BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NGUYỄN THỊ THANH BÌNH Tên luận án: CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CÁC Ổ ĐỠ TỪ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự Động Hóa Mã số: 62. 52. 02. 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Đỗ Khắc Đức 2. PGS. TS. Nguyễn Như Hiển Thái Nguyên - 2013 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Đỗ Khắc Đức 2. PGS. TS. Nguyễn Như Hiển Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học họp tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên. 1 TÓM TẮT LUẬN ÁN MỞ ĐẦU Khái quát chung Do không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cho nên các ổ đỡ từ đã có ứng dụng quan trọng và hiệu quả trong các thiết bị máy có trục quay với tốc độ cao (từ 5.000 v/ph đến trên 10.000 v/ph), đòi hỏi độ chính xác lớn, làm việc trong các môi trường không dùng được chất bôi trơn (nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp). Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào bốn hướng như sau: 1.1 Nghiên cứu ứng dụng trong các máy công nghiệp và dụng cụ y sinh học. 1.2. Nghiên cứu thu gọn kích thước của ổ từ. 1.3. Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt như chân không, nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp,… 1.4. Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại. Nội dung luận án sẽ định hướng nghiên cứu theo hướng thứ 4. Tính cấp thiết của đề tài Khác với các loại ổ trục cơ khí, ổ đỡ từ không có sự tiếp xúc giữa phần tĩnh và phần động. Do đó, ổ đỡ từ sử dụng trong các loại động cơ điện đang được coi là một ngành công nghệ tiên tiến và thân thiện với môi trường. Chúng góp phần mạnh mẽ trong việc nâng cao tốc độ quay cho động cơ và giúp động cơ có thể được ứng dụng trong những môi trường đặc biệt mà động cơ sử dụng vòng bi thông dụng không thể làm việc hoặc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao. Những nghiên cứu về ổ đỡ từ thường tập trung chủ yếu tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Đức và Thụy Sỹ, hiện nay trước khả năng ứng dụng mạnh mẽ của động cơ điện dùng ổ đỡ từ trong nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu về chế tạo động cơ điện dùng ổ đỡ từ và các 2 ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển như Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil, Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới, mặc dù có những hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi do kích thước lớn và giá thành cao nhưng trong tương lai gần khi các nghiên cứu thành công trong việc giảm giá thành thì sự thay thế của động cơ điện ổ đỡ từ cho động cơ điện dùng vòng bi cơ trong các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ, sẽ là điều tất yếu. Phần quan trọng của các ổ đỡ từ là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các ổ đỡ từ có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao, và các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các ổ đỡ từ) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi trong quá trình hoạt động chưa được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển đảm bảo cho các ổ đỡ từ có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc. Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng cho ổ từ là cấp thiết. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Điều khiển ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do, trong hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện đồng bộ, kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có chặn chuyển động dọc trục, làm việc với tốc độ cao. - Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong việc xây dựng mô tả toán học có sự tác động của nhiễu và thông số bất định để tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến biểu diễn dưới dạng phương trình Euler 3 – Largrange (EL) đủ cơ cấu chấp hành - tách kênh phi tuyến, nhằm cải thiện chất lượng điều khiển so với hệ điều khiển tuyến tính kinh điển. Phương pháp nghiên cứu - Dựa trên các định luật về cơ, điện và từ để tính toán động lực học cho một hệ ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do. - Mô tả toán học cho ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do dưới dạng EL. - Thiết kế bộ điều khiển PD bù trọng trường. - Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng. - Nghiên cứu bằng thực nghiệm. Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết và triển vọng về kết quả đạt được - Xây dựng mô tả toán học của 4 bậc tự do, chịu lực hướng tâm. - Thiết kế điều khiển tách kênh phi tuyến cho hệ chịu tác dụng của nhiễu và có thông số bất định. - Mô phỏng và thực nghiệm về điều khiển hệ trên thiết bị của phòng thí nghiệm. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài - Đây là vấn đề mới được nghiên cứu ở Việt Nam và là một trong những công trình khoa học đầu tiên nghiên cứu về ổ đỡ từ được công bố trong nước và cũng là một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng ứng dụng cao vào nghiên cứu khoa học trong nước - Kết quả nghiên cứu sẽ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên cao học nghiên cứu về ổ từ. Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo, nhằm đưa ứng dụng rộng rãi của ổ từ vào các hệ truyền động điện ở Việt Nam, nhất là hệ có yêu cầu đặc biệt (tốc độ cao, nhiệt độ cao hoặc quá thấp, môi trường chân không, không được bôi trơn dầu mỡ, ). Bố cục của luận án Luận án gồm 4 chương, 97 trang (kể cả tài liệu tham khảo), 61 tài liệu tham khảo, 64 hình vẽ và đồ thị. 4 Chương 1. Tổng quan về ổ từ 1.1. Khái niệm về ổ trục và ổ đỡ trục - Trình bày những khái niệm cơ bản về ổ trục và ổ đỡ từ. - Phân loại ổ đỡ từ và xác định đối tượng nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động (AMB). - Trình bày nguyên lý nâng dùng lực từ 1.2. Luận giải, định hướng nghiên cứu của đề tài 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước a) Cảm biến khoảng cách Hệ thống điều khiển Nguồn dòng b) Hình 1.6: a)Hình dạng; b) Các bộ phận cơ bản của ổ đỡ từ B ộ ĐK Cơ c ấu chấp h ành đi ện từ Bộ KĐ CS Rotor Rotor Trọng lượng rotor mg Lực từ f m Cơ cấu điện từ (Stator) Sensor Hình 1.7: Cấu trúc AMB một bậc tự do 5 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam hiện nay mới chỉ có ở Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên là đang nghiên cứu. 1.2.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Trình bày một số kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu ổ đỡ từ trên thế giới diễn ra trong những năm gần đây từ 2003 đến 2009. 1.3. Kết luận chương 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Giới thiệu những nét khái quát nhất về ổ trục và ổ đỡ từ. - Lựa chọn được loại ổ từ cần nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động. - Định hướng nghiên cứu ổ đỡ từ chủ động theo hướng ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển ổ đỡ từ trong các hệ thống truyền động điện. - Đề xuất phương pháp điều khiển PD bù trọng trường, tách kênh phi tuyến dựa trên mô tả EL cho hệ đủ cơ cấu chấp hành để thiết kế bộ điều khiển hệ thống ổ đỡ từ. Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về ổ từ, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về động lực học ổ đỡ từ chịu lực hướng tâm để có thể mô tả toán học được hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ 4 bậc tự do. Chương 2. Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động 2.1. Giới thiệu chung Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ như một nam châm điện thay vì tạo mô men quay cho trục thì nó lại tạo ra các lực chuyển dịch trục theo phương x và y, các lực này được điều chỉnh tự động nhằm duy trì khe hở giữa stator và rotor xung quanh giá trị danh định 2.2. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường - Theo tài liệu [1] hệ nâng từ trường được nghiên cứu trên cơ sở xấp xỉ hoá dựa vào các giả thiết như từ thông khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ, chưa xét đến chế độ bão hoà từ v.v 6 - Việc tính toán dựa trên chiều dài trung bình của đường đi từ trường và chiều dài khe hở không khí thực theo giá trị danh định x 0 . 2.2.1. Mật độ từ thông của mạch từ Với những giả thiết không có từ thông dò, ta có từ thông: 0 0 I 0 0 0 0 2 1 2 a C C I r r a r r S Ni Ni x l l l l x S                                (2.6) 2.2.2. Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ Các thành phần sức từ động, từ thông, từ trở và mạch từ không đổi được xem xét tương ứng như các thành phần điện áp, dòng điện, điện trở và nguồn một chiều (DC) trong mạch điện. Sự khác biệt chính đó là từ trở là một thành phần tích trữ năng lượng chứ không phải là thành phần tiêu tán năng lượng. Nguồn “DC” – Ni biểu diễn cho sức từ động do dòng điện trên cuộn dây sinh ra. 2.2.3. Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép Lực điện từ khi kể đến từ hoá lõi thép được xác định [1]: 2 2 2 2 a 0 a 0 a 2 2 0 C I C I 0 0 r r r r W 2 S N i S N i 1 F x 2 l l l l 2x 2x                                 (2.16) 2.2.4. Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép Khi không kể đến sự ảnh hưởng của từ hoá lõi thép, ta được: 2 2 2 2 2 0 a 0 a 0 a 2 2 0 0 0 Ni 1 i i 1 F S N S K ; K N S 2x 4 x x 4                    (2.17) 2.2.5. Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB Khi thay đổi dòng điện i so với dòng điện phân cực danh định i 0 , thì sẽ làm thay đổi lực điện từ và sau khi biến đổi ta được phương trình cơ bản để mô tả chuyển động của một vật được nâng bằng lực điện từ theo một phương cố định [23]: a n mx K i K x    (2.24) 7 Hình 2.3: Một số cấu trúc điển hình của ổ từ chủ động Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của ổ đỡ từ Phần xây dựng mô hình ổ đỡ từ theo một phương như trên sẽ được tổng quát hóa cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do. 2.3. Xây dựng mô hình toán học của hệ nâng bằng từ trường dùng ổ từ 4 cực 2.3.1. Các dạng cấu trúc ổ từ hiện nay và hướng nghiên cứu Ổ từ chủ động 4 cực đang được đẩy mạnh nghiên cứu [5, 6], [14, 15] và hiện đang thu hút sự chú ý của nhiều hãng sản xuất (Synchrony, Mutecs). Đây cũng chính là hướng nghiên cứu tác giả sẽ thực hiện. 2.3.2 Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do 8 Hình 2.4 mô tả sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình nâng vật chuyển động sử dụng ổ từ. 2.3.3 Xây dựng mô hình toán học Phần này nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của ổ đỡ từ 4 bậc tự do dựa trên phân tích sơ đồ mạch tương đương với các phương chuyển động x, y. Sau khi phân tích và biến đổi ta được mô hình toán học mô tả ổ đỡ từ: Dòng từ thông tổng: 0 1 1 1 1 0 2 2 2 0 0 1 2 0 1 1 1 1 0 2 2 2 0 0 1 2 0 2 2 2 2 0 2 2 2 0 0 1 2 2 2 ( ) ( ) ( ) (2 ) ( ) (2 ) p x x xc bx p x x xc bx p x x xc bx x xc bx H x x Ni S x x x x H x x Ni S x x x x H x x Ni S x x x x                                                                                         0 2 2 0 2 2 2 0 0 1 2 (2.30) ( ) (2 ) p x H x x Ni S x x x x                                                   Và các lực nâng theo phương x: 2 2 2 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 1 2 0 1 2 2 2 2 0 0 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 1 2 0 1 2 2 2 2 2 (2 ) (2 ) (2.31 ) 2 2 2 2 (2 ) (2 ) p p x x x x x x p p x x x x x x SH N SH x F F F i x S S x x x x x x a SH N SH x F F F i x S S x x x x x x                                                        Các từ thông và lực nâng theo phương y tương tự như phương x. 2.3.4. Các đặc tính động lực học của ổ từ bốn bậc tự do Phần này trình bày các quan hệ của các thông số trạng thái trong ổ đỡ từ thông qua các đặc tính: - Đặc tính sức từ động và dòng điện stator ( λ = ψ.N hoặc λ = L.i). - Đặc tính lực với dòng điện điều khiển và chuyển dịch (x, y). [...]... bền vững khi làm việc cho các loại ổ từ Từ đó, ổ từ không chỉ dừng lại cho các ứng dụng đặc biệt mà còn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp Nội dung nghiên cứu của luận án này tập trung vào nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại cho ổ đỡ từ nhằm cải thiện chất lượng điều khiển và bền vững cho các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ Nghiên cứu về ổ từ và đi sâu về ổ đỡ từ là một vấn đề còn mới... bộ điều khiển tương ứng là các kênh điều khiển x1, x2, y1, y2 Mỗi kênh điều khiển có 2 mạch vòng điều khiển với mạch điều khiển vòng trong là dòng điện (tăng cường khả năng mang tải động của ổ từ) và mạch điều khiển vòng ngoài là vị trí Từ phân tích trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển kênh x1 như hình 3.2 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương x 1 Và để điều khiển một ổ đỡ từ, ta cần điều khiển. .. của ổ đỡ từ 1 theo phương x và y đã bị loại trừ Hình 3.26b:Tác động xen kênh của ổ đỡ từ 2 theo phương x và y đã bị loại trừ 3.4 Đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển phi tuyến theo tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch Để đánh giá chất lượng của 2 bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển ổ đỡ từ bốn bậc tự do, ta sử dụng tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch 3.5 Kết luận. .. tả ổ đỡ từ 4 bậc tự do thoả mãn là hệ Euler - Largrange T 11 2.7 Kết luận chương 2 (1) Xây dựng được mô hình toán học tổng quát của ổ đỡ từ, có hiện tượng tác động xen kênh và không ổn định (2) Từ mô hình toán học được xây dựng tổng quát biểu diễn quá trình nâng trục của ổ đỡ từ, trong mô hình còn bao gồm cả điện cảm tản Lse Đây chính là đóng góp mới của luận án về lý thuyết khi mô tả toán học ổ đỡ từ. .. - Từ mối quan hệ cơ bản giữa các thông số (từ thông, từ trở, điện cảm, lực điện từ, năng lượng từ tích lũy, ) của một cơ cấu nâng bằng từ trường, bản luận án đã xây dựng được mối quan hệ động lực học cho hệ ổ đỡ từ 4 bậc tự do Căn cứ vào đó đã tiến hành xây dựng được mô hình toán học phi tuyến tổng quát dưới dạng EL đủ cơ cấu chấp hành của hệ ổ đỡ từ 4 bốn bậc tự do - Dựa vào mô tả toán học của ổ đỡ. .. do - Dựa vào mô tả toán học của ổ đỡ từ có thể thấy rằng: Ổ đỡ từ là một đối tượng phi tuyến và có tác động xen kênh, về động học nó còn là khâu không ổn định cố hữu Luận án đã xây dựng thành công hệ điều khiển PD bù trọng trường, tạo nên mô hình điều khiển tách kênh trực tiếp, từ đó đã cải thiện được chất lượng điều khiển so với các bộ điều khiển PID 24 - Trong điều kiện còn thiếu thốn mọi mặt, cả... “Tổng quan về ổ đỡ từ và các vấn đề điều khiển chúng”, Tạp chí KH&CN Đại học Thái Nguyên số tháng 4-2009 3 Nguyễn Như Hiển, Nguyễn Thị Thanh Bình, “ Điều khiển phản hồi hai bậc tự do cho ổ đỡ từ , Tạp chí KH&CN Đại học Thái Nguyên số tháng 7-2010 4 Nguyễn Như Hiển, Nguyễn Thị Thanh Bình, “Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho ổ đỡ từ , Tạp chí KH&CN Đại học Thái Nguyên số tháng 12-2010 5 “Nghiên cứu điều. .. dựng hệ điều khiển sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc 3.2.1 Xây dựng hệ điều khiển Từ mô hình tuyến tính hoá quy về tâm của trục rô to (2.34), tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID có cấu trúc như hình 3.1 Hình 3.1: Mô hình điều khiển PID cho mô hình tuyến tính xung quanh điểm làm việc của ổ đỡ từ 12 Với việc điều khiển 2 phương x, y ở 2 ổ đỡ từ thì cần... quay theo phương x và y của ổ đỡ từ 1 và 2 so với vị trí cân bằng Nhận xét thí nghiệm: Thí nghiệm này tiến hành với tốc độ trục quay 5.000 v/ph cho kết quả tương tự như phần mô phỏng đã nêu 4.3 Kết luận chương 4 Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho ta thấy: - Chất lượng điều khiển ổ đỡ từ đã cải thiện hơn từ điều khiển tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc đến điều khiển tách kênh phi tuyến (sai... nói riêng và sử dụng ổ đỡ từ trong công nghiệp nói chung Chỉ riêng trong lĩnh vực điều khiển ổ đỡ từ hướng tâm cũng còn một số nội dung phải quan tâm tiếp như sau: - Ảnh hưởng của từ thông hỗ cảm giữa các cuộn dây trong cùng một ổ từ; - Ảnh hưởng của bão hòa từ đối với chất lượng hệ điều khiển; - Ổ từ làm việc tốt cho các thiết bị như bơm máu, nén khí, bơm helium lỏng, làm đệm từ, nhưng trong hệ thống . THANH BÌNH Tên luận án: CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CÁC Ổ ĐỠ TỪ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự Động Hóa Mã số: 62. 52. 02. 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hướng. về ổ trục và ổ đỡ từ. - Lựa chọn được loại ổ từ cần nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động. - Định hướng nghiên cứu ổ đỡ từ chủ động theo hướng ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển. bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các ổ đỡ từ có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các ổ