Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục

Các đặc điểm vượt trội hơn các loại động cơ khác như hiệu suất, cos φ cao; tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp; không bị hao mòn, ma sát rất nhỏ do dùng ổ từ; có khả năng tăng công suất khi

LỜI CAM ĐOAN

Bằng kiến thức đã học được và sự giúp đỡ tận tình của TS Nguyễn Quang Địch giảng viên tại Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi đã cố gắng hết sức để hoàn thành đúng thời hạn và mục tiêu đặt ra Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn hẹp, việc tìm tài liệu khó khăn và thời gian có hạn nên chắc chắn có sai sót Tôi mong các thầy, cô trong Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ sẽ góp ý để tôi hoàn thiện tốt

đề tài này

Tôi xin cam kết luận văn này là do tôi thực hiện, các kết quả nghiên cứu đều được đánh giá một cách khách quan và chính xác Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng nếu như có vấn đề về bản quyền tác giả Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 15 tháng 04 năm 2016

Tác giả

Ngô Đông Hải

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Lịch sử nghiên cứu 2

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ [1] 5

1.1.1 Giới thiệu chung về ổ từ 5

1.1.2 Phân loại ổ từ 6

1.1.2.1 Phân loại theo cách bố trí ổ từ 6

1.1.2.2 Phân loại theo nguyên lý 7

1.1.3 Ứng dụng của ổ từ 10

1.1.3.1 Ứng dụng trong môi trường đặc biệt đòi hỏi độ vô trùng cao 10

1.1.3.2 Ứng dụng trong môi trường yêu cầu tốc độ cao 11

1.1.3.3 Ứng dụng trong môi trường đòi hỏi ma sát nhỏ 13

1.1.3.4 Ứng dụng trong môi trường nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp 13

1.1.3.5 Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải 14

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC [5,6] 15 1.2.1 Cấu tạo chung của động cơ đồng bộ có sử dụng ổ từ 15

1.2.2 Cấu tạo của động cơ đồng bộ từ trường dọc trục (động cơ đồng bộ tự nâng khe hở dọc trục) 18

CHƯƠNG II MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 21

2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO ĐỘNG CƠ [2,3,4] 21

2.2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ [5,6] 28

2.2.1 Giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển PID [9] 32

2.2.2 Cấu trúc điều khiển theo luật vô hướng (SCALAR) 37

2.2.3 Cấu trúc điều khiển vector 39 CHƯƠNG III MÔ PHỎNG VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 50 3.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 50 3.1.1 Xây dựng mô hình 50 3.1.2 Kết quả mô phỏng 54 3.2 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 60 3.2.1 Đặt vấn đề 60 3.2.2 Xây dựng hệ điều khiển sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc 62 3.2.3 Cải thiện chất lượng điều khiển ổ từ (AMB) bằng điều khiển PD bù trọng trường 76 3.2.4 Đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PD bù trọng trường theo tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch 88 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số kiểu vòng bi cơ 5

Hình 1.2 Hình ảnh về ổ từ 6

Hình 1.3 Cấu tạo của ổ từ ngang trục 7

Hình 1.4 Cấu của ổ từ dọc trục 7

Hình 1.5 Ổ từ thụ động 8

Hình 1.6 Cấu trúc của ổ từ chủ động 10

Hình 1.7 Cấu tạo của thiết bị hỗ trợ bơm tim nhân tạo 10

Hình 1.8 Bơm phân tử tua – bin 11

Hình 1.9 Máy nén dạng ống 12

Hình 1.10 Máy phát tua - bin khí dùng ổ từ 12

Hình 1.11 Hệ thống nguồn dự phòng UPS 13

Hình 1.12 Máy nén khí hóa lỏng 14

Hình 1.13 Tàu điện trên cao hoạt động dựa vào lực từ 14

Hình 1.14 Nguyên lý hoạt động của tàu điện 15

Hình 1.15 Cấu trúc điển hình của động cơ đồng bộ dùng ổ từ 15

Hình 1.16 Cấu trúc hệ tích hợp ổ từ ngang trục với động cơ 16

Hình 1.17 Cấu trục hệ tích hợp ổ từ dọc trục với động cơ 17

Hình 1.18 Cấu tạo động cơ đồng bộ từ trường dọc trục 18

Hình 1.19 Rotor cực ẩn 19

Hình 1.20 Rotor cực lồi 19

Hình 1.21 Stator động cơ tự nâng 19

Hình 2.1 Biển diễn các đại lượng vector trên hệ tọa độ d,q 21

Hình 2.2 Sơ đồ khối của mô hình toán học động cơ đồng bộ từ trường dọc trục 27

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID 28

Hình 2.4 Đặc tính tần số của khâu tỉ lệ 29

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp có khâu tỉ lệ 30

Hình 2.6 Đáp ứng của khâu tỉ lệ P 30

Hình 2.7 Đặc tính tần số của khâu tích phân 32

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp có khâu tích phân 32

Hình 2.9 Đáp ứng của khâu tích phân I và tích phân tỉ lệ PI 33

Hình 2.10 Đặc tính tần số của khâu vi phân 34

Hình 2.11 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp có khâu vi phân 35

Hình 2.12 Đáp ứng của khâu vi phân D và vi phân tỉ lệ PD 35

Hình 2.13 Biểu đồ Bode của khâu hiệu chỉnh PID 37

Hình 2.14 Đáp ứng của khâu tỉ lệ P, tích phân tỉ lệ PI và PID 37

Hình 2.15 Cấu trúc điều khiển vô hướng 38

Hình 2.16 Mô hình điều khiển cho động cơ đồng bộ từ trường dọc trục 40

Hình 2.17 Mạch vòng điều khiển dòng riêng biệt 42

Hình 2.18 Mô hình Simulink của bộ điều khiển dòng PI 43

Hình 2.19 Sơ đồ khối vòng điều khiển vị trí dọc trục 44

Hình 2.20 Mô hình Simulink cho bộ điều khiển vị trí dọc trục 46

Hình 2.21 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ 47

Hình 2.22 Mô hình Simulink của bộ điều khiển tốc độ PI 49

Hình 3.1 Mô hình động cơ đồng bộ từ trường dọc trục 51

Hình 3.2 Cấu trúc của khối Electrical Model 52

Hình 3.3 Khối chuyển đổi điện áp 52

Hình 3.4 Mô hình hệ thống 53

Hình 3.5 Khối PWM inverter 54

Hình 3.6 Khối so sánh 54

Hình 3.7 Đáp ứng của độ dịch chuyển khi tốc độ bằng 0 54

Hình 3.8 Đáp ứng của tốc độ khi độ dịch chuyển z = 0 55

Hình 3.9 Ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ lên đáp ứng của z 55

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thay đổi z lên đáp ứng tốc độ 56

Hình 3.11 Đáp ứng tốc độ và vị trí dọc trục khi đóng tải ở 0.5s 57

Hình 3.12 Đặc tính momen và lực hút dọc trục khi đóng tải ở 0.5s 58

Hình 3.13 Đặc tính dòng điện 3 pha động cơ 59

Hình 3.14 Đặc tính dòng i i q, d 59

Hình 3.15 Mô hình điều khiển PID cho mô hình tuyến tính xung quanh điểm làm

việc của ổ từ 63

Hình 3.16 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương x1 68

Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ từ 68

Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ổ từ với hai mạch vòng điều khiển 69

Hình 3.19 Bộ điều khiển vị trí 69

Hình 3.20 Bộ điều khiển dòng điện 70

Hình 3.21 Mô hình ổ từ 70

Hình 3.22 Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ từ 1 theo phương x 71

Hình 3.23 Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ từ 1 theo phương y 71

Hình 3.24 Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ từ 2 theo phương x, y 71

Hình 3.25 Dòng điện điều khiển được tính toán từ vòng điều khiển vị trí 72

Hình 3.26 Điện áp điều khiển được tính toán từ vòng điều khiển dòng điện 73

Hình 3.27 Nhiễu tác động, đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ từ 1 và 2 74 Hình 3.28 Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y có tác động xen kênh với bộ điều khiển PID: a) Ổ từ 1; b) Ổ từ 2 75

Hình 3.29 Cấu trúc điều khiển PD bù trọng trường 76

Hình 3.30 Điều khiển PD bù trọng trường cho ổ từ 76

Hình 3.31 Cấu trúc điều khiển PD bù trọng trường từ công thức (3.15) 77

Hình 3.32 Mô hình hệ kín với bộ điều khiển PD bù trọng trường 80

Hình 3.33 Mô hình điều khiển cho dòng ix1 81

Hình 3.34 Mô hình điều khiển cho dòng iy1 81

Hình 3.35 Mô hình điều khiển cho dòng ix2 81

Hình 3.36 Mô hình điều khiển cho dòng iy2 82

Hình 3.37 Mô hình hệ ổ từ bốn bậc tự do 82

Hình 3.38 Khối tín hiệu đặt 83

Hình 3.39 Khối tính sai lệch 83

Hình 3.40 Khối tính đạo hàm sai lệch 83

Hình 3.41 Khối tính đạo hàm của tín hiệu đặt 84

Hình 3.42 Khối tính đạo hàm bậc hai của tín hiệu đặt 84

Hình 3.43 Đáp ứng dịch chuyển theo phương x và y của ổ từ 1 84

Hình 3.44 Đáp ứng dịch chuyển theo phương x và y của ổ từ 2 85

Hình 3.45 Dòng điện điều khiển được tính toán từ vòng điều khiển vị trí 85

Hình 3.46 Đáp ứng dịch chuyển theo phương x và y của ổ từ 1 86

Hình 3.47 Đáp ứng dịch chuyển theo phương x và y của ổ từ 2 86

Hình 3.48 Tác động xen kênh của ổ từ 1 theo phương x và y đã bị loại trừ 87

Hình 3.49 Tác động xen kênh của ổ từ 2 theo phương x và y đã bị loại trừ 87

y tế động cơ đồng bộ dùng ổ từ tạo truyền động cho dây chuyền điều chế thuốc; bơm làm mát cho các bộ phát tia laser; ứng dụng trong công nghệ thực phẩm; máy phát tua–bin Các đặc điểm vượt trội hơn các loại động cơ khác như hiệu suất, cos

φ cao; tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp; không bị hao mòn, ma sát rất nhỏ do dùng ổ từ; có khả năng tăng công suất khi tăng thêm các stator và rotor gắn trên trục động cơ…

Chất lượng của một hệ truyền động phụ thuộc rất nhiều vào động cơ tạo nên truyền động đó Cần phải tạo ra một hệ truyền động có khả năng thay đổi tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh ở chế

độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng phải đạt được độ ổn định cao và hệ phải có khả năng đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh Tất cả những điều này thực sự đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắt khe hơn cho các hệ thống truyền động; đặc biệt yêu cầu điều khiển thông minh, nhanh gọn ở động cơ đồng bộ sẽ được đề cao hơn rất nhiều Đáp ứng ngay các yêu cầu đó là một loạt các giải thuật điều khiển động cơ đồng bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện như: Phương pháp điều khiển vector; Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control - DTC); Điều khiển tựa theo từ thông (Field Orientated Control - FOC); Phương pháp điều khiển vô hướng (điều khiển V/f = const) Trong đó, phương pháp điều khiển vector với ưu điểm sẽ cho phép điều khiển từ thông và momen hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng hoặc giá trị tức thời của áp; điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của từ thông và momen trong quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập đã tạo nên điểm riêng của

2

phương pháp này và đã được ứng dụng nhiều trong bộ điều khiển động cơ đồng bộ Chính vì tất cả những ưu điểm nổi bật, phương pháp điều khiển cũng như tính thông minh, chính xác khi đem ứng dụng động cơ đồng bộ vào các hệ truyền động; Và các yêu cầu cần được đáp ứng, giải quyết nên tác giả đã quyết định chọn đề tài:

“Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục” làm đề tài bảo vệ tốt nghiệp Với mục đích nghiên

cứu, tìm giải pháp để nâng cao chất lượng của hệ truyền động thông qua tìm hiểu điều khiển động cơ đồng bộ từ trường dọc trục

2 Lịch sử nghiên cứu

Ngày nay, với xu thế phát triển khoa học kỹ thuật nói chung và của ngành tự động hóa nói riêng việc nghiên cứu, chế tạo những hệ thống thiết bị mới và hiện đại

có ứng dụng vào thực tiễn là một yêu cầu cấp thiết và quan trọng Động cơ dùng ổ

từ từ trường dọc trục là một trong những hệ thống như vậy, chúng được ra đời từ lâu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết khi nảy sinh những vấn đề mà ổ bi cơ gây ra Đó là việc bôi trơn dầu mỡ , ma sát do tiếp xúc cơ khí khiến ổ bi cơ có hạn chế lớn trong những điều kiện môi trường đặc biệt yêu cầu vô trùng, hay môi trường có nhiệt độ quá thấp và quá cao Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống điều khiển cho các ổ từ và động cơ tích hợp ổ từ đã đem lại những kết quả rất khả quan, đó cũng là nhân tố khiến cho ổ từ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau Và để khẳng định tính quan trọng, hiệu quả của ổ từ đó

tác giả một lần nữa khẳng định chọn đề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục” để nói về

ứng dụng của ổ từ trong động cơ đồng bộ từ trường dọc trục là hoàn toàn đúng đắn

và cần thiết

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích chính của đề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục” là tìm hiểu động cơ đồng

bộ từ trường dọc trục Nghiên cứu cách điều khiển động cơ đồng bộ từ trường dọc

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Bản luận văn được trình bày gồm bốn chương với các nội dung cụ thể như sau: Chương I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Tổng Quan Về Ổ Từ

1.1.1 Giới thiệu chung về ổ từ

1.1.2 Phân loại ổ từ

1.1.2.1 Phân loại theo cách bố trí ổ từ

1.1.2.2 Phân loại theo nguyên lý

1.1.3 Ứng dụng của ổ từ

1.1.3.1 Ứng dụng trong môi trường đặc biệt đòi hỏi độ vô trùng cao

1.1.3.2 Ứng dụng trong môi trường yêu cầu tốc độ cao

1.1.3.3 Ứng dụng trong môi trường đòi hỏi ma sát nhỏ

1.1.3.4 Ứng dụng trong môi trường nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp

1.1.3.5 Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải

1.2 Tổng Quan Về Động Cơ Đồng Bộ Từ Trường Dọc Trục

1.2.1 Cấu tạo chung của động cơ đồng bộ có sử dụng ổ từ

1.2.2 Cấu tạo của động cơ đồng bộ từ trường dọc trục

Chương II MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC

4

2.1 Xây Dựng Mô Hình Toán Học Cho Động Cơ

2.2 Xây Dựng Cấu Trúc Điều Khiển Cho Động Cơ

2.2.1 Giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển PID

2.2.2 Cấu trúc điều khiển theo luật vô hướng (SCALAR)

2.2.3 Cấu trúc điều khiển vector

Chương III MÔ PHỎNG VÀ NÂNG CAO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG

Chương IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

5 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các vấn đề nêu trên mục 3 ta đi theo phương pháp nghiên cứu: Phân tích từ tổng quan về động cơ đồng bộ; tới chi tiết cụ thể về động cơ đồng bộ từ trường dọc trục Chi tiết về định nghĩa, cấu tạo, phân loại và cách điều khiển động

cơ có tính toán, mô phỏng kiểm chứng

Nguồn kiến thức sẽ được tìm kiếm, nghiên cứu qua tài liệu, sách giáo khoa, trên web các trang thông tin thế giới đã nghiên cứu Trao đổi học thuật với các chuyên gia, tham gia trình bày trong các buổi chuyên đề

5

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ [1]

1.1.1 Giới thiệu chung về ổ từ

Như chúng ta đã biết tất cả các động cơ nếu muốn hoạt động bình thường đều cần phải có một hệ thống ổ đỡ Hệ thống này có tác dụng nâng đỡ trục động cơ và rotor, giúp rotor quay trơn trong stator Các ổ đỡ cơ khí cổ điển thường có kết cấu kiểu vòng bi như hình 1.1

Hình 1.1 Một số kiểu vòng bi cơ

Việc sử dụng vòng bi cơ để đỡ rotor động cơ vẫn tồn tại một số nhược điểm như: vẫn có ma sát bên trong vòng bi gây tổn thất năng lượng, khi yêu cầu bảo dưỡng và tra dầu mỡ thường xuyên sẽ gặp khó khăn Cụ thể khi động cơ làm việc trong những môi trường đặc biệt như: nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp, môi trường chân không, môi trường đòi hỏi tuyệt đối sạch sẽ thì việc bảo trì các vòng bi cơ là

vô cùng khó khăn và tốn kém Hơn nữa việc bôi trơn trong các dây truyền sản xuất thức ăn sẽ rất mất vệ sinh, tương tự trong các thiết bị y tế cũng không đảm bảo vô trùng Điều đặc biệt là sử dụng vòng bi cơ làm cho động cơ bị hạn chế về tốc độ khiến chất lượng hệ truyền động không cao

Nhằm khắc phục những nhược điểm của vòng bi cơ thì hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về việc thay thế các vòng bi cơ trong động cơ điện và một trong những phương pháp thành công nhất là ổ từ Các vòng bi cơ sẽ được thay thế bằng một ổ tròn bên trong gắn các cuộn dây nam châm điện và rotor được nâng bởi lực từ trường do các nam châm điện sinh ra như hình 1.2 Ổ từ sử dụng lực từ để nâng ổn định rotor do vậy sẽ cho phép hoạt động mà không có ma sát hay sự bào mòn, dẫn

6

đến không cần tra dầu mỡ Thêm vào đó là ổ từ có thể cho phép trục quay với tốc độ rất cao Chúng không bị giới hạn bởi một giá trị tốc độ max nào Như vậy, việc sử dụng các ổ từ cho động cơ điện khiến động cơ có thể hoạt động trong mọi môi trường với những đặc tính động cao nhất

1.1.2.1 Phân loại theo cách bố trí ổ từ

a) Ổ từ ngang trục (Radial Magnetic Bearing)

Ổ từ có cấu tạo gồm 2 thành phần chính: Stator và Rotor như hình 1.3

- Stato có cấu trúc hình xuyến có cấu tạo gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, bên trong có các cực từ sắp xếp đối xứng nhau qua tâm Trên mỗi cực

từ đều được quấn dây điện tạo thành các nam châm điện có nhiệm vụ sinh ra lực từ nâng đỡ trục động cơ theo phương thẳng đứng vuông góc với trục động cơ

7

- Rotor chính là trục động cơ chuyển động tròn trong khoảng không giữa ổ từ

Hình 1.3 Cấu tạo của ổ từ ngang trục b) Ổ từ dọc trục (Axial Magnetic Bearing)

Ổ từ bao gồm: Hai Stator và một Rotor dạng đĩa (hình 1.4)

Hình 1.4 Cấu của ổ từ dọc trục

Hai stator được bố trí về 2 phía của rotor Mỗi stator có dạng hình xuyến trên đó

có xẻ rãnh và được quấn dây điện tạo thành các nam châm điện có nhiệm vụ sinh ra lực từ Lực từ này tác dụng theo phương dọc theo trục của động cơ sao cho rotor dạng đĩa nằm ở vị trí cân bằng của khoảng không giữa 2 stator

1.1.2.2 Phân loại theo nguyên lý

a) Ổ từ thụ động (PMB - Passive Magnetic Bearing)

- Không tiêu thụ năng lượng

- Không cần bộ điều khiển vòng kín để duy trì ổn định do lực nâng là cố định Tuy nhiên cũng có các nhược điểm như:

- Khó chế tạo, gia công nam châm vĩnh cửu theo yêu cầu

- Lực nâng cố định nên khả năng giảm chấn kém, không điều khiển được lực nâng nên khó có thể giữ ổ định vật khi trọng lượng vật thay đổi

b) Ổ từ siêu dẫn (SMB - Superconducting Magnetic Bearing)

Ổ từ được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu và vật liệu siêu dẫn Lực nâng được

tạo ra nhờ một nam châm vĩnh cửu nâng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ lỏng lạnh tới −200°C Khi ở nhiệt độ rất thấp điện trở của vật liệu siêu dẫn có thể giảm về 0, khi đó dòng điện có thể chảy qua vật liệu siêu dẫn với điện áp duy trì

ở mức rất thấp Tất cả từ trường sẽ chạy bên ngoài vật liệu siêu dẫn theo nguyên lý

- Không cần bộ điều khiển để duy trì do lực nâng là cố định

Nhược điểm của ổ từ siêu dẫn:

- Lực nâng cố định nên khả năng giảm chấn kém, không có khả năng điều khiển được lực nâng, lực nâng phụ thuộc hoàn toàn vào vật liệu siêu dẫn và nam châm vĩnh cửu được sử dụng

- Phải đảm bảo môi trường làm việc của ổ từ ở nhiệt độ thấp (-200oC) nhằm duy trì lực tác dụng giữa vật liệu siêu dẫn và nam châm vĩnh cửu

- Giá thành vật liệu siêu dẫn cao dẫn đến chi phí sản xuất ổ từ siêu dẫn là rất lớn

c) Ổ từ chủ động (AMB - Active Magnetic Bearing)

Ổ từ làm việc dựa trên nguyên lý nâng điện từ Các thành phần của ổ từ là: Nam

châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách và bộ điều khiển như hình 1.6

- Nam châm điện : Tạo ra lực từ nâng trục động cơ

- Cảm biến vị trí trục động cơ: Phản hồi vị trí trục động cơ

- Bộ điều khiển: Điều khiển dòng điện cấp vào nam châm điện thông qua bộ khuếch đại công suất từ đó điều khiển lực từ tác động vào trục động cơ giúp trục động cơ nằm cân bằng

Ổ từ chủ động có một số đặc điểm sau:

- Ổ từ được cấu tạo gồm nhiều thành phần, thiết bị nên có cấu trúc phức tạp; kích thước lớn; đòi hỏi trình độ gia công, lắp ghép chính xác cao

- Ổ từ có hệ điều khiển vòng kín nên có khả năng điều khiển được lực từ nên

có đặc tính động tốt, dễ dàng điều khiển khi trọng lượng vật thay đổi Nhờ đó ổ từ

10

chủ động có khả năng ổn định vị trí mà không phụ thuộc vào tải, hấp thụ các lực không cân bằng trong hệ thống quay, giảm rung động và đặc biệt là khả năng giám sát hoạt động thông qua hệ thống điều khiển điện từ Chính vì những ưu điểm trên

mà ổ từ chủ động được nhiều ứng dụng nhiều và quan tâm nhất

Hình 1.6 Cấu trúc của ổ từ chủ động

1.1.3 Ứng dụng của ổ từ

1.1.3.1 Ứng dụng trong môi trường đặc biệt đòi hỏi độ vô trùng cao

Do các ổ đỡ từ không sử dụng dầu mỡ bôi trơn nên đảm bảo các thành phần liên quan và môi trường làm việc không bị nhiễm bẩn do dầu mỡ bôi trơn gây ra Ưu thế này được tận dụng triệt để trong các ứng dụng y tế như: Máy bơm máu; các động cơ trong các dây chuyền điều chế thuốc; hay trong các ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp sản xuất vi mạch điện tử Dưới đây là ví dụ điển hình, ổ từ

sử dụng trong động cơ máy bơm máu làm tim nhân tạo trong y tế

Hình 1.7 Cấu tạo của thiết bị hỗ trợ bơm tim nhân tạo

11

LVAD ( Left Ventricular Assist Device ): Thiết bị hỗ trợ tâm thất trái

RVAD ( Right Ventricular Assist Device ): Thiết bị hỗ trợ tâm thất phải

Nguyên lý hoạt động của máy bơm máu là: Từ trường stator động cơ sẽ tương tác với nam châm vĩnh cửu để làm quay cánh quạt, giúp cho hai tâm thất của người

bị bệnh tim có thể hút và đẩy máu theo đúng áp suất của tim bình thường

1.1.3.2 Ứng dụng trong môi trường yêu cầu tốc độ cao

Do ổ từ nâng trục mà không cần tiếp xúc về cơ khí, do đó chúng không bị các ảnh hưởng về sự tiếp xúc này tới giới hạn tốc độ quay Tức là một cách lý tưởng, tốc độ của động cơ dùng ổ từ là có thể vô hạn Với khả năng hỗ trợ tốc độ cao, ổ từ được dùng trong các máy nén khí đòi hỏi tốc độ cao, các máy phát tuốc bin, máy bơm phân tử giúp làm tăng năng suất máy

Ta có các ứng dụng cụ thể như:

- Bơm phân tử tua - bin: Là một loại bơm để tạo và duy trì một môi trường chân không Với yêu cầu về công nghệ bơm phân tử tua - bin đòi hỏi tua - bin phải quay với một tốc độ rất cao Bơm phân tử tua - bin trong hình 1.8 có tốc độ lên tới

29400 vòng/phút, vì thế toàn bộ phần tua - bin được nâng bởi ổ từ

Hình 1.8 Bơm phân tử tua – bin

12

- Máy nén dạng ống: Sử dụng ổ từ để nâng tua - bin, tốc độ 9000 vòng/ph Trong máy nén này có tích hợp ổ từ đồng thời điều khiển quay trực tiếp tua – bin (hình 1.9)

Hình 1.9 Máy nén dạng ống

- Máy phát điện dùng tua - bin khí hình 1.10: Ở đây tua - bin khí được nâng bởi 4 ổ từ ngang trục và 1 ổ từ dọc trục Tốc độ quay tua - bin lên tới 6010 vòng/ph, công suất 9000 kW, đường kính ổ từ là 400 mm

Hình 1.10 Máy phát tua - bin khí dùng ổ từ

13

1.1.3.3 Ứng dụng trong môi trường đòi hỏi ma sát nhỏ

Cũng do ổ từ không có tiếp xúc cơ khí nên gần như không có ma sát, điều này giúp nâng cao hiệu suất máy và còn được sử dụng trong một số ứng dụng đặc biệt Điển hình là trong hệ thống nguồn dự phòng (UPS) theo nguyên lý cơ (nguyên lý quán tính) như trên hình 1.11 Hệ thống này làm việc theo nguyên tắc tận dụng quán tính cơ của bánh đà khi mất điện để phát ra nguồn điện dự phòng Như vậy, với cùng một khối lượng và kích thước của bánh đà, tốc độ quay bánh đà càng cao và

ma sát càng nhỏ (bánh đà quay càng lâu) thì công suất và hiệu suất phát điện là càng cao

Trên hình 1.11 bánh đà nằm trong hộp trụ phía dưới bên trái của tủ điện, bánh

đà được nâng bởi 2 ổ từ ngang trục: Một nằm bên trên và một bên dưới

Hình 1.11 Hệ thống nguồn dự phòng UPS

1.1.3.4 Ứng dụng trong môi trường nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp

Các ổ bi cơ khi làm việc trong môi trường nhiệt độ quá cao, dầu mỡ bôi trơn

sẽ bị nóng chảy; Hay khi nhiệt độ quá thấp, dầu mỡ đông cứng gây kẹt trục Sử dụng ổ từ trong trường hợp này sẽ khắc phục được các vấn đề trên Một ứng dụng phổ biến cho trường hợp này là trong các máy nén khí hóa lỏng (nhiệt độ quá thấp),

Một ứng dụng quan trọng của ổ từ là việc chế tạo tầu điện trên không Việc này

đã được một số nước nghiên cứu chế tạo và đã đi vào hoạt động ví dụ như Nhật Bản, Đức, Trung Quốc Riêng Nhật Bản là nước sở hữu tầu điện trên không nhanh nhất thế giới, đó là tàu MLX01 với tốc độ đo được là 581 km/h (năm 2003) và được nhận kỷ lục Guinness (hình 1.13)

Hình 1.13 Tàu điện trên cao hoạt động dựa vào lực từ

Sự khác biệt chủ yếu giữa tàu điện trên không và tàu kiểu cũ đó là tàu điện trên không không sử dụng bất kỳ loại động cơ nào, thay vào đó cả đoàn tàu sẽ được đẩy

15

đi bằng lực từ được sinh ra bởi các nam châm điện đặt dọc theo đường ray

Hình 1.14 Nguyên lý hoạt động của tàu điện

Nguyên lý hoạt động của tàu điện:

- Cực bắc ở vị trí số 4 (hình 1.14) sẽ kéo tàu đi do lực hút với cực Nam trên tàu và cực Bắc ở vị trí số 2 sẽ đẩy tàu đi do lực đẩy với cực Bắc trên tàu Tương tự với các cực còn lại nhờ đó mà tàu di chuyển về phía trước

- Nếu đang trong quá trình di chuyển, các cực trên thành dẫn hướng không thay đổi thì chúng sẽ lại kéo tàu lùi trở lại, không di chuyển được Do đó, lúc này phải có sự thay đổi phân cực nam châm, nhờ vậy tàu sẽ di chuyển tịnh tiến liên tục

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC [5,6] 1.2.1 Cấu tạo chung của động cơ đồng bộ có sử dụng ổ từ

Cấu tạo điển hình của động cơ đồng bộ khi có sử dụng kết hợp với ổ từ như hình 1.15 dưới

Hình 1.15 Cấu trúc điển hình của động cơ đồng bộ dùng ổ từ

Để tránh hiện tượng bão hòa từ, kích thước các ổ từ phải đủ lớn, do vậy mà các

hệ động cơ - ổ từ thường có kích thước lớn, cồng kềnh và hệ điều khiển rất phức tạp, do đó không thể áp dụng cho những ứng dụng mà không gian nhỏ hẹp Ta thấy khi ghép nối thêm các ổ từ, chiều dài trục động cơ phải tăng lên điều đó không đảm bảo được độ ổn định trong khi làm việc Vì khi trục động cơ quá dài thì rất dễ bị uốn cong khi bị tác động bởi các xung lực khi hoạt động Do vậy, phải tìm cách đơn giản hóa cấu trúc hệ động cơ - ổ từ vừa đảm bảo sự chính xác về mặt cơ khí và sự đơn giản trong việc điều khiển Vì thế có các loại cấu tạo tích hợp của hệ động cơ –

ổ từ

a Cấu tạo tích hợp ổ từ ngang trục – động cơ

Cấu tạo của hệ ổ từ ngang trục – động cơ tương tự như một động cơ xoay chiều

Do đó, ta có thể tích hợp để ổ từ thực hiện chức năng tạo momen quay, như vậy sẽ giảm bớt được một bộ ổ từ ngang trục Cấu trúc này thể hiện trên hình 1.16

Hình 1.16 Cấu trúc hệ tích hợp ổ từ ngang trục với động cơ

17

Ở rotor động cơ có thêm hai cực từ trái dấu nhau, khi đó stator động cơ có hai nhiệm vụ: Sinh ra momen làm quay rotor và sinh ra lực từ nhằm nâng rotor nằm cân bằng trong khoảng không của stator Momen quay được sinh ra bởi số cực từ cố định ban đầu của rotor (P) còn lực nâng rotor được sinh ra bởi lực từ tương tác giữa hai cực từ trái dấu của rotor với stator Tuy giảm được một ổ từ ngang trục nhưng cấu trúc hệ động cơ - ổ từ ngang trục vẫn rất phức tạp, số lượng các cảm biến cho các ổ từ và bộ điều khiển không đổi nên vẫn chưa giảm được chi phí chế tạo Hơn thế nữa trong động cơ lúc này xuất hiện hai từ thông quay khiến cho việc điều khiển động cơ càng thêm phức tạp

b Cấu tạo tích hợp ổ từ dọc trục – động cơ (hình 1.17)

Một kiểu khác của hệ động cơ - ổ từ là kiểu kết hợp động cơ với ổ từ dọc trục Trong trường hợp này hai ổ từ ngang trục sẽ được giữ nguyên, vẫn giữ nhiệm vụ nâng đỡ trục động cơ theo phương thẳng đứng vuông góc với trục động cơ Rotor

có hình dạng một đĩa mỏng gắn vào trục động cơ và được đặt giữa hai stator, trên rotor có gắn các nam châm vĩnh cửu Stator có hai nhiệm vụ chính: Sinh ra momen quay và sinh ra lực hút tác dụng lên rotor giúp rotor nằm cân bằng tại khoảng không giữa hai stator Dòng điện cấp cho các cuộn dây stator phải gồm hai thành phần: Thành phần sinh momen kéo quay rotor và thành phần lực nâng rotor

Hình 1.17 Cấu trục hệ tích hợp ổ từ dọc trục với động cơ

Cấu tạo này là cấu tạo của động cơ đồng bộ tự nâng khe hở dọc trục hay nói

cách khác là động cơ đồng bộ từ trường dọc trục

18

1.2.2 Cấu tạo của động cơ đồng bộ từ trường dọc trục (động cơ đồng bộ tự nâng khe hở dọc trục)

Hình 1.18 Cấu tạo động cơ đồng bộ từ trường dọc trục

Động cơ đồng bộ tự nâng khe hở dọc trục (động cơ đồng bộ từ trường dọc trục) được phát triển cho nhiều ứng dụng nhờ vào những ưu thế riêng của nó Cấu tạo tổng quan của động cơ được thể hiện ở hình 1.18 Động cơ được đặt giữa hai ổ từ ngang trục, các ổ từ ngang trục sinh ra hai lực từ vuông góc với trục Mỗi ổ từ ngang trục có bốn cuộn dây stator, trong đó hai cuộn được bố trí trên trục x, hai cuộn còn lại trên trục y Khi dòng chạy qua mỗi cuộn, sinh ra một lực từ tác động lên rotor Lực từ ngang trục được điều khiển bởi hệ điều khiển vòng kín để đảm bảo trục được giữ ở chính giữa thông qua điều khiển các thông số vị trí ngang trục (x, y)

và độ nghiêng trục (θx, θy) Vị trí dọc trục z và sự dịch chuyển quay θ dọc trục z được điều khiển thông qua điều khiển momen quay và lực nâng dọc trục để đảm bảo khe hở giữa hai bên rotor với stator là cân bằng nhau Hai stator được gắn về hai phía của đĩa rotor chịu trách nhiệm sinh momen quay đồng thời sinh lực nâng dọc trục Như vậy, rotor của động cơ tự nâng có 6 bậc tự do, trong đó 4 bậc (x, y,

và F2 giữa rotor và stator Momen tổng T là tổng của hai momen T1 và T2, lực hút tổng F là hiệu hai lực hút F1 và F2

Hình 1.19 Rotor cực ẩn Hình 1.20 Rotor cực lồi

Hình 1.21 Stator động cơ tự nâng

Stator động cơ tự nâng thỏa mãn sức điện động khe hở có phẩn bổ sin

Stator động cơ đƣợc nối với biến tần ba pha, đầu ra biến tần có tần số và điện áp biến thiên dựa trên tốc độ quay của trục, momen tải và lực tải dọc trục Dòng điện cấp cho các cuộn dây ổ từ ngang trục đƣợc điều khiển bởi các mạch công suất

- Đặc tính động cao: Có khả năng chạy tốc độ cao hơn bất cứ vòng bi cơ nào, tốc độ quay là không giới hạn Tốc độ quay của roto đồng bộ với tốc độ biến thiên của từ trường quay

- Đơn giản: Động cơ đồng bộ từ trường dọc trục có cấu trúc đơn giản nhất trong các loại động cơ sử dụng ổ từ cả về cấu trúc lẫn hệ điều khiển

- Tính chắc chắn: Chiều dài của trục rotor ngắn nên đảm bảo được các đặc tính động cao và chạy ổn định

- Có khả năng tăng công suất bằng cách tăng thêm các stator và rotor gắn trên trục động cơ

21

CHƯƠNG II MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRƯỜNG

DỌC TRỤC 2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO ĐỘNG CƠ [2,3,4]

- Tương tự như các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thông thường, mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ trường dọc trục được trình bày trên hệ trục tựa từ thông rotor hay hệ trục d, q như hình 2.1

Hình 2.1 Biển diễn các đại lượng vector trên hệ tọa độ d,q

+ Trục d cùng phương với phương từ trường nam châm vĩnh cửu - trùng với đường thẳng đi qua tâm của nam châm vĩnh cửu như hình 2.1

+ Các trục u, v và w tương ứng cùng phương với từ thông sinh ra bởi ba cặp cuộn dây stator

+ e: Là góc giữa trục u và d hay góc lệch về điện giữa vector từ thông rotor và vector từ thông sinh ra bởi cuộn dây u

- Độ tự cảm ba pha stator:

'sd0

'sq0

L

g L

+ L'sd0; L'sq0 là độ tự cảm của từ trường stato chiếu trên trục d, q chia cho

độ dài khe hở không khí có thể được xác định bằng cách tính toán các tham số động

cơ hoặc đo độ tự cảm pha

+ Lsl là điện cảm rò, được tính trên cơ sở đánh giá kết quả phân tích độ tự cảm của từng pha

23

- Dưới điều kiện ba pha cân bằng, xét từ thông móc vòng sinh ra trên pha u do

chính dòng điện trong pha u gây ra và do dòng điện trong các pha v và w gây ra

+ Độ tự cảm của stator:

' sd0

' sq0

L3

2 gL3

L 3

3L L

- Đạo hàm năng lượng từ trường W theo g ta có:

+ Lực hút của mỗi stator lên rotor:

25

động cơ luôn phải sinh ra momen để bổ sung cho momen điện cảm Điều này đảm

bảo cho hệ thống làm việc ổn định khi có tải

- Bằng cách thay: g g0 z, isd  id1, isq  iq1 và g  g0  z,

sd d2

i  i

, sqi  iq2 vào (2.10), (2.11) ta tính đƣợc F , 1 T và 1 F , 2 T với: 2

 g0 - Khoảng cách khe hở không khí giữa rotor và stator ở điểm cân bằng

 z - Độ dịch chuyển thực tế quanh điểm cân bằng của rotor

- Tuyến tính hóa ở điểm cân bằng (z = 0) nên khai triển T và F thành chuỗi

Maclaurin Ta giữ lại số hạng đầu tiên trong chuỗi ta đƣợc kết quả nhƣ sau:

0 ' sq0

0

3LK

4g3LK

26

- Nhận xét:

+ Momen động cơ T là tổng của hai momen thành phần T1; T2 sinh ra bởi hai stator, do vậy để động cơ hoạt động hiệu quả có momen tổng bằng 2 lần momen momen hai thành phần T1; T2 phải cùng hướng và có độ lớn bằng nhau

+ Lực tác dụng của 2 stator lên rotor F1; F2 phải có độ lớn bằng nhau và ngược chiều nhau để giữ rotor ở vị trí cân bằng Khi 1 trong 2 dòng điện sinh ra lực hút F1 hoặc F2 tăng thì dòng điện sinh ra lực hút còn lại phải giảm 1 lượng tương ứng + Momen quay của động cơ được điều khiển thông qua dòng điện ngang trục

Momen tổng đầu ra được phân thích thành ba thành phần:

 Teff 2K iT q - Momen tác dụng, là thành phần chính của momen tổng

 - Momen điện cảm được sinh ra bởi dòng điện id khi rotor

ở vị trí cách điểm cân bằng một khoảng bằng z Nếu z0;z g0 ta có thể bỏ qua

- Nhận xét: Từ (2.18), (2.19) và (2.8) ta thấy rằng mô hình toán học của động

cơ đồng bộ từ trường dọc trục hoàn toàn được cấu thành từ các biểu thức của điện

áp, lực hút và momen Ta có thể dễ dàng nhận thấy đây là các biểu thức tuyến tính,

vì thế hệ điều khiển có thể dễ dàng được thực hiện bằng các bộ điều khiển thông thường

Hình 2.2 Sơ đồ khối của mô hình toán học động cơ đồng bộ từ trường dọc trục

28

2.2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ [5,6]

2.2.1 Giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển PID [9]

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo đƣợc của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra (output)

Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID hình 2.3:

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID

Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian của sai lệch

2.2.1.1 Khâu hiệu chỉnh tỉ lệ P (Proportional)

Khâu tỉ lệ P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch Việc này đƣợc thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ Khâu P đƣợc tính dựa trên công thức:

Đặc tính tần số: (G j)K P

Biên độ: M( ) K P L( ) 20lgK P

Pha:  ( )0

Các biểu thức trên cho thấy đặc tính tần số của khâu tỉ lệ là hằng số với mọi ω,

do đó biều đồ Bode về biên độ là một đường song song với trục hoành, cách trục hoành 20lgKP; biểu đồ Bode về pha là một đường nằm ngang trùng với trục hoành; biểu đồ Nyquist là một điểm do vectơ G j( ) không đổi với mọi ω như hình 2.4

(a) (b)

Hình 2.4 Đặc tính tần số của khâu tỉ lệ a) Biểu đồ Bode b) Biểu đồ Nyquist

30

Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp có khâu tỉ lệ trong vòng hồi tiếp

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp có khâu tỉ lệ

Sai số hệ thống:

( )( )

đó có nghĩa là đáp ứng của hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao Nếu KPtăng quá giá trị hệ số khuếch đại giới hạn thì hệ thống sẽ trở nên mất ổn định Do đó nếu không thể có sai số của hệ thống bằng 0 thì cũng không thể tăng hệ số khuếch đại lên vô cùng

Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn Trong hình 2.6 sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định

Hình 2.6 Đáp ứng của khâu tỉ lệ P

31

2.2.1.2 Khâu hiệu chỉnh tích phân I (Integral)

Khâu tích phân I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0

Khâu tích phân I được tính theo công thức:

( )

G j có phần thực bằng 0, phần ảo luôn luôn âm (hình 2.7)

Hình 2.7 Đặc tính tần số của khâu tích phân a) Biểu đồ Bode b) Biểu đồ Nyquist

Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp có khâu tích phân trong vòng hồi tiếp

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp có khâu tích phân

Sai số hệ thống:

( )( )

lệ PI:

Hình 2.9 Đáp ứng của khâu tích phân I và tích phân tỉ lệ PI

Ta có thể nhận thấy là khâu tích phân I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm

đi rất nhiều, còn khâu tích phân tỉ lệ PI giúp triệt tiêu sai số xác lập

2.2.1.3 Khâu hiệu chỉnh vi phân D (Derivative)

Khâu vi phân D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt đƣợc giá trị mong muốn

Khâu vi phân D đƣợc tính theo công thức: