Tóm tắt luận án: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VÕ ĐỨC NHÂN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023 Cơng trình hồn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Quang Địch TS Nguyễn Trường Giang Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Động điện tự nâng động điện rotor động nâng hồn tồn khơng có tiếp xúc khơng gian nhờ vào lực từ, ngồi khả sinh mơ men quay động cịn có khả tự sinh lực nâng để giữ cố định rotor Trong thời gian gần động điện sử dụng ổ từ hướng nghiên cứu thu hút mạnh mẽ nhiều nhà khoa học giới Chúng giới thiệu phần tử máy có giá trị với nhiều đặc điểm cơng nghệ có phạm vi ứng dụng rộng Hình Cấu trúc chung động ổ từ thông thường Trong động điện sử dụng ổ từ thông thường, động điện đặt hai ổ từ ngang trục Hai ổ từ có nhiệm vụ điều chỉnh hướng chuyển động x1, y1, x2 y2 trục quay động Còn chuyển động dọc trục trục quay (hướng z) điều khiển ổ từ từ dọc trục Các lực nâng trục điều khiển hệ thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay động ln nằm lõi stator Như vậy, kể chuyển động quay động điện sinh động điện ổ từ có bậc tự So với động vòng bi cơ, động điện sử dụng ổ từ có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp giá thành cao hạn chế nhiều ứng dụng Để khắc phục nhược điểm hướng nghiên cứu kết hợp chức động điện với ổ từ tiến hành Với mục tiêu xây dựng động ổ từ có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ giá thành thấp, nhiều cơng trình nghiên cứu tập trung phát triển loại động tự nâng theo nguyên lý lực Lorentz có sơ đồ cấu trúc mơ tả hình 1.1 Để điều khiển mô men quay lẫn lực nâng ngang trục cơng trình cơng bố xây dựng mơ hình stator dẫn có cấu trúc điều khiển cho động với hai kênh điều khiển vị trí tốc độ Tuy cơng trình có số kết mơ hình động lực học phức tạp gây khó khăn cho thiết kế điều khiển Do hướng nghiên cứu luận án phát triển động tự nâng stator không lõi thép, stator quấn dây, áp dụng lý thuyết máy điện lực Lorenzt để xây dựng mơ hình điều khiển từ thiết kế điều khiển Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu a Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mơ hình động lực học cho động tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải để làm rõ khả sinh lực đồng thời mô men quay lẫn lực nâng ngang trục Thiết kế hệ điều khiển động tự nâng stator không lõi thép nhằm đảm bảo điều khiển lực nâng ngang trục lẫn mô men quay động b Đối tượng nghiên cứu Động tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải rotor dạng nam châm hình trụ c Phạm vi nghiên cứu Hệ điều khiển tốc độ vị trí ngang trục động tự nâng stator không lõi thép d Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết sở tiếp thu kết nghiên cứu từ cơng trình nghiên cứu cơng bố nước nước ngồi thành nghiên cứu Viện Kỹ thuật điều khiển tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội để từ đề xuất phương pháp hồn thiện hệ điều khiển cho động tự nâng stator không lõi thép Kiểm chứng kết nghiên cứu mô thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài luận án Luận án nghiên cứu để đưa phương pháp xây dựng mơ hình điều khiển động stator khơng lõi thép dây quấn rải có lai ổ từ Từ áp dụng cho thiết kế điều khiển để nâng cao chất lượng điều khiển cho động tự nâng stator khơng lõi thép Góp phần vào công việc thiết kế chế tạo động tự nâng stator không lõi thép chạy dược tốc độ cao, ứng dụng vào thực tế Dự kiến kết nghiên cứu - Xây dựng mơ hình tốn học cho động tự nâng stator khơng lõi thép kích từ vĩnh cửu stator dây quấn rải Sử dụng lý thuyết máy điện phép biến đổi vector để xây dựng mơ hình động học thuận tiện cho việc thiết kế điều khiển - Thiết kế điều khiển vị trí cho động tự nâng stator khơng lõi thép, có điều khiển PD song song kết hợp với điều khiển Feedforward bù nhiễu lực ly tâm đưa phương án cấp dòng điện chiều để trì lực nâng Đề xuất phép biến đổi tọa độ tĩnh từ tín biệu hệ trục (x,y) sang tín hiệu hệ (ad, be cf) thay cho phép biến đổi tọa độ quay để tránh tượng sinh mô men hãm ngược - Chế tạo mơ hình thực nghiệm hệ truyền động động tự nâng stator không dùng lõi thép để kiểm chứng thuật toán điều khiển Nội dung nghiên cứu Nội dung luận án chia thành bốn chương, bao gồm: Chương Trình bày tổng quan chung động tự nâng stator không lõi thép Chương Xây dựng mơ hình tốn học động tự nâng stator khơng lõi thép từ đề xuất cấu trúc điều khiển Chương Thiết kế điều khiển động tự nâng stator không lõi thép Chương Xây dựng mơ hình động tự nâng stator không lõi thép thực nghiệm Kết luận kiến nghị Chương TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 1.1 Nguyên lý cấu tạo động tự nâng stator không lõi thép dạng Động tự nâng stator khơng lõi thép có cấu tạo gồm hai phần: Stator rotor Hình 1.1 TẢI Giá dỡ nhơm Khung nhựa Cuộn dây stator Rotor Vỏ sắt S N Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động tự nâng stator không lõi thép Rotor: Cấu trúc rotor trình bày hình 1.2 có rotor nam châm vĩnh cửu, vỏ sắt bao quanh để dẫn từ hình 1.3: Trục nối với tải Khớp nối mềm N S Đế nhôm S N Vỏ sắt Rotor Nam châm Vĩnh cửu Hình 1.2 Cấu tao rotor động tự nâng stator khơng lõi thép Hình 1.3 Đường sức từ có vỏ sắt Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo vòng dây quấn dây quấn pha động trình bày hình 1.5 Sơ đồ bố trí dẫn pha stator trình bày hình 1.6 Cuộn dây  Z e-  /2 c- a- b+ S e+ N f- d-   p a+   f+ t Lõi nhựa Hình 1.4 Cấu tạo khung dây động tự nâng stator khơng lõi thép  +a -a Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo vòng dây dẫn động b- c+  d+ t Hinh 1.6 Sơ đồ bố trí dây dẫn stator động khơng lõi thép Vị trí cuộn dây thứ k xác định theo ký hiệu θ0+ θk Tổng quát hóa với sơ đồ quấn dây có n vịng, vị trí vịng dây thứ k xác định công thức tổng quát sau: k 1 2m  k   phase  0      3n phase k  k 1 2m   k    phase     3n  (1.1) Trong m hệ số tương ứng với pha: pha a tương ứng m = 0,… pha f tương ứng m = cấu tạo cụ thể mặt cắt đứng mặt cắt ngang trình bày Hình 1.7 n  r n  r Vỏ sắt S Thanh dẫn N B B Y a-   f- f+ + b+ + e- t + d+  a+ + B X c  b- + c+ +  d- e+ Hình 1.7 Sơ đồ mơ tả ngun lý cấu động tự nâng stator không lõi thép 1.2 Khái quát lực Lorentz áp dụng cho động tự nâng stator khơng lõi thép Nam châm rotor có cường độ từ trường B, tác động với dẫn có chiều dài ℓ có dịng điện I chạy qua, lực F tính cơng thức định luật Lorentz: F  B I sin  1.3 Cơ chế tạo lực ổ ntừ (1.2)  r r  n Y a) Xét Vỏ théprotor đứng im khe hở khơng khí đồng Xét sơ đồ ngun lý động hình 1.8, ta có lực F-ad Thanh dẫn B   F a F S  d   F a    F d   B I  a sin   N B I  d sin(    )  B I  a sin(    )       B I  d Bsin( n dẫn r –ad: Tổng hợp lực cho  +ad rvà dẫn  Vỏ thép a f b + -  +e + f + - a t d+ B c++ + b e - X c - +  d ++ + - n  (1.3) ) Y a f b + -  +e (1.4) + f +  t a d+ + Thanh dẫn B c+ + Khi chọn góc θ0 = 45 , ta có đồ thị véc tơ lực sinh cuộn a d được btrình bày trên-Hình X 1.8 e c d + ++  + B B  F ad  B I  ad sin     F ad  B I  ad sin(   )  S N Y +a -a F ad 0  X Fad F ad +d -d Hình 1.8 Đồ thị véc tơ lực cặp cuộn dây a-d tác động lên rotor Tổng hợp lực cho dẫn ad ta có: Fad  2B iaf sin  Trong đó:   0      0  3 (1.5) Chiếu lực lên hai trục X-Y ta thu hai thành phần lực Fx Fy  Fxad  Fad cos    Fyad  Fad sin  Với (1.6)  x   y   , cường dộ dòng điện I ad  Ibe  I cf ta có tổng hợp lực pha:   Fad  2 B iaf sin   2  f  Fbe  2 B ib sin(   )  2  f  Fcf  2 B ic sin(   ) (1.7) Do dẫn cố định nên ba lực Fad ,Fbe ,Fcf tạo phản lực tác động lên rotor ký hiệu Fadr ,Fber ,Fcfr Ba lực đẩy tác động lên rotor giữ cho rotor cân tạo chức tương tự ổ từ giữ cho rotor đồng tâm Chiếu lực lên hai trục X-Y ta có:   Fxad  Fad cos  ; Fyad  Fad sin   2 2  ); Fybe  Fbe sin(   )  Fxbe  Fbe cos(   3  2 2   Fxcf  Fcf cos(   ); Fycf  Fcf sin(   ) b) Khi rotor quay khe hở khơng khí δ đồng Từ (1.7) suy lực tác động dẫn lên rotor rotor quay với tốc độ góc t là: (1.8)   Fad  2 B iaf sin(   t )  2  f  t )  Fbe  2 B ib sin(    2  Fcf  2 B icf sin(    t )   (1.9) c) Trường hợp khe hở khơng khí δ không đồng lệch tâm rotor N S Cuộn dây Cuộn dây Khi rotor bị lệch tâm (xem Hình 1.9) ta có sai lệch trục X Y ∆x ∆y Y Fy Fx x X y Hình 1.9 Mơ tả lệch tâm rotor động tự nâng không lõi thép Chiếu ba lực lên trục X-Y ta có hai dịng điện ix iy lực ổ từ trục X-Y là:  Fx  k fx ix   Fy  k fy iy Khi rotor quay ta biểu diễn véc tơ dòng điện tổng quay ngược với chiều quay rotor i (1.10) f biểu diễn ba trục a-d, b-e c-f là: iadf  ix cos t  i y sin t   f ibe  ix cos(t  2 / 3)  i y sin(t  2 / 3)  f  icf  ix cos(t  4 / 3)  i y sin(t  4 / 3) (1.11) 1.4 Cơ chế sinh mơ men quay Từ cơng thức (1.2), dịng điện tạo mơ men dịng điện xoay chiều ví dụ cuộn dây a-d ta cấp cho dòng điện xoay chiều: T iad  I m cos Dòng điện tác động với từ trường B tạo nên ngẫu lực quay rotor (xem Hình 1.9) (1.12) Tổng mô men tác dụng cuộn a-d gây nên: Y M ad  2B r cos 0    sin 0   I m cos T a F +a (1.13 Ta cung cấp cho dòng điện xoay chiều cho ba cặp cuộn dây a-d, b-e, c-f để sinh mô men: -a FTa N S T d X F -d +d FTd T iad  I m cos T ibe  I m cos(  2 / 3) T icf  I m cos(  2 / 3) (1.14 Hình 1.10 Phân tích thành phần lực tạo mơ men động tự nâng stator không lõi thép Ta có mơ men ba cặp cuộn dây ad, be cf tạo nên tính:   M  k cos   t   sin   t   I cos m  0  m  ad   2 2 2       t   sin     t   I m cos(  )  M be  km cos    3          2 2 2     M cf  km cos     t   sin     t   I m cos(  ) 3         (1.15) Trong km  2B r Từ (1.14) (1.15) ta có: ia ,d  iaf,d  iaT,d  f T ib,e  ib,e  ib,e  f T ic,f  ic,f  ic,f (1.16) Dòng điện stator tổng hai thành phần dòng điện tạo lực ổ từ mơ men quay Do đó, biểu diễn thành: ia ,d  ix cos t  iy sin t  I m cos  ib,e  ix cos(t  2 / 3)  iy sin(t  2 / 3)  I m cos(  2 / 3)  ic,f  ix cos(t  4 / 3)  iy sin(t  4 / 3)  I m cos(  2 / 3) Với góc    o  t (1.17) CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP DÂY QUẤN RẢI 2.1 Mơ hình động tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải Trong chương khái qt mơ hình động học động tự nâng khơng lõi thép stator có dây quấn dạng Ta thấy phương trình mơ tả lực nâng mơ men phức tạp khó áp dụng để tbieets kế điều khiên Luận án đề xuất xây dựng mơ hình động tự nâng stator khơng lõi thép (TNSKLT) với stator dây có sáu bối dây, rải theo chu vi stato ảnh Trên Hình 2.1a mặt cắt đứng mơ hình động TNSKLT: Rotor nam châm vĩnh cửu hình trụ từ hóa với cường độ từ trường B, để khép kín mạch từ cho từ trường người ta bao xung quanh động vỏ thép quay với rotor Rotor nối với tải thử nghiệm máy phát chiều (MFMC) qua khớp nối mềm, trục Z động cố định hai trục ngang X-Y thả lỏng Các phận ghép nối làm vật liệu nhôm để cách từ Stator dây quấn rải Hình 2.1b hình ảnh cuộn dây Nguyên lý triển khai dây quấn Hình 2.1c Hình 2.1d, ta thấy sơ đồ bố trí ba cặp cuộn dây a-d, b-e, c-f theo chu vi stator Như động có hai khe hở: δ khe hở cuộn dây stator rotor δn khe hở cuộn dây stator vỏ thép, hai khe hở liên quan chặt chẽ với nhau, nên ta cần điều khiển giữ δ không đổi giữ cho tổng khe hở khơng khí khơng đổi  Khung nhơm TẢI MFMC Khớp nối mềm Vỏ thép Đế nhôm n Cuộn dây stato khung nhựa Giá đỡ nhôm  S N Rô to -c -e a) +e +f +d -b -a +a +b -f b) +c -d c) +b Y Y Y -a +f Jb I ad -e -f +a I be X X -b X -c +e -d +c I cf d) Hình 2.1 Sơ đồ dây stator mơ hình động tự nâng stator không lõi thép f Do ta nối -a +d cấp cho cặp dẫn dòng điện iad vào hai đầu +a -d để tạo lực từ Fad , để f xác định véc tơ lực từ Fad ta phải dựa vào véc tơ dòng điện I ad tương ứng cho cặp cuộn dây a-d 2.1.2 Lực ổ từ mơ hình động tự nâng stator khơng lõi thép Lực nâng động tự nâng stator khơng lõi thép có độ lớn tính:   Fad  kn B iadf sin(   t )  2  f  t )  Fbe  kn B ibe sin(    2  Fcf  kn B icff sin(    t )   (2.1)  Y Fy Y Fy Fy a) Fx Rô to Fx Fx Fx Fx X Rô to Fy Fx X Fy Fy a) b) Hình 2.4 Lực ổ từ động TNSKLT hệ đứng im đồng tâm (a) lệch tâm (b) tọa độ X-Y 2.1.3 Mô men quay động tự nâng stator không lõi thép Sử dụng tính chất vật lý tạo sức từ động cặp bối dây cấp cho ba cặp bối dây động dòng xoay chiều: T iad  I m cos T ibe  I m cos(  2 / 3) T icf  I m cos(  2 / 3) Trong     t với    (2.10) Đồ thị véc tơ dịng từ trường trình bày Hình 2.5 q Y (t ) I adT I beT 0  t X  d B I cfT Hình 2.5 Đồ thị véc tơ dịng điện đẳng trị động tự nâng không lõi thép Dùng phép biến đổi véc tơ cho máy điện ta chọn véc tơ tổng I s trùng với trục q hình 2.6 Với mơ hình nghiên cứu động tự nâng stator không lõi thép, điện cảm Ls động nhỏ (Ls= 0,006 mH), động chạy với tần số 1000Hz (60.000v/f) giá trị điện kháng stator cỡ 0,037Ω, so với điện trở stator 3,2Ω (xem số liệu động Bảng 3.1) (điều tương tự máy điện đồng làm việc chế độ trở) dẫn đến véc tơ dòng điện tổng I s trùng pha với véc tơ sức điện động E , tức véc tơ dòng điện tổng I s trùng với trục q Điều có nghĩa dịng stator khơng có thành phần trợ từ diệt từ ( sd  Ls I sd  ) 11 q   I s  ( I a  aI b  a I c )  2 j  a  e Y Is t T I ad T I be d r X (2.11) I cfT Hình 2.6 Biểu diễn dịng điện stato động khơng gian véc tơ Từ thơng rotor  r tính cường độ từ trường nhân với diện tích cực từ rotor:  r   r B(Wb ) Mơ men động tính: Trong kM  M  kM r I sm  kM r I sm Nkdq r (2.12) (2.13) \ 2.2 Mơ hình điều khiển động tự nâng stator khơng lõi thép 2.2.1 Phân tích phương pháp điều khiển a Cấu trúc điều khiển động tự nâng stator không lõi thép dạng (dạng I) Cấu trúc điều khiển động tự nâng stator không lõi thép dạng I hình 2.7 - Hệ có hai đại lượng cần điều khiển vị trí rotor (X Y) tốc độ động (ω) Như hệ điều khiển có 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 I kf dòng chiều để điều khiển vị trí rotor dịng điện tạo mơ men I kT để điều khiển tốc độ dòng xoay chiều Hai dịng điện điều khiển riêng rẽ sau tổng hợp đưa vào khuếch đại nguồn dòng cấp cho dẫn động - Đại lượng nhiễu kênh điều khiển tốc độ mô men tải Mc, nhiễu xen kênh từ sai lệch vị trí rotor ảnh hưởng tới lực sinh mơ men Nhiễu kênh vị trí lực cản trọng lực rotor Fc nhiễu lực ly tâm D Kênh điều khiển tốc độ có điều khiển tốc độ có đại lượng biên độ cực đại dòng xoay chiều Im qua biến đổi theo (1.14)     t Tốc đô động ω lấy từ đo resolver ta ba T T T ,ibe ,icf ) dịng xoay chiều ( iad Kênh điều khiển vị trí có hai điều khiển theo trục X điều khiển vị trí trục Y với lượng đặt kích thước khe hở khơng khí δ (khơng đổi) tín hiệu vị trí lấy từ hai đo khoảng cách hai trục X-Y Đầu hai điều khiển vị trí tín hiệu hai dịng điện ∆ix ∆iy Qua biến đổi tọa độ (X-Y )→(a-d, b-e,c-f) theo (1.11) Đặc điểm phương pháp điều khiển vị trí điện lực nâng xuất có sai lệch tức khơng có sai lệch rotor thả lỏng Dịng tạo lực xoay chiều có số quay với rotor chiều r quay ngược lại dùng biến đổi (1.11) ba lực nâng ( Fad ,Fber ,Fcfr ) đứng im với rotor Ưu điểm phương pháp hiệu suất động cao dịng tạo mơ men phát huy nhiều Nhược điểm phương pháp ổn định vị trí rotor tạo mô men hãm ngược gây dao động tốc độ 12 y y* - y + I y BKĐ A iad I *ad +a a-d,b-e,c-f -d + Bộ điều khiển vị trí BKĐ B + ibe * I be I cf* icf I x X-Y BKĐ C + +c -f +    + Bộ điều khiển tốc độ - I sm  Reslover T I ad cos * cos(  2 ) cos(  2 ) N -e + - x + X S +b x x* Y T I be I cfT  d/dt Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động stator tự nâng không lõi thép dạng I b Cấu trúc điều khiển động tự nâng stator không lõi thép (dạng II) Cấu trúc điều khiển động tự nâng stator khơng lõi thép dạng II đươc trình bày Hình 2.8, cấu trúc dạng II giống dạng I có hai kênh điều khiển tốc độ vị trí Có khác cấu f trúc dạng II ln tồn dịng I phân tích 2.1.2 Như rotor ln giữ chặt lực nâng liên tục Ưu điểm phương pháp vị trí rotor bền vững với nhiễu, nhược điểm tiêu tốn điện so với phương pháp dạng I hiệu suất động thấp Sự khác biệt tiếp khâu biến đổi tọa độ dịng lực nâng chiều nên biến đổi tọa độ biến đổi tĩnh 2→3 Biến đổi tọa độ ( ix ,i y )  ( iad ,ibe ,icf ) Khi hệ có sai lệch vị trí rotor hệ điều khiển tạo hai dòng điện hệ tọa độ X-Y ∆ix ≠ ∆iy ≠ ta cần phải biến đổi hai tín hiệu dịng ( ix ,i y ) sang dòng cặp cuộn dây (a-d, b-e, c-f) ( iad ,ibe ,icf ) Hình 2.9a I 0f - y y* y iad ix + + - x* x + +a -d + Y f I beo I 0f X Y Điều khiển ví trí x BKĐ A I *ad BKĐ B ibe * I be + + I i y icf -e I cf* + BKĐ C +c -f    + - Bộ điều khiển tốc độ  I sm Reslover T I ad cos * cos(  2 ) cos(  2 ) N f + ad  be  cf X S +b T I be I cfT  d/dt Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động tự nâng stator không lõi thép dạng II 13  ix iad ad  be  cf ibe i y icf x, y Y Y a) A I ad B i y i   I be X ix X I cf C b) Hình 2.9 Sơ đồ biến đổi dịng điện hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) Phương pháp biến đổi dòng điện biến thiên dòng hệ tạo độ (X- Y) ( ix ,i y ) sang dòng ( iad ,ibe ,icf ) sau: Ta tính được: i  i  i x y   i  sin   y  i (2.14) Vì chất phép biến đổi chuyển đại lượng véc tơ i với biên độ i góc pha  sang ba véc tơ ( iad ,ibe ,icf ) hệ tọa độ tĩnh ba pha (A,B,C) mặt phẳng (X-Y) (xem Hình 2.10b) Vị trí véc tơ i góc  phụ thuộc vào sai lệch rotor ( x,y ) độ lớn véc tơ i phụ thuộc vào giá trị dòng ( ix ,i y ) hay nói độ lớn sai lệch ( x,y ) 2.3 Động lực học trình điện từ động TNSKLT 2.3.1 Động lực học mạch phần ứng Giả thiết ba cuộn dây có thơng số giống nhau, khơng có nối điện với nhau, đặt cách 1200, ta có phương trình điện áp cho thành phần cho pha: Q trình điện từ mạch stator dịng tạo lực nâng usf dicf  Ls  isf Rs dt (2.15) 14 - Quá trình điện từ dịng tạo mơ men quay usT  e( t )  Ls dist  RsisT dt (2.16) Từ (2.17) (2.18) ta xây dựng sơ đồ thay mạch phần ứng cho trình tạo lực nâng trình bày Hình 2.10a sơ đồ thay mạch phần ứng cho q trình tạo mơ men quay trình bày Hình 2.10b Trong U sf U sT điện áp stator ứng với trình tạo lực nâng tạo mơ men quay, Es sức điện động xoay chiều cảm ứng, R điện trở L điện cảm mạch phần ứng Rs Rs Ls U sf I sT Es I sf Ls U sT a) b) Hình 2.10 Sơ đồ thay pha mạch phần ứng động TNSKLT 2.3.2 Động lực học mạch vòng điều khiển lực nâng Phương trình chuyển động theo trục X dvx  F  F  m x cx  dt  dx  v x  dt   Fx  k f ix   (2.17) Phương trình chuyển động theo trục Y dv y  F  F  m  y cy dt  dy  v y  dt   Fy  k f i y   (2.18) Trong đó: x(m), y(m) vị trí rotor tính theo trục X trục Y phát cảm biến vị trí; m(kg) khối lượng rotor; Fcx(N), Fcy(N) lực cản rotor quy đổi trục X trục Y; Fx(N), Fy(N) lực đẩy động sinh quy trục X trục Y sinh dòng điện ba cuộn dây stator quy trục X trục Y, ta có mơ hình đối tượng điều khiển vị trí rotor động trình bày Hình 2.11 15 Fx Ix k fx Fcx - vx ms + s x s y Fcy Iy Fy k fy - ms + vy Hình 2.11 Cấu trúc đối tượng điều khiển vị trí rotor Đại lượng tác động vị trí lực thơng qua đại lượng dịng điện Ix Iy, hai dòng điện ba dòng f f f điện chiều I ad ,I be ,I cf tạo nên chiếu trục X-Y 2.3.3 Động lực học chuyển động Vấn đề chuyển động quay rotor: Trục rotor mơ hình động TNSKLT nối với tải khớp mềm Do góc lệch mặt rotor nhỏ β≤3.50 nên giả thiết bỏ qua thay đổi mơ men qn tính, tức dJ/dt = Mặt khác khe hở khơng khí thay đổi gây mơ men động thay đổi giả thiết gần bỏ qua, ta có phương trình động học chuyển động động cơ: M dc  M c  J d dt (2.19) Từ (2.22) ta có mơ hình đối tượng điều khiển mơ men trình bày Hình 2.12 Mc I sm M k M r - +  Js Hình 2.12 Mơ hình đối tượng điều khiển mô men Đại lượng tác động tốc độ động mô men, mô men động điều khiển dịng điện tạo mơ T T T men I ad ,I be ,I cf thông qua điều khiển biên độ cực đại ba dòng điện Ism 16 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHƠNG LÕI THÉP 3.1 Tổng hợp mạch vịng tốc độ Trên Hình 3.1 sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ: Mc * u dN/dt + - k IT I sm  sTi R km r M - +  Js Hình 3.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ động Áp dụng tiêu chuẩn mô đun tối ưu bậc ba để tổng hợp điều khiển tốc độ Ta hàm truyền điều khiển tốc độ PI Cụ thể: FR ( s )  k R  s R s R (3.2) J ; R  4Ti khâu tao gia tốc Với k R  km kit  4Ti s 3.2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí Mạch vịng điều khiển vị trí trình bày Hình 3.2 Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển vị trí PD có hai mạch vịng nối song song - Điều khiển tốc độ chuyển dịch vị trí Rv(x,y): m  k Rvx  2k T f i   m k   Rvy 2k f Ti  (3.3) - Điều khiển vị trí R(x,y):  k Rx  2 ; vx  2Ti vx   k Ry  ; vy  2Ti  2 vy (3.4) 17 Cấu trúc có ưu điểm đáp ứng nhanh, nhiên lại không khử sai lệch nhiễu tải nhiễu ngoại nên thường phải thiết kế thêm điều khiển Feedforward bù nhiễu Để khắc phục nhiễu D ta phải thiết kế bù nhiễu theo điều khiển feedforward Để thiết kế bù nhiễu có hai điều kiện: Phải đo ước lượng nhiễu D phải nhận dạng hàm truyền mạch điều khiển bù Thực tế nhiễu ngoại xuất ngẫu nhiên nên cần phải dùng quan sát nhiễu Ta có hai mạch đo vị trí x y có biểu thức tính tốn lực ly tâm nên quan sát ước lượng nhiễu thực nhiên giới hạn nội dung luận án tập trung vào giải pháp loại bỏ nhiễu, mô ta giả thiết đo nhiễu theo nhiễu đưa vào hệ D  D Để thiết kế điều khiển bù nhiễu ta chọn nhiễu có dạng hàm điều hịa Dạng nhiễu phù hợp lực ly tâm động quay Chọn điểm tác động tín hiệu bù nhiễu đầu điều khiển vị trí Cấu trúc bù nhiễu dùng điều khiển Feedforward trình bày Hình 3.5 Bộ điều khiển Vị trí có bù nhiễu kf +  sTi + I *x,yf Fx,y + I x,y D - + + + - Fc GFF + k Rx,y I 0f + x* , y*+ D x, y s ms k Rv vx,y - + v*x,y  s Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển vị trí PD có hai mạch vịng nối song song có bù nhiễu Từ cấu trúc điều khiển hình 3.5 ta viết kf  *f   Fc  D   ( x, y ) ( I x,y  GFF D )  sTi   ms (3.5) Biến đổi biểu thức (3.5):  * f k f kf     Fc    GFF D  D    ( x,y )  I x,y  sT  sT i i     ms  (3.6) Thiết kế hàm Feedforward: GFF( s )   sTi kf (3.7) Thay (3.7) vào (3.6) ta được:  * f k f    Fc   D  D   ( x, y )  I x,y  sTi  ms     (3.8) Về nguyên tắc ta phải thiết kế khâu ước lượng nhiễu, giả thiết phạm vi báo giả thiết ước lượng nhiễu D  D Thay vào (3.5) ta nhận được:  * f kf   Fc   ( x, y )  I x,y  sT i   ms (3.9) Như nhiễu D khử 3.4 Mô hệ điều khiển động tự nâng stator không lõi thép Số liệu mơ hình nghiên cứu động tự nâng stator khơng lõi thép trình bày Bảng B3.1 18 Bảng 3.1 Số liệu động TNSKLT Thông số stator Thông số rotor Đại lượng Giá tri Đại lượng Giá trị   0,5( mm ) Cường độ từ trường B  0,49(T ) Khe hở không khí Khối lượng rotor m  0,04( kg ) Số vòng dây pha  0,02( m ) Chiều cao rotor r  0,01( m ) Bán kính rotor Mơ men qn tính J  2.106 ( kgm ) Dòng điện định mức cho lực từ I Nf  1( A ) Thơng số thí nghiệm tính tốn 52 vịng Rs  3,2 Điện trở Đại lượng Lực từ định mức Hệ số lực từ k f  1( N ) A M N  0,065( Nm ) kM  0,045( Nm ) A ke  0,0141 V v/ p Ls  0,006mH Hệ sô mô men Dịng điện định mức cho mơ men I NT  1,45( A ) Hệ số sức điện động nN  4500( v / p ) Fc  1( N ) Mô men định mức Điện cảm Tốc độ định mức Giá trị Hằng số thời gian cuộn dây stator Ti  0,19( ms ) Kịch mô hệ điều khiển: Đầu tiên cho tốc độ khơng vị trí sai lệch ban đầu theo hai trục x, y đặt x = - 0.3 mm, y = + 0.3 mm Tại thời điểm giây cho khởi động động đến 4500 v/p sau làm việc ổn định, giây cho động đảo chiều Tác động nhiễu: Bắt đầu từ đến 1,7 giây cho nhiễu có dạng hàm điều hịa Dy = Dx = Đáp ứng hệ trình bày Hình 3.6 a) Dạng nhiễu tác động b) Đáp ứng vị trí có tác động nhiễu c) Đáp ứng biến thiên dòng điện sinh lực từ có tác động nhiễu d) Đáp ứng vị trí có điều khiển bù nhiễu e) Đáp ứng biến thiên dòng điện sinh lực từ có điều khiển bù nhiễu f) Đáp ứng tốc độ khởi động làm việc ổn định đảo chiều 19 g) Đáp ứng dịng điện sinh mơ men quay động Hình 3.4 Kết mơ hệ điều khiển động tự nâng stator không lõi thép Nhận xét: 1- Cấu trúc điều khiển có lực ban đầu Fo, rotor giữ chặt nên có khả chống nhiễu, nhiên với nhiễu lực ly tâm hệ điều khiển không khử hết, sai lệch vị trí nhỏ rotor bị dao động 2- Khi có nhiễu lực ly tâm có tần số cao biên độ lớn nên để kháng nhiễu ta cần sử dụng điều khiển bù nhiễu Hiệu điều khiển Feedforward nhiễu có hiệu tốt tác động nhanh, q trình điện từ dịng điện lực từ nhanh q trình chuyển dịch vị trí 3- Đáp ứng tốc độ địng điện sinh mơ men quay phù hợp với động học mạch vòng điều khiển tốc độ 20 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ TNSKLT VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Cấu trúc xây dựng mơ hình thử nghiệm Để kiểm chứng kết nghiên cứu chương 3, ta xây dựng mơ hình thực nghiệm ta dùng thiết bị mơ HIL với hệ điều khiển DSP1104 nối với máy tính có cài phần mềm Matlab&Simulink, Controldesk mạch lực động hình 4.1 BKĐD A iuad +a -d Y BKĐD B MÁY TÍNH iube CARD DSP 1104 X S +b N -e BKĐD C iucf  Máy phát điện chiều +c -f  Encorder Điện trở tải Hình 4.1 Mơ hình thử nghiệm động tự nâng stator không lõi thép 4.2 Kết xây dựng mô hình Hình ảnh hệ thống thực nghiệm bao gồm thiết bị Hình 4.2 Hình 4.2 Hình ảnh hệ thống thực nghiệm 4.3 Thực nghiệm xác định thông số ban đầu a Kiểm tra thông số sức điện động - Thí nghiệm đo sức điện động động cơ: Tiến hành sử dụng máy điện chiều 12VDC kéo động tự nâng stator khơng lõi thép sau đo điện áp đầu cuộn dây pha để tính sức điện động: Sử dụng đồng hồ đo sức điện động Sử dụng máy đo tốc độ kế quang học để đo tốc độ động SSBM Đo động SSBM đồng hồ Fluke có thơng số bảng sau: Bảng 4.1 Đo thông số động tự nâng không lõi thép Thông số n (v/p) 200 500 1000 2000 2500 3000 3500 4500 Epha (V) 0,27 0,67 1.4 2,9 3,6 4,3 4,9 6.40 21 Từ tính hệ số sức điện động gần đùng: ke  00141( V ) Thí nghiệm đo điện trở điện cảm v/ p stator Thực thiết bị đo cầu đo LCR 821 Giá trị điện trở pha stator R = 3,2Ω, điện cảm L= 0,006 mH b Thí nghiệm dạng sức điện động động tự nâng stator không lõi thép Xác định dạng sức điện động cách cho máy điện chiều quay động tự nâng không lõi thép dùng thiết bị đo osciloscop ghi lại dạng sóng sức điện động trình bày Hình 4.3 Với dạng sóng hàm điều hòa cho thấy giả thiết chương (động có stator dây rải rotor từ trường tập trung) Hình 4.3 Dạng sóng sức điện động tự nâng khơng lõi thép a) Lúc bắt đầu khởi động c Thí nghiệm xác định vị trí cực từ từ trường rotor Do khơng có Resolver nên cần thí nghiệm để xác định cực từ rotor phương pháp: Cho dòng điện vào cuộn dây a-d tác dụng lực Lorentz nên rotor chuyển động vị trí 450, trùng với véc tơ dòng điện đẳng trị I ad rotor dừng (do góc lệch véc tơ từ trường dịng điện không) 4.4 Thử ngiệm điều khiển - Sử dụng cấu trúc điều khiển vị trí điều khiển PD điều khiển tốc độ PI - Kịch thử nghiệm: + Tiến hành kiểm tra điều khiển, điều khiển vị trí Vị trí ban đầu rotor x = 0.5 mm, y= 0.5 mm, thời điểm 0.8s kích hoạt điều khiển vị trí Kết thu Hình 4.4 Lúc vị trí rotor đưa vị trí cân sau 0.12s, dịng điện Ix Iy thay đổi tương ứng giới hạn từ -1A đến 1A a) Đáp ứng vị trí trục x,y (mm) b) Đáp ứng dịng điện ix, iy (A) Hình 4.4 Kết thực nghiệm điều khiển vị trí + Sau điều khiển vị trí hoạt động, động đưa vị trí cân bằng, tiến hành tăng tốc độ động từ v/p đến 4500 v/p, kiểm tra đáp ứng tốc độ thay đổi vị trí rotor kết Hình 4.5a Lúc đáp ứng vị trí (Hình 4.5b) theo trục x, y có dao động nhiên giá trị nhỏ, sai lệch vị trí lớn < 0.03 mm qua cho thấy điều khiển vị trí hoạt động tốt động hoạt động tốc độ cao 22 a Thay đổi tốc độ từ v/p đến 4500 v/p b Đáp ứng vị trí trục x, y khởi động chạy động a Thử nghiệm xen vị trí lên kênh tốc độ Hình 4.5 Đáp ứng vị trí tốc độ để khảo sát tính xen kênh + Để chứng minh điều khiển vị trí điều khiển tốc độ hoạt động độc lập, động chạy với tốc độ 4000 v/p, tiến hành tác động lực vừa đủ theo trục x y động cơ, kiểm tra đáp ứng vị trí tốc độ vị trí thu kết Hình 4.5c Lúc sai lệch vị trí xảy sau điều khiển vị trí triệt tiêu sai lệch đưa 0, tốc độ động không thay đổi cho thấy hai điều khiển tốc độ vị trí hoạt động độc lập với Đáp ứng tốc độ dòng điện Hình 4.12, động khởi động tới tốc độ 2000v/p chạy ổn định sau đảo chiểu (Hình 4.6a) a) Đáp ứng tốc độ động b) Đáp ứng dịng điện Im Hình 4.12 Kết thực nghiệm điều khiển tốc độ Hình 4.6 Đáp ứng đánh giá sai số quỹ đạo x-y động chạy ổn định 4000 v/p Nhận xét chung: Kết thí nghiệm cho thấy động TNSKLT vận hành ổn định, điều khiển vị trí tốc độ làm việc tốt tồn sai lệch khơng hồn tồn xác mơ phỏng, song sai lệch lớn nên điều khiển sử dụng để điều khiển động cơ, đồng thời xác minh việc mơ hình hóa động gần xác so với động thực nghiệm 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Khái quát nội dung nghiên cứu Luận án giải nội dung sau: - Khái quát nguyên lý cấu tạo, làm việc động TNSKLT Phân tích rõ thêm tính tạo lực ổ từ động TNSKLT theo nguyên lý cấu tạo dẫn - Xuất phát từ mơ hình nghiên cứu động TNSKLT phịng thí nghiệm có dây stator rải (không phải dẫn), luận án đề xuất mơ hình điều khiển véc tơ lực ổ từ mơ men, làm rõ mơ hình ổ từ động - Thiết kế điều khiển động TNSKLT có chức ổ từ theo phương án cấu trúc phương án điều khiển nhau, đồng thời nhiễu hệ phương pháp thiết kế điều khiển chống nhiễu - Các kết nghiên cứu minh chứng qua mô thực nghiêm mơ hình phịng thí nghiệm Những đóng góp mới: Đề xuất phương pháp xây dựng mơ hình điều khiển động TNSKLT dây quấn rải, gồm: - Mơ hình tạo lực nâng rotor với lượng tác động dòng chiều cấp cho ba cuộn dây stator, có giá trị ban đầu khơng đổi I0 để trì lực nâng rotor cân Đề xuất phép biến đổi véc tơ lực nâng quay tọa độ ba pha sang véc tơ lực nâng hệ tọa độ tĩnh hai pha, từ xây dựng mơ hình chức ổ từ động với hai cặp lực tĩnh hai trục trực giao X Y, tương tự lực nâng ổ từ chủ động - Sử dụng phép biến đổi véc tơ máy điện để xây dựng mô hình động học sinh mơ men quay động thuận tiện cho việc tính tốn mơ men tổng hợp điều khiển tốc độ Điều khiển vị trí rotor cho động tự nâng stator khơng lõi thép dây rải, thiết kế trện hệ trục XY có điểm mới: - Dùng điều khiển vị trí PD kết hợp với điều khiển Feedforward bù nhiễu lực ly tâm - Hai tín hiệu đầu hai điều khiển vị trí chuyển đổi thành ba tín hiệu biến đổi tọa độ tĩnh (2 →3) tạo tín hiệu tỷ lệ với ba dòng chiều cấp cho ba cuộn dây stator động để tạo lực nâng Chế tạo thành cơng mơ hình thử nghiệm động tự nâng stator khơng lõi thép dây rải phịng thí nghiệm chạy thành cơng với cấu hình điều khiển đề xuất Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp: - Kết nghiên cứu luận án dừng lại minh chứng nguyên lý động TNSKLT có chức ổ từ Chưa chạy tốc độ cao cần xây dựng hồn chỉnh mơ hình nghiên cứu phịng thí nghiệm: Nâng cơng suất động cơ, thay biến đổi cơng suất để chạy tốc độ cao, hoàn chỉnh thiết bị đo tải mơ hình - Về điều khiển cần giải hai vấn đề tồn tại: Trong luận án giải vấn đề xen kênh mạch vòng điều khiển tốc độ lên mạch vịng điều khiển vị trí rotor, chưa nghiên cứu tác động mạch vòng vị trí rotor tới mạch vịng điều khiển tốc độ như: Khi rotor quay lệch tâm làm biến thiên mô men qn tính, đồng thời ảnh hưởng tới dao động mơ men động 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyen Huy Phuong, Nguyen Xuan Bien, Vo Duc Nhan “A Study on Control of Slotless SelfBearing Motor”, Journal of Science & Technology, 136 (2019) 019-025 Quang Dich Nguyen, Huy Phuong Nguyen, Kien Trung Nguyen, Duc Nhan Vo, Xuan Bien Nguyen, Satoshi Ueno, Van Nam Giap, “Robust Sliding Mode Control for Slotless-Self Bearing Motor System,” J Electr Eng Technol (2022) https://doi.org/10.1007/s42835-022-01214-z Quang Dich Nguyen, Huy Phuong Nguyen, Duc Nhan Vo, Xuan Bien Nguyen, Satoshi Ueno, Shyh-Chour Huang, Van Nam Giap, ‘‘Robust sliding mode control based a novel super-twisting disturbance observer and fixed-time state observer for slotless-self bearing motor system’’, IEEE Access, vol 10, pp 23980–23994, (2022) https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3155121 Võ Đức Nhân, Nguyễn Xuân Biên, Vũ Văn Học, Phạm Thị Lý, Nguyễn Quang Địch, “Một cách tiếp cận xây dựng mô hình động học điều khiển cho động tự nâng không lõi thép”, Chuyên san Đo lường, điều khiển Tự động hóa Vol (1) (2023)-ISSN 1859-0551 Võ Đức Nhân, Nguyễn Xuân Biên, Phạm Thị Lý, Nguyễn Quang Địch, “Nghiên cứu giải pháp khử nhiễu vị trí hệ điều khiển động tự nâng không lõi thép”, Chuyên san Đo lường, điều khiển Tự động hóa, Vol (2) (2023)-1859-0551