(Luận văn) điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục trong hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o NGUYỄN BÁ BẮC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT lu an CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA n va p ie gh tn to ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CĨ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU TRỤC d oa nl w an lu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA ll u nf va KHOA CHUYÊN MÔN oi m z at nh PGS.TS Nguyễn Như Hiển z m co l gm @ PHÒNG ĐÀO TẠO an Lu THÁI NGUYÊN 2016 n va ac th si ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Bá Bắc Sinh ngày: 24 tháng 04 năm 1982 Học viên lớp cao học khóa K16 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Lạng Sơn – Lạng Sơn Xin cam đoan luận văn “Điều khiển vector động đồng từ thơng dọc trục hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục’’ thầy giáo lu PGS TS Nguyễn Như Hiển hướng dẫn công trình nghiên cứu riêng tơi Tất an n va tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng ie gh tn to Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan p HỌC VIÊN oa nl w d Nguyễn Bá Bắc nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phịng ban chức năng, thầy giáo, gia đình đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Như Hiển, trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiêp tận tình hướng dẫn trình thực luận văn lu Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy cô Khoa Điện, phịng thí an nghiệm Khoa Điện - Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp giúp va n đỡ tạo điều kiện để tác giả hoàn thành điều kiện tốt to tn Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian kinh nghiệm ie gh nghiên cứu thân hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi p thiếu xót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy cô nl w giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa d oa thực tế an lu HỌC VIÊN nf va lm ul z at nh oi Nguyễn Bá Bắc z m co l gm @ an Lu n va ac th si iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU .1 Khái quát chung Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC lu an TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ .3 n va 1.1 Mở đầu tn to 1.2 Sự phát triển máy điện đồng kích từ NCVC từ thông dọc trục gh 1.3 Các kiểu máy điện AFPM p ie 1.3.1 Các cấu hình động điện ĐB AFPM w 1.2.2 Lựa chọn cấu hình động AFPM oa nl 1.3.2 Mô hình truyền thống ổ đỡ trục động 10 d 1.3.3 Mơ hình động thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục động 11 an lu 1.3.4 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động điện ĐB AFPM .13 nf va 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 14 lm ul 1.4.1 Động đồng AFPM 14 1.4.2 Ổ đỡ từ 16 z at nh oi 1.5 Các nhiệm vụ cần giải luận văn 22 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 22 z 1.6 Kết luận chương 24 @ gm Chương MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THƠNG DỌC l TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU CĨ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU m co TRỤC 25 an Lu 2.1 Đặt vấn đề 25 2.2 Mơ hình tốn học nhiều biến động đồng 28 n va ac th si v 2.2.1 Đặc điểm mơ hình tốn học trạng thái động động đồng 28 2.2.2 Phương trình điện áp: 30 2.2.3 Phương trình từ thông: 31 2.2.5 Phương trình mơ men 34 2.2.6 Mơ hình tốn học động đồng ba pha .36 2.2.7 Mơ hình toán học động đồng theo định hướng từ trường tọa độ quay đồng hai pha 37 2.3 Tính lực đẩy kéo thay cho ổ đỡ từ dọc trục 38 2.3.2 Mơ hình thay động AFPM để tính lực đẩy kéo .38 lu 2.4 Mơ hình tốn cho động AFPM 42 an n va 2.4 Kết luận 43 THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU 45 gh tn to Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ ie 3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ động đồng từ thơng dọc trục, kích từ NCVC 45 p 3.2 Điều khiển dòng điện 46 nl w 3.4 Điều khiển tốc độ .52 d oa 3.5 Kết luận 55 an lu CHƯƠNG 56 nf va ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG .56 4.1 Số liệu để mơ hình hóa: 56 lm ul 4.2 Cấu trúc mô .56 z at nh oi 4.3 Kết mô 58 3.3 Kết luận 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 z gm @ Kết luận 60 Kiến nghị .60 l m co TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 an Lu n va ac th si vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Động điện - từ với rotor dạng đĩa theo sáng chế số 405 858, 1889 N Tesla Hình 1.2: Các modul động AFPM Hình 1.3: Các cấu hình máy điện từ thông dọc trục NCVC Hình 1.4: Mặt cắt mơ hình động điện thông dụng .10 Hình 1.5: Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động 11 Hình 1.6: Mặt cắt mơ hình động điện thơng dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm hướng trục 12 lu Hình 1.7: Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB) 13 an va Hình 1.8: Mặt cắt động điện đồng từ thông dọc trục kích từ NCVC 14 n có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục .14 tn to Hình 2.2: Mơ hình vật lý động đồng từ thơng dọc trục có tích hợp ổ từ 25 gh Hình 2.2a: Mơ hình vật lý động đồng từ thơng dọc trục có tích hợp ổ từ 26 p ie Hình 2.2b: Mơ hình vật lý động đồng từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ 26 w Hình 2.3: Vector khơng gian góc pha thời gian gần động đồng bộ; 27 oa nl Hình 2.4: Mơ hình xác định từ thơng móc vịng động đồng từ thông d dọc trục nam châm vĩnh cửu 38 an lu Hình 2.5: Sơ đồ thay cho mạch từ động đồng từ thông dọc trục nam nf va châm vĩnh cửu 39 Hình 2.6 : Mơ hình tốn học đầy đủ động đồng từ thơng dọc trục, kích lm ul thích vĩnh cửu có tích hợp ổ từ dọc trục 43 z at nh oi Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ động đồng từ thông dọc trục NCVC 45 Hình 3.2: Mạch vịng điều khiển dòng điện tách 47 z @ Hình 3.3: Mạch vịng điều khiển khoảng cách trục 50 gm Hình 3.4: Mạch vịng điều khiển tốc độ 52 co l Hình 4.1: Sơ đồ mơ điều khiển vectơ động đồng từ thông dọc trục NCVC 57 m Hình 4.2: Đặc tính tốc độ 58 an Lu Hình 4.4: Đặc tính tốc độ mơmen tổng 58 Hình 4.5: Đặc tính lực đẩy kéo F1 F2 59 n va ac th si vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT lu an n va p ie gh tn to d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si MỞ ĐẦU Khái quát chung Trong ngành công nghiệp, hệ thống truyền động điện sử dụng động điện chiều thay hệ thống truyền động điện sử dụng động điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) Do đó, hệ thống truyền động biến tần điều khiển ĐCXCBP phát triển mạnh mẽ mang lại lợi ích kinh tế cao sản xuất Các hệ truyền động ĐCXCBP nghiên cứu phát triển ứng dụng rộng rãi từ năm 80 kỷ trước nhờ khả hoạt động tin cậy, chi phí lu thấp, kích thước nhỏ gọn Đặc biệt, hệ biến tần điều khiển ĐCXCBP an va nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hệ thống có nhiều ưu điểm như: tiết kiệm n lượng; mômen mở máy lớn kéo tải nặng khởi động; việc điều tn to chỉnh tốc độ đơn giản; phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng; có khả điều chỉnh vơ ie gh cấp tốc độ, ĐCXCBP có loại đồng khơng đồng Ưu điểm bật p động đồng ổn định tốc độ cao, tiêu lượng hiệu suất, hệ số nl w cosφ tốt, độ tin cậy cao d oa Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu tổng quan động đồng từ an lu thơng dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu Trong điều kiện ràng buộc hai đầu nf va trục động sử dụng hai ổ đỡ từ Các ổ đỡ từ đỡ cho trục rotor quay mà không chặn dịch chuyển dọc trục rotor lm ul Tính cấp thiết đề tài z at nh oi Hệ truyền động điện ứng dụng động đồng từ thơng dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục, coi z ngành công nghệ tiên tiến thân thiện với mơi trường Chúng góp phần mạnh @ gm mẽ việc nâng cao tốc độ quay cho động giúp động ứng co l dụng môi trường đặc biệt mà động sử dụng vịng bi thơng dụng m làm việc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao Những nghiên cứu an Lu ổ đỡ từ thường tập trung chủ yếu nước phát triển, trước khả ứng dụng mạnh mẽ động điện dùng ổ đỡ từ nhiều lĩnh vực, việc nghiên n va ac th si cứu chế tạo động điện dùng ổ đỡ từ ứng dụng đẩy mạnh nước phát triển ổ đỡ từ sử dụng động điện xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám đồng thời sản phẩm công nghệ xanh Hạn chế việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ dogiá thành cao Phần quan trọng hệ truyền động điện ứng dụng động đồng từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục thiết kế điều khiển vectơ cho động Trong phạm vi luận văn coi hai ổ đỡ từ hướng tâm làm việc theo chức danh định Vì nghiên cứu tập lu an trung vào thiết kế điều khiển động chủ yếu va n Cấu trúc luận văn to Chương 1: Tổng quan động đồng từ thông dọc trục hệ thống p ie gh tn Luận văn gồm có phần w truyền động có tích hợp ổ đỡ từ oa nl Chương 2: Mơ hình tốn học động đồng từ thông dọc trục hệ d thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ lu từ NCVC nf va an Chương 3: Thiết kế điều khiển vectơ động đồng từ thơng dọc trục kích lm ul Chương 4: Đánh giá chất lượng hệ thống z at nh oi Kết luận kiến nghị z m co l gm @ an Lu n va ac th si CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CĨ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Mở đầu Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ công nghệ điện tử công suất, vi xử lý kỹ thuật máy tính, việc điều chỉnh tốc độ động xoay chiều trở nên dễ dàng đạt tiêu chất lượng cao Trong ngành công nghiệp, hệ thống truyền động điện sử dụng động điện chiều thay lu an hệ thống truyền động điện sử dụng động điện xoay chiều ba pha n va (ĐCXCBP) Do đó, hệ thống truyền động biến tần điều khiển ĐCXCBP tn to phát triển mạnh mẽ mang lại lợi ích kinh tế cao sản xuất Các hệ truyền gh động ĐCXCBP nghiên cứu phát triển ứng dụng rộng rãi từ năm p ie 80 kỷ trước nhờ khả hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn w Đặc biệt, hệ biến tần điều khiển ĐCXCBP nhiều nhà nghiên cứu quan tâm oa nl hệ thống có nhiều ưu điểm như: tiết kiệm lượng; mômen mở máy lớn d kéo tải nặng khởi động; việc điều chỉnh tốc độ đơn giản; phạm vi điều chỉnh tốc an lu độ rộng; có khả điều chỉnh vơ cấp tốc độ, ĐCXCBP có loại đồng không nf va đồng Ưu điểm bật động đồng ổn định tốc độ cao, tiêu lm ul lượng hiệu suất, hệ số cosφ tốt, độ tin cậy cao z at nh oi Trong chuyên đề này, tập trung nghiên cứu tổng quan động đồng từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu Trong điều kiện ràng buộc hai đầu trục động sử dụng hai ổ đỡ từ Các ổ đỡ từ đỡ cho trục rotor quay mà z không chặn dịch chuyển dọc trục rotor Để chặn dịch chuyển dọc trục @ gm rotor quay, chuyên đề đề xuất loại động đồng từ thơng dọc trục co l có cấu tạo đặc biệt, vừa tạo mômen quay cho rotor vừa chặn chuyển dịch an Lu phải sử dụng thêm thiết bị chặn khí m dọc trục Điều đó, khơng làm tăng kích thước động không n va ac th si 48 điều khiển dòng điện cách thêm điện usd usq vào đầu điều khiển dòng điện để bù liên kết chéo động Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện biểu diễn hình 3.2 Mạch vịng điều khiển dịng điện tách có chứa số thời gian trội stator (dominant stator time constant) Ts = Ls/Rs số thời gian biến tần Ti Ti khoảng thời gian yêu cầu để biến đổi điện áp đặt thành điện áp đầu biến tần, chủ yếu phụ thuộc vào thời gian lấy mẫu không đổi s tần số điều chế độ rộng xung (PWM frequency) fPWM = 1/TPWM: lu Ti   s  TPWM an (3.3) n va Do giống cấu trúc điều khiển nên việc thiết kế điều khiển dòng tn to điện thực cho mạch vòng điều khiển dòng điện, mạch vòng Sử dụng điều khiển PI để điều khiển dòng điện, hàm truyền mạch hở p ie gh điều khiển dòng điện lại thực tương tự d oa nl w trục d trục q là: G0i = K1 (3.4) an lu Ki T1s+1 1    T1s Ti s+1 Ts s+1 Rs nf va Theo tiêu chuẩn tối ưu modul, số thời gian, số thời gian T1 lm ul điều khiển PI hệ thống chọn cách tối ưu nhằm khử số thời gian lớn mạch vòng: z at nh oi T1  Ts (3.5) z Giá trị tối ưu hệ số khuếch đại điều khiển chọn sau: l gm RsT1 KiTi @ K1  (3.6) co m Kết là, hàm truyền kín mạch vòng điều khiển dòng điện trở thành: an Lu n va ac th si 49 Gsi  id idref  G0i  2 G0i  2Ti s  2Ti s  (3.7) Đối với mạch vòng điều khiển kiểu xếp chồng (overlaid control loop), mạch vòng điều khiển tốc độ mạch vòng điều khiển khoảng cách trục, hàm truyền mạch kín thường đơn giản hóa hệ bậc với số thời gian tương đương Teq  2Ti Gsi  id lu idref  Teq s  an (3.8) n va 3.3 Điều khiển dịch chuyển dọc trục tn to Để đơn giản, giả thiết chuyển động hướng tâm rotor khống gh chế hai ổ đỡ hướng tâm lý tưởng Vì vậy, chuyển động dọc trục độc lập với p ie chuyển động hướng tâm biểu diễn sau: (3.9) oa nl w F  FL  mz d Trong m khối lượng phần chuyển động F lực dọc trục lu nf va an mz  FL  K F i f id  4K F i 2f  id2  iq2  z g0 (3.10) lm ul Biểu thức tổng hợp thành: z at nh oi mz  FL  K z z  Kmid Trong (3.11) z m an Lu Km  K F i f co hệ số chuyển vị động cơ, l gm @ K z  4 K F i 2f  id2  iq2  / g n va ac th si 50 hệ số tỷ lệ dòng Dễ dàng thấy Kz âm, nghĩa hệ thống không ổn định Để ổn định hóa hệ thống, điều khiển với thành phần vi phân sử dụng Mạch vòng điều khiển khoảng cách trục biểu diễn hình 3.3: lu an Hình 3.3: Mạch vịng điều khiển khoảng cách trục n va Mạch vòng điều khiển khoảng cách trục bao gồm hàm truyền kín mạch tn to vịng dịng điện bên hàm chuyển động trục Vì tải trục thường khơng gh biết nên xử lý bước thứ nhiễu bên hệ thống p ie (external system disturbance) w Giả sử điều khiển tỷ lệ vi phân (PD) sử dụng, đầu điều d oa nl khiển vị trí trục đại diện cho dòng điện đặt trục d lu id   K P z  K D z nf va an (3.12) Trong Kp hệ số tỷ lệ Kd hệ số vi phân điều khiển vị trí trục lm ul Thay (3.12) vào (3.11) cho ta z at nh oi mz  K m K D z   K z  K m K P  z  (3.13) Hệ thống trở thành ổn định tất hệ số đa thức có dấu z m co l (3.14) an Lu 2  K z i f  id  iq    KP   Km i f g0    KD  gm @ Vì vậy, Kd > 0, hệ thống ổn định hệ số tỷ lệ thỏa mãn điều kiện n va ac th si 51 Sai lệch tĩnh (sai lệch trạng thái ổn định) xuất điều khiển PD sử dụng, để triệt tiêu sai lệch tĩnh, điều khiển PID sử dụng Hàm truyền điều khiển PID biểu diễn sau: Gcz ( s )  K P  KI  KDs s (3.15) Bằng cách tương tự trên, hệ thống ổn định tham số điều khiển thỏa mãn: lu  i 2f  id2  iq2   KP  i f g0   K K K  Kz  KI  D  m P m  K   I  K D  an n va Trong thực tế, thật không may tín hiệu thành phần vi phân lý tưởng có p ie gh tn to (3.16) chứa thành phần nhiễu đáng kể Nhiễu cao tần đầu vào khuếch đại đáng kể nl w đầu ra, nên tránh sử dụng phần tử vi phân lý tưởng hệ thống thực Hàm d oa truyền điều khiển thực tế biểu diễn sau: nf va an lu Gcz ( s)  K P  KI KD s  s Tf s  (3.17) lm ul Mẫu số định giới hạn cao tần với tần số cắt 1/Tf tử số đóng vai trị hàm vi phân dải tần số góc lớn 1/KD; vậy, điều khiển PID thực z at nh oi đóng vai trò hàm vi phân dải tần từ 1/KD đến 1/Tf Hệ số khuếch đại tần số thấp dB hệ số khuếch đại tần số cao bị giới hạn đến KD /Tf, Tf z chọn từ điều kiện tín hiệu thực @ gm Trong miền thời gian gián đoạn, phương trình (3.9) biểu diễn thành: K I  s  z  1 K D  z  1   z  1  2T f  s  z   2T f  s  m co l Gcz ( s )  K P  (3.18) an Lu sử dụng phương pháp biến đổi Tustin (song tuyến tính - bilinear) n va ac th si 52 3.4 Điều khiển tốc độ Đối với tất loại động cơ, sai lệch mô men điện từ T mô men tải TL gây gia tốc rotor theo đặc tính học truyền động động Phương trình chuyển động quay viết sau: T  TL  J d dt , (3.19) Hoặc dạng hàm truyền cố định: lu   T  TL Js an (3.20) va n Mô men điều khiển dịng điện trục q biểu diễn p ie gh tn to phương trình (2.39); vậy, mạch vịng điều khiển tốc độ biểu diễn hình 3.4 d oa nl w nf va an lu lm ul Hình 3.4: Mạch vòng điều khiển tốc độ Tương tự mạch vòng điều khiển chuyển dịch dọc trục, mạch vòng điều z at nh oi khiển tốc độ bao gồm mạch vòng điều khiển dòng điện bên hàm truyền động cố định Vì tải chưa xác định nên bước thứ coi z nhiễu hệ thống Ảnh hưởng đo lường tốc độ thường kết hợp @ l gm với số thời gian tương đương mạch vòng điều khiển dòng điện Bởi vậy, dẫn đến hàm truyền mạch vòng tốc độ: an Lu KT Teq s  Js m iqref  co  (3.21) n va ac th si 53 Bộ điều khiển tốc độ đơn giản điều khiển tỷ lệ (P), biến đổi sai lệch tốc độ thành tín hiệu điều khiển dòng điện trục q iqđ Giả sử động không mang tải (TL = 0), sai lệch tốc độ dương tạo mô men điện từ dương làm cho hệ tăng tốc đến sai lệch không, sai lệch tốc độ âm tạo mô men điện từ âm làm cho hệ giảm tốc đến sai lệch khơng (chế độ hãm) Vì vậy, sai lệch tĩnh không trường hợp không tải Khi sử dụng điều khiển P, hàm truyền kín hệ là:   ref lu an JTeq J 1 s s KT K P KT K P   s   s   2       n   n  (3.22) va n với: tn to KT K P JTeq (3.23) p ie gh n  d oa nl w tần số góc tự nhiên  (3.24) nf va an lu J KT K PTeq hệ số tắt dần lm ul Từ phương trình này, thấy đáp ứng tốc độ mô men z at nh oi bên định tần số tự nhiên Tần số tự nhiên lớn đáp ứng nhanh,  lớn tắt dần nhanh Để đạt thỏa hiệp, hệ số khuếch đại tối ưu điều khiển dòng diện chọn sau: z co l gm J KT Teq @ KP  m hệ số tắt dần an Lu   1/ n va ac th si 54 Tuy nhiên, tải mô men quay, tồn sai lệch tĩnh sử dụng điều khiển P đơn giản, sai lệch tính sau: e  ref    t   TL KP Phương pháp tiếp cận phổ biến để vượt qua vấn đề áp dụng phần tử đóng vai trị tích phân điều khiển tốc độ Hàm truyền điều khiển tốc độ biểu diễn sau: lu   T1s  Gc ( s )  K1    T1s  an (3.25) va n Khi hàm truyền hở mạch vịng tốc độ là: tn to  T1s KT T1s Teq s  Js (3.26) p ie gh G0 ( s)  K1 w Tương tự điều khiển dịng điện, việc tính tốn tham số K1 T1 oa nl điều khiển phụ thuộc vào hệ thống điều khiển Để có đáp ứng tốc độ d tối ưu, việc tính toán tham số thực theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Hằng lu an số T1 điều khiển PI chọn lớn số thời gian lướn mạch nf va vòng, hệ số khuếch đại chọn cho tần số cắt tương ứng với góc pha cực lm ul đại Kết biểu diễn sau: z at nh oi T1  20Teq  J K   KT T1Teq  z (3.27) @ gm Trong trình tăng tốc, tích phân liên tục cộng thêm sai lệch tốc độ Nếu l tác động tích phân khơng bị giới hạn tích phân cộng thêm đến giá trị m co lớn Tuy nhiên, dòng điện động dòng điện đặt đầu điều khiển an Lu bị hạn chế đến giá trị cực đại Mặc dù giới hạn dòng điện đặt áp dụng, động tăng tốc đầu điều khiển nhỏ khơng Để có n va ac th si 55 dòng điện âm (chế độ hãm), trước tiên giá trị lớn tích phân phải giảm xuống đòi hỏi sai lệch tốc độ phải âm khoảng thời gian dài Điều dẫn đến điều chỉnh tốc độ lớn tiềm ẩn khả ổn định 3.5 Kết luận Từ mô hình tốn học động đồng từ thơng dọc trục, kích từ NCVC thành lập chương 2, ta tiếp tục thiết kế cấu trúc điều khiển tính tốn số điều khiển sau: - Bộ điều khiển vòng động điều chỉnh dòng; lu an - Bộ điều chỉnh lực đẩy kéo tác động đến rotor động thay cho vai trò n va ổ từ hướng trục; tn to - Bộ điều chỉnh tốc độ vòng ie gh Căn vào số liệu động ta có số liệu thơng số điều chỉnh tiến p hành đánh giá chất lượng hệ thống chương sau d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si 56 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4.1 Số liệu để mơ hình hóa: - Động cơ: + Công suất định mức động cơ: 300W + Tốc độ định mức: 6000 vịng/phút + Mơ men định mức: 0,5 Nm lu an + Mô men cực đại: 1,5 Nm n va + Khe hở không khí rotor stator động theo hướng trục tn to z = (0,5 ÷ 2) mm + Độ xác điều chỉnh vị trí 0,5% p ie gh + Khe hở khơng khí ổ từ trục nâng (hướng x,y): [mm] nl w + Thời gian đáp ứng vị trí đặt: 1ms d oa - Biến tần an lu + Công suất: 300W nf va + Điện áp vào chiều 220V lm ul + Tần số điều chế: tùy chọn 20/30/40 kHz + Có khả điều khiển tốc độ quay vị trí dọc trục z at nh oi + Bộ lọc chặn phát nhiễu lên lưới: công suất 300 W, hệ số méo tổng 5% + Bộ lọc nhiễu phía động cơ: cơng suất 300 W z gm @ 4.2 Cấu trúc mô Sơ đồ cấu trúc mô xây dựng dựa vào mơ tả tốn học động l m co (hình 2.6) cấu trúc điều khiển vectơ hình 3.1, minh họa hình 4.1 an Lu n va ac th si 57 lu an n va p ie gh tn to Hình 4.1: Sơ đồ mơ điều khiển vectơ động đồng từ thông dọc trục NCVC d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si 58 4.3 Kết mơ Các đặc tính thu bao gồm: - Đặc tính tốc độ động n = f(t) tần số 50Hz số đôi cực 2p = 1, tương ứng 1500v/ph Minh họa hình 4.2 - Đặc tính mơmen tổng tốc độ động hình 4.3, 4.4 - Đặc tính lực đẩy kéo hình 4.5 Dactinhtocdo 3500 3000 2500 lu an va n(t) 2000 n 1500 to gh tn 1000 nsp n=f(t) 500 p ie 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 nl w d oa Hình 4.2: Đặc tính tốc độ lu nf va 3000 lm ul 2500 z at nh oi 2000 N(t M(t)) TocdovaMomen an 3500 1500 z 1000 n(t) M(t) @ l gm 500 0 0.05 0.1 m co -500 Hình 4.4: Đặc tính tốc độ mômen tổng 0.15 an Lu t(s) n va ac th si 59 5 Lucdaykeo(F1) x 10 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 F2(t) 0.8 F1(t) 0.8 0 -0.2 -0.2 -0.4 -0.4 -0.6 -0.6 -0.8 -0.8 -1 -1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 Lucdaykeo(F2) x 10 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 lu Hình 4.5: Đặc tính lực đẩy kéo F1 F2 an n va 3.3 Kết luận tn to gh Kết mơ hình 4.2 đến 4.5 cho ta thấy: Thành phần lực F1 p ie F2 hoàn toàn đối xứng, tổng chúng không chuyển dịch z = Đồ thị d oa nl w tốc độ hình 4.2 có chất lượng tĩnh động tốt nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Các hệ truyền động điện tự động sử dụng ổ từ thay cho ổ khí mang đến tính vượt trội cho hệ như: Hệ thống có tốc độ chuyển động lớn, không yêu cầu bôi trơn làm việc tốt môi trường nhiệt độ, áp suất cao thấp,…Nhưng ứng dụng chưa có tính phổ biến thơng Các cơng trình nghiên cứu tập trung vào việc thu nhỏ kích thước, giảm giá thành bền vững làm việc cho loại ổ từ lu an Tài liệu tham khảo lĩnh vực ỏi Luận văn đạt số đóng n va kết sau: tn to - Mô tả tốn học cho động đồng từ thơng dọc trục, kích từ NCVC; ie gh - Dựa vào mơ tả toán học xây dựng cấu trúc điều khiển thiết kế p điều khiển cho mạch vòng dòng điện, lực đẩy kéo tốc độ có chất lượng tốt; nl w oa - Trong điều kiện thiếu thốn mặt, kinh nghiệm thiết kế chế d tạo, nên luận văn dừng lại việc mô thành công hệ điều khiển nf va an lu Kiến nghị lm ul Nội dung luận văn có đóng góp điều khiển động cơ, lĩnh vực điều khiển ổ đỡ từ hướng tâm số nội dung phải quan tâm Đó z at nh oi vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu z m co l gm @ an Lu n va ac th si 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Phung Quang and Jörg-Andreas Dittrich, “Vector Control of Three-Phase AC Machines”, springer [2] Akira Chiba, adashi Fukao,Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, asatsugu Takemoto and David G Dorrell, “Magnetic Bearings and Bearingless Drives”, Newnes, 2005 [3] Quang Dich Nguyen and Satoshi Ueno, “Analysis and Control of NonSalient Permanent Magnet Axial-Gap Self-Bearing Motor”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol PP, No 99, pp 1-8, 2010 (early access) lu an [4] Quang Dich Nguyen and Satoshi Ueno, “Modeling and Control of Salient- va n Pole Permanent Magnet Axial Gap Self-Bearing Motor”, IEEE/ASME Transactions [5] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động xoay chiều ba ie gh tn to on Mechatronics, Vol PP, No 99, pp 1-9, 2010 (early access) p pha”, NXB Giáo dục, 1998 nl w [6] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, “Truyền động điện thông minh”, d oa NXB KHKT, 2006 an lu [7] Trong Duy Nguyen, Student Member, IEEE, King-Jet Tseng, Senior Member, IEEE, Shao Zhang, Student Member, IEEE, and Hoan Thong Nguyen, “A nf va Novel Axial Flux Permanent-Magnet Machine for Flywheel Energy Storage System: lm ul Design and Analysis”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, No.9, z at nh oi September 2011 [8] Trong Duy Nguyen, Gilbert Foo Hock Beng, King-Jet Tseng, Don Mahinda z Vilathgamuwa, and Xinan Zhang, “Modeling and Position-Sensorless Control of a gm @ Dual-Airgap Axial Flux Permanent Magnet Machine for Flywheel Energy Storage l Systems”, Journal of Power Electronics, Vol 12, No 5, September 2012 m co [9] K D Do, “Bounded controllers for formation stabilization of mobile agents with limited sensing ranges”, IEEE Transactions on Automatic Control, vol an Lu 52, no 3, pp 569–576, 2007 n va ac th si 62 [10] K D Do, “Formation tracking control of unicycle-type mobile robots with limited sensing ranges”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol 16, no 3, pp 527–538, 2008 [11] K Do and J Pan, “Nonlinear control of an active heave compensation system”, Ocean Engineering, vol 35, no 5-6, pp 558–571, 2008 [12] Do K.D., D.H Nguyen, T.B Nguyen “Nonlinear Control of Magnetic Bearings”, Journal of Measurement Science and Instrument, Vol 1, No 1, 2010, pp.10-16/ lu an n va p ie gh tn to d oa nl w nf va an lu z at nh oi lm ul z m co l gm @ an Lu n va ac th si