Nghiên cứu xây dựng mô hình động học và điều khiển cho động cơ ssbm

1 Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Động Học Và Điều Khiển Cho Động Cơ SSBM Phạm Thị Lý Khoa Điện – Điện tử, Trường đại học Giao thông Vận tải E mail ptlydk@utc edu vn Abstract Nội dung bài báo phân tích qu[.]

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Nghiên Cứu Xây Dựng Mơ Hình Động Học Và Điều Khiển Cho Động Cơ SSBM Phạm Thị Lý Khoa Điện – Điện tử, Trường đại học Giao thông Vận tải E-mail: ptlydk@utc.edu.vn Abstract- Nội dung báo phân tích q trình điện từ lực điện từ Lorentz tác động hai loại dịng điện vào động khơng lõi thép: Dịng xoay chiều sinh mơ men quay động dòng chiều tạo lực ổ từ ngang trục Từ xây dựng cấu trúc điều khiển thiết kế điều khiển Với cấu trúc điều khiển nối tầng: Mạch vòng mạch vòng dòng điện; Mạch vịng ngồi có hai kênh: Kênh điều khiển ổ từ dùng PD kết hợp với Feedforward bù nhiễu kênh tốc độ dùng điều khiển PI Kết mô cho thấy hệ làm việc ổn định kháng nhiễu vị trí rotor Keywords- Slotless Self-Bearing Motor (SSBM), Magnetic drive force, Magnetic drive, PD controller - Nội dung báo tiếp thu cơng trình nghiên cứu [1][3][5][8][13][16][17]] từ phân tích làm rõ q trình điện từ để hồn thiện cấu trúc điều khiển thiết kế điều khiển theo ba điểm sau: - Quan điểm đưa lực ổ từ mô men quay phải dựa lực Lorentz - Chứng minh động động xoay chiều không lõi thép lai ổ từ chạy tốc độ cao có ngun lý hoạt động ổ từ (chính ổ từ) - Thiết kế điều khiển PD khâu bù nhiễu thay cho điều khiển PI nghiên cứu [1][3][5][8][13][16][17] đưa động làm việc với nhiễu cao tần số 10Hz I GIỚI THIỆU Truyền động động điện chạy với tốc độ cao việc phải sử dụng ổ từ cần phải giải vật liệu từ tần số cao Một hướng nghiên cứu cho truyền động tốc độ cao động xoay chiều nam châm vĩnh cửu dùng cấu trúc stator không lõi thép đồng thời kết hợp tạo lực đẩy giữ cân rotor tương tự chức ổ từ Người ta gọi động loại động không lõi thép lai ổ từ Slotless Self-Bearing Motor (SSBM) Động khơng lõi thép có hai chế tác động: Cơ chế tạo lực đẩy điện từ theo định luật Lorentz để giữ khe hở khơng khí δ đồng chế tạo mô men quay theo định luật cảm ứng điện từ [7][14] Hiện loại động trình nghiên cứu cấu trúc điều khiển để phát triển ứng dụng [1-17] Nhiều quan điểm nghiên cứu đưa tồn nghiên cứu cần nghiên cứu xem xét thử nghiệm để đến nguyên lý chung Sau thời gian nghiên cứu, tác giả phân tích, thử nghiệm xác định tồn sau: - [1][3][5][8][13][16][17] chưa chứng minh động truyền động tốc độ cao, stator không lõi thép thực chất ổ từ Các nghiên cứu chưa vào phân tích, chứng minh động tồn lực Fx+, Fx-, Fy+, Fy- cân bằng, đối xứng với - Bộ điều khiển vị trí nghiên cứu [1][3][5][8][13][16][17] dùng điều khiển PI PID nên tác động chậm, có tính âm tần, dễ bị nhiễu tác động, khó điều khiển (do mạch vịng điều khiển vị trí chứa khâu tích phân nên dùng PI thêm khâu tích phân nữa) Trong nghiên cứu này, đưa nhiễu từ 1÷2Hz hệ hoạt động ổn định ISBN 978-604-80-7468-5 nâng nhiễu tác động lên đến 10Hz ổn định khó để điều chỉnh [1][3][5][8][13][16][17] đưa quan điểm chế tạo lực đẩy mô men quay dựa nguyên lý động đĩa theo định luật Lorentz II MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN Mơ hình nghiên cứu động khơng lõi thép đề xuất [4] trình bày hình Mơ hình nghiên cứu SSBM có: Rotor động nam châm vĩnh cửu, treo tự khớp mềm Stator dây quấn đế nhựa biểu diễn 12 dẫn chia thành cặp lệch 1200: a-d, b-e c-f hình 1b Hình Mơ hình động khơng lõi thép III CƠ CHẾ TẠO LỰC Ổ TỪ VÀ CƠ CHẾ TẠO MÔ MEN QUAY ĐỘNG CƠ 1 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Trên Hình 2b mơ tả giá trị lực trục X Y ta thấy trục tồn hai lực đối xứng Xét rotor đồng tâm đứng im ta có giá trị: Để tạo nên lực ổ từ mô men quay ta dựa lực Lorentz: dF = B δ Isinγdl (1) Trong đó: dF (N) lực tác dụng lên dây dẫn điểm xét, Bδ (T) từ trường khe hở khơng khí, I (A) dịng điện chạy qua dây dẫn, γ (rad) góc lệch véc tơ từ trường đoạn dây dẫn, dℓ (m) đoạn dây dẫn mang dòng điện Để tạo lực đẩy ổ từ ta cấp cho stator động dòng chiều, để tạo mơ men quay ta cấp cho động dịng xoay chiều Sau ta xét lực mô men quay  Fx  0,5k f I of ( ,5  0,5  0,5  Fx  ,5k f I of 1  0,5    f f   Fy  0,5k f I o ,5  0,5  Fy  0,5k f I o 0 ,5  ,5 Biểu thức (4) mơ tả Hình 3a, điều tương tự lực ổ từ A XÉT LỰC ĐẨY Ổ TỪ VÀ CƠ CHẾ TẠO MÔ MEN QUAY ĐỘNG CƠ Khi ta cho dòng điện chiều I ad ,I be ,I cf vào ba cặp cuộn dây, theo nguyên lý lực Lorentz dòng điện tác động với từ trường rotor B sinh lực Do cuộn dây cố định nên tạo phản lực tác dộng ngược lại rotor Với giả thiết khe hở khơng khí đồng  x   y   (rotor đồng tâm) cường dộ dòng điện đưa vào ba cặp cuộn dây I ad  I be  I cf ta có tổng hợp lực pha a-d, b-e c-f Hình Đồ thị véc tơ lực ổ từ trục X-Y a Khi đồng tâm b Khi lệch tâm Fad  Fbe  Fcf ba lực lệch 1200 giữ cho rotor đồng tâm tương tự ổ từ ta gọi lực ổ từ trình bày Hình 2a Y a- b+ Fad  Rô to t Fcf Fady t t I ad b- Fad e- I be t Y f+ f- d+ Khi rotor bị lệch tâm (xem Hình 3b) xuất sai lệch có sai lệch ∆x ∆y Để khử lệch tâm rotor đưa rotor vị trí cân ta dùng giải pháp điều khiển dịng điện tạo lực để kéo sai lệch ∆x=0 để kéo sai lệch ∆y=0 Trên Hình 3b mơ tả điều khiển lực để khử lệch tâm rotor Dòng điện sinh lực rotor quay chiếu trục X-Y a+ X Fadx Fxf Fcfy Rô to Fbex Fcfx X  f iad  ix cos t  iy sin t  2 2  f ibe  ix cos(t  )  iy sin(t  ) 3  2 2  f icf  ix cos(t  )  iy sin(t  ) I cf cc+ Fbey e+ d- Fbe Fbe a) b) Hình Đồ thị véc tơ dòng điện lực ổ từ B LỰC LORENTZ SINH MƠ MEN QUAY Khác với dịng điện tạo lực ta cấp cuộn dây dòng chiều, dịng điện tạo mơ men dịng điện xoay chiều, ví dụ cuộn dây a-d, b-e c-f ta cấp cho dòng điện xoay chiều: T iad  I m cos T (6) ibe  I m cos(  2 / 3) T icf  I m cos(  2 / 3) Lực ổ từ tính:   Fad  2 B iadf sin(   t )  2  f  t )  Fbe  2 B ibe sin(    2  f  Fcd  2 B icf sin(    t ) (2) Mơ men động tính 3 góc lệch ban đầu trục X với Trong   0  +a Ta chiếu ba lực lên trục X-Y ta 2 2  Fx  Fad cos(  t ) Fbe cos(   t ) Fcf cos(   t )  F  F sin(  t ) F sin(   2 t ) F sin(   2 t ) be cf  y ad 3 (3) ISBN 978-604-80-7468-5 (5) M  k m r I sm (7) Trong đó: ( rad ) góc quay rotor xác dịnh     t ,  góc ban đầu so với véc tơ dịng điện  r   r B(Wb ) từ thông rotor km hệ số: (3) km  , N số dẫn pha Như vậy, N mặt vật lý hai thành phần dòng điện tạo lực ổ từ tạo mô (4) Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) men độc lập thỏa mãn tính xếp chồng Ta có dịng điện stator tổng hai thành phần dòng điện tạo lực ổ từ mô men quay Phương trình động lực học vị trí hệ sau: Đối với trục X dv x   Fx  Fcx  m dt   x  vx dt   không lõi thép lai ổ từ theo kiểu nối tầng: Mạch vòng dòng điện cấp cho ba cặp cuộn dây, ba tín hiệu dòng điện xoay chiều nên ta dùng điều khiển dịng điện ba vị trí Lượng đặt dịng điện gồm hai thành phần dòng tạo lực thành phần tạo mơ men quay Mạch vịng ngồi có hai kênh: Kênh điều khiển vị trí rotor gồm điều khiển vị trí có đầu hai dịng điện qua biến đổi tọa độ (6) ta dòng đầu ; Kênh điều khiển tốc độ Rω đầu điều khiển tốc độ biên độ dòng điện thành phần dịng điện tạo mơ men qua biến đổi tọa độ ta có tính tốn thơng qua (7) Tổng hợp hai tín hiệu dịng điện ta có dịng điện đặt cho mạch vịng dịng điện (9) (7) Đối với trục Y dv y   Fy  Fcy  m dt   y  v dt  y  (8) Phương trình động lực học truyền động điện: d M  Mc  J V TỔNG HỢP MẠCH VỊNG ĐIỀU KHIỂN a) Mạch vịng dịng điện: Vì dịng điệncó thành phần xoay chiều nên ta sử dụng ba điều khiển RI kiểu “bang-bang” trình bày Hình 4, Do ba mạch vịng dòng điện giống nên vé đại điện mạch vịng Trong kbd hệ (9) dt Trong đó: x (mm) y(mm) khe hở khơng khí động trục X vả Y; vx ( mm / s ), y( mm / s ) tốc độ chuyển số khuếch đại dòng nguồn, U s (v) điện áp stato, E(v) sức điện động stator dịch rotor theo trục X Y, m(kg) khối lượng rotor, Fcx ( N ),Fcy ( N ) lực cản chuyển động trục X trục Y, L ( s ) số thời gian stator, L(H) điện R cảm cuộn dây stator,  bề rộng dải chết chọn   5%I s max stator, M(Nm) mô men cản, J(kgm2) mơ men qn tính rotor động IV XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN Về nguyên lý điều khiển động khơng lõi thép có lai ổ từ có hai đại lượng cần điều khiển vị trí rotor (X Y) tốc độ động (ω), tương ứng với hai kênh điều khiển: Điều vị trí rotor điều khiển tốc độ động Hai đại lượng điều khiển gồm: Dòng điện tạo lực ổ từ dòng chiều để điều khiển lực ổ từ dịng điện tạo mơ men để điều khiển tốc độ dòng xoay chiều Hai dòng điện điều khiển riêng rẽ sau tổng hợp đưa vào khuếch đại nguồn dòng cấp cho dẫn động Sơ đồ cấu trúc điều khiển động lai ổ từ trình bày Hình 3: * y RIad - y y f I ad + + Iy y d/dt x - x* + x I*ad + RIbe Ibef I*be + + + I *cf + + t T I ad + + b) Mạch vịng vị trí rotor trình bày Hình 5: Do tính chất hai mạch vịng going ta xét chung Ta có đại lượng: Vị trí (x.y) tốc độ chuyển dịch v y I ad -e X S N  I be BKĐ C vòng hình vẽ chung theo ký hiệu ( xy ) vị trí khe +c - -f  I cf hở động theo trục X Y đo hai điểm x,y , v ( xy ) tốc  Reslover cos -  d/dt SMC Tốc độ động Im cos(   2 ) 2 cos(  ) độ chuyển dịch, T Ibe I cfT I xy dòng điện tạo lực ổ từ chiếu lên trục X Y, Fxy lực ổ từ quy hai trục X Y  d/dt Hình Cấu trúc điều khiển động không lõi thép lai ổ từ Phần cứng hệ điều khiển gồm: Ba khuếch đại nguồn dòng, ba thiết bị đo dịng, hai thiết bị đo vị trí (khe hở) thiết bị đo góc quay tốc độ động Cấu trúc điều khiển động ISBN 978-604-80-7468-5  x  x  y;v ; Ti hàng số thời gian mạch vịng kín dịng điện, kx ky hệ số tỷ lệ Mạch vịng điều khiển vị trí rotor thiết kế có cấu trúc trình bày Hình dạng PD tạo bới hai mạch vịng (vị trí tốc độ chuyển dịch) nối song song Do tính chất hai mạch vịng giống ta biểu diễn hai mạch Y  BKĐ B +b RIcf I cff x ad  be  cf * -d X-Y SMC Vị trí rơ to động Ix d/dt +a -  Hình Cấu trúc điều khiển mạch vịng dịng điện stator BKĐ A + R(  ) điện trở cuộn dây Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Tổng hợp k Rvx  k Rx  ta có tham số hai điều khiển: m m ,k Rvy  2k x Ti 2k y Ti 2kdx vx k Ry  m 0.4 kg Khối lượng rotor động n 55 vòng Số vòng dây quấn stator r 0.011 m Bán kính rotor 0.001 m Khe hở khơng khí l 0.02 m Chiều dài cuộn dây R 3.2 Ω Điện trở cuộn dây L 0.61 H Điện cảm cuộn dây ; vx  ( 2Ti   dx ) 2kdy vy ; vy  ( 2Ti   dy ) B KỊCH BẢN MÔ PHỎNG a)- Đưa sai lệch vị trí khơng khởi động động Đầu tiên, ta tiến hành kiểm tra đáp ứng điều khiển vị trí đáp ứng dịng điện ba pha tương ứng Vị trí sai lệch ban đầu theo hai trục x, y đặt x= -0.3mm, y= 0.5mm Bật khởi động điều khiển vị trí, đưa sai lệch vị trí khơng, ta thu kết đáp ứng Hình Hình cho thấy sai lệch vị trí theo hai trục x, y đưa khơng sau khoảng 0.08s Hình biểu thị đáp ứng dịng điện ba pha tương ứng Hình Cấu trúc điều khiển mạch vịng vị trí - Đối với vị trí δ(x.y) tốc độ chuyển dịch v y  x  x ,  y;v Ti hàng số thời gian mạch vịng kín dịng điện, kx ky hệ số tỷ lê, kd hệ số đo lường vị trí τd hàng số thời gian mạch đo (lọc tần số cao) b) Mạch vịng điều khiển mơ men Hàm truyền đối tượng mạch vịng mơ men:    ( M  M )  Js  c   M  km r  I sm  sTi (10) Hình Đáp ứng vị trí với giá trị lệch ban đầu x= -0.3 mm y= -0.5mm Trong đó: J (kgm2) mơ men qn tính động Hình Cấu trúc điều khiển mơ men Hình Đáp ứng dịng điện với giá trị lệch ban đầu x= -0.3 mm y= -0.5mm VI MÔ PHỎNG A Sau điều khiển vị trí hoạt động, vị trí rotor vị trí cân gốc tọa độ, ta tiến hành khởi động hoạt động điều khiển tốc độ động Kịch mơ thời điểm 1s tiến hành tăng tốc độ động lên 2000v/p đến thời điểm 4s ta đảo chiều động xuống -2000v/p Đáp ứng thu Hình Tốc độ động đạt 2000v/p sau khoảng 0.8s đảo chiều xuống -2000v/p sau khoảng 1.2s THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ Bảng Bảng thông số động sử dụng để mơ Kí hiệu Giá trị Ý nghĩa Bδ 0.59 T ISBN 978-604-80-7468-5 Mật độ từ trường cự đại Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Hình 10 mơ tả đáp ứng momen tương ứng với kịch mô tốc độ động thay đổi Hình 13 Đáp ứng vị trí x, y có nhiễu tác động C THIẾT KẾ BÙ NHIỄU Hình 10 Đáp ứng tốc độ (v/p) D GFF y* Bộ điều khiển Vị trí D + Iy kx  sTi Fy s - y Hình 14 Cấu trúc điều khiển bù nhiễu Hình 11 Đáp ứng mơ men Hình 13 mơ tả đáp ứng vị trí theo hai trục x, y có kết hợp bù nhiễu Kết cho thấy nhiễu ảnh hưởng bị triệt tiêu sau khoảng 0.07s đáp ứng vị trí theo hai trục x, y đưa vị trí cân b) Khi có nhiễu tác động với biên độ 0.1 mm Để kiểm tra đáp ứng điều khiển vị trí, ta xét trường hợp có nhiễu tác động theo hai trục x, y Tại điểm t=0.5s ta tác động nhiễu vào hai trục x, y tương ứng với giá trị biên độ nhiễu 0.1mm tần số f= 10hz (Hình 11) Đáp ứng vị trí theo hai trục x,y thu kết Hình 12, ta thấy vị trí có bị dao động theo nhiễu ảnh hưởng Để tiến hành dập ảnh hưởng nhiễu, ta thiết kế điều khiển bù nhiễu trình bày mục 2.6 Hình 15 Đáp ứng vị trí x,y bù nhiễu biên độ nhiễu 0,1mm với f= 10hz VII KẾT LUẬN Nội dung báo giải vấn đề: Phân tích q trình động lực học trình, để thấy rõ lực tạo ổ từ tác động lên rotor Xây dựng cấu trúc điều khiển có mạch vịng điều khiển dịng điên, mạch vịng ngồi điều khiển tốc độ với điều khiển PI, kênh điều khiển lực với hai điều khiển PD cấu trúc song song có bù nhiễu Kết mô cho thấy: Điều khiển tốc độ khởi động đảo chiều có đáp ứng tốt; Điều khiển vị trí cho két đáp ứng yêu cầu có nhiễu VIII TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 12 Nhiễu tác động với biên độ 0.1mm, tần số f=10hz [1] ISBN 978-604-80-7468-5 Satoshi UENO, Shin-ichi UEMATSU, Takahisa KATO “Development of a Lorentz-Force-Type Slotless Self-Bearing Motor” Vol.3, N0.4, DOI: 10.1299/jsdd.3.462, Journal of System design and dynamics, 2009, Pages 463-470 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) [2] Y Okada et al., JSME Publication on New Technology Series, [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] No 1, Magnetic Bearings—Fundamental Design and Applications (in Japanese), Yokendo Ltd Tokyo, (1995) S Ueno et al., Development of the Miniature AMB with Concentrated Wound Poles, Proceedings of the 9th International Symposium on Magnetic Bearings, (2004), CDROM L Li et al., A Simple and Miniaturized Magnetic Bearing for Cost-Sensitive Applications, Proceedings of 8th International Symposium on Magnetic Bearings, (2002), pp 561–565 S Ueno et al., Development of a Lorentz-force-type Slotless Active Magnetic Bearing, Proceedings of the 10th International Symposium on Magnetic Bearings, (2006), CDROM T Tokumoto et al., Comparison between Slot and Slotless Constructions of Lorenz Type Self-bearing Motor, Trans of JSME, Vol 68, No 674 C, pp 2992-2998, (2002) Barrett Alan Steele, “ Design of a Lorentz self-bearing motor for space application” Thesis, 2002 Nguyen Huy Phuong, Nguyen Xuan Bien, Vo Duc Nhan, “A study on control of Slotless Self-Bearing Motor” Journal of Science & Technology 136 (2019) 019-025 Virginie Kluyskens, Joachim Van Verdeghem, and Bruno Dehez, “Experimental Investigations on Self-Bearing Motors with Combined Torque and Electrodynamic Bearing Windings” Actuators, June 2019 Vo Duc Nhan, Nguyen Xuan Bien, Nguyen Quang Dich, Vo Thanh Ha, “ Experimental study on Control of a slotless selfbearing motor using nonlinear control”, Vol X, No X, Engineering, Technology, and Applied Science Research, March 2022 Jung-Moo Seo, Joo-Han Kim, In-Soung Jung, “Design and Analysis of Slotless Brushless DC Motor” IEEE Transactión on industry applications, Vol.47, N0.2, March/April 2011 M Defoort, T Floquet, W Perruquetti, S.V Drakunov, “Integral sliding mode control of an extended Heisenberg system”, IET Control Theory Appl., 2009, Vol 3, Iss 10, pp 1409–1424 Huy Phuong Nguyen, Xuan Bien Nguyen, Trung Tuyen Bui, Satoshi Ueno, and Quang Dich Nguyen, “ Analysis and Control of Slotless Self-Bearing Motor” Actuators 2019, 8, 57; doi:10.3390/act8030057 Stephens, L.S and D.G Kim, Analysis and Simulation of a Lorentz-Type Slotless, SelfBearing Motor IFAC paper, 2000 Stephens, L.S and D.G Kim Dynamic Modeling and Validation of a Lorentz, Self Bearing Motor Test Rig in ASME International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition 2001 New Orleans, LA., USA Nguyen, Q.D.; Ueno, S Analysis and Control of Non-Salient Permanent Magnet Axial-Gap Self-Bearing Motor IEEE Trans Ind Electron 2011, 58, 2644–2652 Ueno, S.; Kato, T A Novel Design of a Lorentz-Force-Type Small Self Bearing Motor In Proceedings of the 8th International Conference on Power Electronics and Drive Systems, Taipei, Taiwan, 2–5 November 2009; pp 926–931 ISBN 978-604-80-7468-5 ... tác động lên rotor Xây dựng cấu trúc điều khiển có mạch vịng điều khiển dịng điên, mạch vịng ngồi điều khiển tốc độ với điều khiển PI, kênh điều khiển lực với hai điều khiển PD cấu trúc song... stator, M(Nm) mô men cản, J(kgm2) mô men quán tính rotor động IV XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN Về nguyên lý điều khiển động không lõi thép có lai ổ từ có hai đại lượng cần điều khiển vị trí rotor... men để điều khiển tốc độ dòng xoay chiều Hai dòng điện điều khiển riêng rẽ sau tổng hợp đưa vào khuếch đại nguồn dịng cấp cho dẫn động Sơ đồ cấu trúc điều khiển động lai ổ từ trình bày Hình 3: