện tức thời

l fe 2x0: Chiều dài trung bình đường đi từ trường

Để tính toán mật độ từ thông B, một số giả thiết sau đây được đưa ra: Từ thông chỉ chạy hoàn toàn trong vòng từ kín Tiết diện mặt cắt của vật liệu sắt từ A fecùng được giả thiết là không đổi trên toàn bộ vòng từ khép kín và bằng tiết diện mặt cắt trong khe hở không khí Aa Từ công thức:

Trang 40

Khi mật độ từ thông B trong lõi sắt từ và khe hở không khí là nhƣ nhau, thay thế (2.4) vào trong (2.3) ta có:

C I

r r

Ni B

2

Ni B

r r

S Ni Ni

l

x S

DC trong mạch điện Sự khác biệt chính đó là từ trở là một thành phần tích trữ năng lƣợng chứ không phải là thành phần tiêu tán năng lƣợng Nguồn DC – Ni biểu diễn MMF do dòng điện trên cuộn dây sinh ra

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	1,69 MB