tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế bộ điều KHIỂN HIỆN đại CHO hệ THỐNG VÒNG BI từ CHỦ ĐỘNG

Các vòng bi từ chỉ thực sự phổ biến cho đến những năm cuối thể kỷ 20 bởi một số lý do: tốc độ tính toán thời gian thực và chức năng ngoại vi của các bộ xử lý số bịhạn chế; các bộ điều ch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Phản biện 1 : TS Trần Xuân Minh

Phản biện 2 : TS Nguyễn Văn Vỵ

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng caohọc số 2, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 7 giờ 30 phút ngày tháng 12 năm 2011

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Lợi ích của công nghệ truyền động tốc độ cao thay thế cho các máy móc truyềnthống đang ngày càng gia tăng về số lượng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau.Các máy chuyển động có công suất ngày càng cao hơn, hiệu suất tốt hơn, kích thướcđược thiết kế nhỏ gọn hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn Ngoài ra, các giải pháp điềukhiển hiện đại được áp dụng nhằm cung cấp chất lượng làm việc tốt hơn, các chỉ tiêu

kỹ thuật được đáp ứng ổn định hơn, tối ưu hơn Công nghệ vòng bi từ chính là mộttrong những công nghệ triển vọng hứa hẹn đem lại nhiều đột phá trong tương lai Các vòng bi từ chỉ thực sự phổ biến cho đến những năm cuối thể kỷ 20 bởi một

số lý do: tốc độ tính toán thời gian thực và chức năng ngoại vi của các bộ xử lý số bịhạn chế; các bộ điều chỉnh dòng điện, các bộ nghịch lưu và các thiết bị cảm biến có giáthành cao; bài toán treo từ tính yêu cầu cần phải có nền tảng về cả kỹ thuật điện và cơkhí; các phương pháp điều khiển hiện đại chưa tiếp cận đến…Tuy nhiên, bước vào thế

kỷ 21, các vấn đề trên đều được giải quyết Với sự phát triển nhanh chóng của khoahọc và công nghệ, các bộ biến đổi A/D, các bộ tính toán PWM… đều được tích hợpsẵn trên các bộ vi xử lý số tốc độ cao, các bộ FPGA Giá thành của các bộ nghịch lưu

và các thiết bị cảm biến giảm xuống đáng kể

Mặc dù hứa hẹn nhiều triển vọng sáng lạng cho các ứng dụng khác nhau và đang

là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng, vòng bi từ mới chỉ được quan tâm đến trongthời gian gần đây tại Việt Nam Trong luận văn này, trọng tâm chính được tác giảhướng đến đó là thiết kế một giải pháp điều khiển hiện đại cho vòng bi từ 4 bậc tự do

Do thời gian thực hiện và lượng kiến thức về vấn đề nghiên cứu còn nhiều hạn chế,bản luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót Tác giả rất mong muốnnhận được những ý kiến đóng góp từ các Thầy, các bạn đồng nghiệp và các học viênkhác

Trần Lục Quân

Thái nguyên Tháng 11, năm 2011

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VÒNG BI TỪ CHỦ ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chung.

Các vòng bi từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà khôngcần có tiếp xúc cơ học 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 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 và các đặc tính động có thể điều chỉnh được.Các vòng bi từ có khả năng đáp ứng khả năng chịu tải lớn bằng cách tối ưu hóa hệthống và các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí của ổ đỡ, từ thông bãohòa của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lượng vòng dây trên các cực từ vàcông suất bộ khuếch đại Các vòng bi từ có thể cho phép làm việc trong các môitrường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và chân không[1, 2, 6]

Ứng dụng của công nghệ đỡ từ đã trải qua một sự phát triển rõ rệt trong khoảng

ba thập kỷ qua Rất nhiều các nghiên cứu quan trọng đã được tiến hành bao trùm lêntất cả các lĩnh vực liên quan đến vòng bi từ Cho đến nay, những nhận thức trọng tâmtrong thiết kế các vòng bi từ đã có những bước tiến rõ rệt và việc ứng dụng các vòng bi

từ vào các ứng dụng thực tiễn đã vượt ra ngoài những mong muốn ban đầu Các ứngdụng quan trọng của các vòng bi 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 nghệrobot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm việc ngoài không gian, các hệ thốngbánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly rung động [1, 2]

1.2 Lịch sử phát triển.

Phát minh sớm nhất liên quan vòng bi từ tích cực được cấp cho Jesse Beams tạitrường Đại học Virginia trong thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ II [3] Sáng chế này ứngdụng cho quá trình siêu ly tâm để phục vụ cho công đoạn tinh luyện trong sản xuất quảbom nguyên tử đầu tiên Tuy nhiên, công nghệ lúc đó chưa đủ lớn mạnh cho đến khixuất hiện các công nghệ tiên tiến về điện tử bán dẫn và điều khiển bằng máy tính, cùngvới những nghiên cứu của Habermann và Schweitzer Cho đến năm 1988, chỉ có mộtvài viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu các vòng bi từ[5]

Tính đến năm 2008, ISMB đã trải qua 20 năm phát triển với 11 hội nghị khoahọc quốc tế được tổ chức, và đã có một số những đánh giá cụ thể về lịch sử phát triểncủa AMB được thực hiện [4, 5] Các vòng bi từ sẽ tiếp tục là mối quan tâm lớn của cácnhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật Các ứng dụng sẽ còn phát triển mạnh trong nhiềucác lĩnh vực khác trong vòng 20 năm tới.

1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các vòng bi 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 treo từtính một trục được thể hiện như trong hình vẽ 1.1 Kích thích của cuộn dây sẽ tạo ralực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật Khi đó đối tượng sẽ được giữ tự dotheo phương thẳng đứng

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 Độ tập

Hình 1.1[1]: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống treo từ tính

Hình 1.2[1]: Chức năng cơ bản của một vòng bi từ chủ động:

Treo rotor theo phương thẳng đứng

trung từ thông cực đại trong khe hở không khí sẽ quyết định độ lớn của lực trong phầnđiện từ Độ tập trung từ thông lớn sẽ tạo ra lực từ lớn

Hình vẽ 1.2 giới thiệu các thành phần chính và diễn giải chức năng của một vòng

bi 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 treocũng như là độ cứng và độ tắt dần của quá trình treo này

1.3.2 Phân loại các kiểu treo từ tính

Nằm trong nhóm phân loại này gồm có các bộ treo từ loại 1 đến loại 4 Loại 1được gọi là các bộ treo lực từ trở tích cực Loại 2 là các bộ treo dùng mạch LC Mạch

LC được cấu trúc bởi điện cảm của cuộn dây treo điện từ và một tụ điện Loại 3 là loại

từ trường vĩnh cửu (μ r >> 1) có cấu trúc tĩnh và không thể ổn định hóa vị trí của vật thể

treo Các thiết bị theo loại 4 dựa vào thuộc tính rất đặc biệt của vật liệu, μ r = 0 Chỉ cónhững vật liệu có thuộc tính như vậy mới được gọi là vật liệu siêu dẫn

Trường hợp thứ hai trong phân loại các kiểu treo từ tính được gọi là lực điện từ(hay là lực Lorentz) Lực này do trường điện từ tác động lên các hạt mang điện tíchgây nên Lực tạo ra vuông góc với các đường từ thông, độc lập với khe hở không khí

và phụ thuộc tuyến tính với dòng điện (ta giả thiết ở đây là từ thông cũng không phụthuộc vào dòng điện) Dựa trên lực Lorentz, các kiểu treo từ tính lại được chia ra làm 4

loại khác nhau dựa trên dòng điện i [2].

1.4 Vòng bi từ tích cực và các ứng dụng nổi bật

Sau gần 30 năm kể từ khi bắt đầu được ứng dụng, các vòng bi từ chủ động(Active Magnetic Bearings - AMB) được dùng nhiều hơn so với các vòng bi từ thụđộng (Passive Magnetic Bearings - PMBs)

1.4.1 Các cấu trúc cơ bản của AMB

Hình 1.4(a, b) trình bày một cấu trúc treo từ tính theo hai phương Trong hình1.4(a), trục động cơ nằm trong lõi của rotor Trong khi tại hình 1.4(b), trục động cơ bịloại bỏ ra khỏi cấu trúc

Hình 1.4: Vòng bi từ chủ động theo hai phương:

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

Hình 1.5(a, b, c và d) thể hiện mặt cắt ngang của một số cấu trúc treo tích cựctheo năm phương Hai bộ treo được dùng để tạo ra các lực hướng kính theo bốnphương Một bộ treo từ chặn là để định vị tích cực hướng trục trên phương thứ năm

Hình 1.7: Động cơ sử dụng AMB Hình 1.5: Các kiểu vòng bi 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

1.4.2 Những đặc trưng cơ bản của AMB

 Không tiếp xúc, và không còn hệ thống bôi trơn và lớp chống bụi bẩn

 Khoảng cách giữa rotor và ổ đỡ thường là rất bé.

 Rotor có thể cho phép quay ở các tốc độ cao

 Tổn thất trong ổ đỡ thấp

 Khả năng chịu tải cụ thể

 Động lực học của quá trình treo không tiếp xúc phụ thuộc chủ yếu vào luật

điều khiển được áp dụng

 Bù mất cân bằng và quay tự do

 Độ chính xác

 Chi phí bảo dưỡng thấp hơn và tuổi thọ làm việc dài hơn

1.4.3 Các công nghệ liên quan

Công nghệ điện tử công suất đã có sự đóng góp to lớn đến sự phát triển của cảđộng cơ treo từ tính và động cơ không ổ đỡ Với sự góp mặt của các thiết bị điện tửcông suất có tần số đóng cắt cao như IGBT và MOFET thì việc điều khiển dòng điệntức thời là hoàn toàn có thể Xử lý tín hiệu số cũng có những bước tiến rõ rệt trongnhững năm vừa qua Điều này khiến cho tốc độ tính toán được tăng lên rất cao trongkhi giá thành lại giảm đi Có thể nhận thấy rằng treo từ tính yêu cầu khoảng thời giantrích mẫu khá nhỏ so với truyền động động cơ Các bộ điều khiển dựa trên lý thuyếtđiều khiển vector cung cấp khả năng điều chỉnh momen tức thời cũng như là điềuchỉnh từ trường quay

1.5 Các ứng dụng tiêu biểu

 Các hệ thống chân không và không gian sạch

 Các máy công cụ

Hình 1.8: Truyền động không ổ đỡ

 Máy gia tốc

 Các thiết bị y tế

 Các bộ treo siêu dẫn

1.6 Một số các nghiên cứu liên quan hiện nay

1.6.1 Các nghiên cứu ở trong nước

 Nghiên cứu ứng dụng

 Nghiên cứu thu gọn kích thước

 Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt

 Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại

Tuy nhiên, trong khuôn khổ của cuốn luận văn này, tác giả chỉ hướng sự quan

tâm chính đến những nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại cho AMB.

Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại cho các đối tượng AMBkhi có kể đến các yếu tố phi tuyến đã được công bố trong các tài liệu [8 – 11] Kết quả

từ những công bố này cho thấy những thành công nhất định

1.6.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Các tác giả Russell D Smith và William F Weldon đã trình bày trong nghiêncứu [12] một phương pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo từ tính rotor cứng.Thông qua các kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi và điều khiển trượt, các tác giả đã cấutrúc nên một luật điều khiển phi tuyến có thể duy trì trục rotor ở vị trí trung tâm Một mô hình toán học của hệ thống AMB với đầu vào điện áp và đầu vào dòngđiện ở dạng tiền định đã được Abdul R Husain, Mohamad N Ahmad và Abdul H M.Yatim phát triển và trình bày trong tài liệu [13]

Marcio S de Queiroz và Darren M Dawson đã sử dụng một mô hình điều khiểnphi tuyến ứng dụng kỹ thuật backstepping để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệthống AMB [14] John Y.Hung, Nathaniel G Albrinton và Fan Xia (2003) đã thiết kếmột hệ điều khiển phi tuyến cho ổ đỡ từ Thiết kế này phối hợp các khái niệm tuyếntính hóa phản hồi (feedback linearization) và “cuốn chiếu” (backstepping)[15]

Ngoài ra, trong một số các nghiên cứu khác gần đây [19-20], các tác giả cũng đã

đề xuất một hướng tiếp cận mới để điều khiển các bộ AMB Giải pháp điều khiển tậptrung dựa trên MHTT được áp dụng cho đối tượng MIMO

CHƯƠNG 2

MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA AMB

2.1 Giới thiệu chung

Tương tự như các kiểu máy điện khác, việc phân tích mô hình toán học của AMB

sẽ dựa trên mạch từ tương đương Việc phân tích này sẽ thực hiện tính toán điện cảm,

độ tập trung từ thông, năng lượng từ tích trữ và lực từ

2.2 Các thành phần của mạch vòng điều khiển

Hình 2.1 mô tả cấu trúc cơ bản của một vòng điều khiển kín cho AMB với cácthành phần cần thiết để cấu thành nên một hệ thống AMB theo một phương Các thànhphần này và chức năng của chúng sẽ được mô tả sơ bộ dưới đây

Bộ khuếch đại công suất và cơ cấu điện từ của AMB là các thành phần phụ thuộcchặt chẽ với nhau Các thuộc tính quan trọng của AMB, chẳng hạn như động lực họccủa lực phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế của cả bộ khuếch đại công suất và cơ cấu điện

từ của AMB, bao gồm dòng điện và điện áp bộ khuếch đại, hình dạng của vòng bi từ,

số vòng dây và điện cảm của cuộn dây [1, 2]

(2.2)

Hình 2.1: Các phần tử cơ bản trong hệ thống

AMB

g A

a

N A L

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

Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong biểu thức (2.16) ở dạng bìnhphương cho thấy đây là mối quan hệ phi tuyến Lực điện từ có thể được viết dưới dạngtuyến tính hóa như sau [1, 2], [23]:

Động lực học của rotor cứng quan tâm đến các thuộc tính về hệ cơ của AMB.Điều này sẽ dẫn ra các phương pháp đối với việc khảo sát toán học, và sẽ chỉ ra cácđặc tính và các giới hạn vật lý trên đáp ứng của chúng.

2.5.1 Cấu trúc của bộ AMB được khảo sát

Hệ thống bao gồm 2 bộ AMB được bố trí ở hai đầu của trục động cơ Phần chínhgiữa là rotor của động cơ Hai bộ AMB sẽ gồm có hai rotor, là phần chuyển động.Tương ứng cho hai phần rotor của AMB là hai phần stator, là phần tĩnh

2.5.2 Các phương trình động lực học của hệ thống AMB

2.5.2.1 Hệ thống hai bậc tự do (hai phương)

Nếu bỏ qua độ uốn cong của trục, ta có các phương trình vi phân mô tả sự cânbằng momen của chuyển động như sau [1], [24]:

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO AMB 3.1 Mô hình không gian trạng thái của AMB 4 DOF

3.1.1 Phép biểu diễn phương trình vi phân ma trận

Hệ phương trình vi phân (2.58) biểu diễn cho các chuyển động tịnh tiến vàchuyển động nghiêng của 2 bộ AMB 4 DOF có thể thể hiện dưới dạng phương trình viphân ma trận tổng quát như sau:

f

Mq&&=Gq&+Dq+B F (3.1)

Kết hợp các thành phần mô tả cho mô hình rotor (3.1a, b, c) và phép biểu diễn lựcnâng tuyến tính hóa (3.2) ta có được phương trình vi phân ma trận của chuyển độngcho rotor cứng được nâng bởi các bộ AMB:

Mq && = Gq & + Dq + B - K q + K i (3.3a)

3.1.2 Phép biểu diễn mô hình không gian trạng thái

Mô hình không gian trạng thái của toàn hệ thống AMB 4 DOF sẽ là:

3.2 Tính điều khiển được và tính quan sát được

Kalman đã đưa ra các khái niệm về điều khiển được và quan sát được Các kháiniệm này đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế các hệ thống điều khiển trongkhông gian trạng thái, chẳng hạn như ổn định hóa các hệ thống mất ổn định bằng điềukhiển phản hồi, điều khiển các hệ thống đa biến Trên thực tế, các điều kiện cho tínhđiều khiển được và quan sát được có thể kiểm soát sự tồn tại của một giải pháp hoànchỉnh cho bài toán thiết kế hệ thống điều khiển Lời giải cho bài toán này có thể khôngtồn tại nếu hệ thống được xem là không thể điều khiển được Mặc dù hầu hết các hệ

thống vật lý là điều khiển được và quan sát được, nhưng các mô hình toán học tươngứng có thể không sở hữu các thuộc tính của tính điều khiển được và tính quan sátđược Do vậy, cần thiết phải biết được các điều kiện để một hệ thống có thể điều khiểnđược và quan sát được [26], [29].

3.3 Thiết kế điều khiển phản hồi

3.3.1 Điều khiển tách kênh động bằng phương pháp Falb-Wolovich

Xét một hệ thống MIMO tuyến tính tổng quát mô tả bởi mô hình không gian trạng thái(MHTT) như sau [25]:

L

(3.11)

Các phương trình trên được gọi là xen kênh, khi mỗi một đầu vào đều làm ảnh hưởng đến tất cả các đầu ra Hệ thống (3.9) được tách kênh động nếu như ma trận hàm truyền của nó G(s) là một ma trận đường chéo và khả nghịch, nghĩa là:

Một hệ thống như vậy có thể được xem như là bao gồm m các hệ con độc lập.

Để thu được một hệ thống có dạng tổng quát như (3.12), ta áp dụng luật điều khiển:

và ma trận hàm truyền có dạng: H s ( ) = C sI ( - A BK + )-1BF (3.15)

Do vậy, tách kênh bằng phương pháp phản hồi trạng thái yêu cầu phải tìm được các

ma trận điều khiển K và F để H(s) có dạng ma trận đường chéo và khả nghịch

Trước hết, ta phải đi tìm bậc tối thiểu của mô hình (3.9) [22], [25]:

Ta đặt C = ê é ë c1T c2T K cm Tù ú ûT với c ii, = 1, 2, , K mlà vector hàng thứ i của ma

trận C và định nghĩa các số nguyênsi, i = 1, 2, , K m là vector bậc tối thiểu của (3.9):

Định lý 3.3.1[25]: Tồn tại một luật điều khiển có dạng (3.11) để tách kênh hệ thống

(3.9), khi và chỉ khi ma trận B * là khả nghịch Khi đó, bằng cách lựa chọn:

3.3.2 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái

Ta xem xét hệ thống sau khi đã tách kênh được biểu diễn bằng MMTH [26]: