nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mô hình toán học và hệ điều khiển ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy, trong đó mô hình toán học dạng bậc phân số.Phạm vi n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Quang Địch

2 PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh

PGS.TS Nguyễn Quang Địch PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm Lê Ngoc Hội

LỜI CẢM ƠN

Trải qua một thời gian dài, với rất nhiều khó khăn và thử thách nghiên cứu sinh cũng đã hoàn thành bản luận án của mình Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp

Qua đây tác giả muốn gửi những lời cảm ơn sâu sắc đến những người thầy, người

giáo viên hướng dẫn của tôi là PGS.TS Nguyễn Quang Địch và PGS.TS Nguyễn

Tùng Lâm, những người đã định hướng, tận tình hướng dẫn về chuyên môn và bổ

sung kịp thời những kiến thức liên quan Xin chân thành cảm ơn tới các thầy thuộc Viện Kĩ thuật điều khiển & tự động hóa (Viện Công nghệ điều khiển & tự động hóa)

và khoa Tự động hóa đã cho nghiên cứu sinh rất nhiều những góp ý trong các buổi báo cáo chuyên môn định kì của Viện và các Ban của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án Tác giả cũng xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu - Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh đi học; cảm ơn tới Ban chủ nhiệm Khoa, các anh chị đồng nghiệp Khoa Công Nghệ Điện đã hỗ trợ để nghiên cứu sinh sắp xếp được thời gian, vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa nghiên cứu luận án

Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè và đặc biệt là vợ con

đã hết lòng ủng hộ, ở bên cạnh để nghiên cứu sinh hoàn thành nội dung nghiên cứu này

Lê Ngọc Hội

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC HÌNH VẼ xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

3 Mục tiêu nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Những đóng góp mới của luận án 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

7 Bố cục và nội dung của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ DỌC TRỤC 6

1.1 Khái niệm chung về ổ từ 6

1.1.1 Vài nét về lịch sử phát triển ổ đỡ từ 6

1.1.2 Phân loại ổ đỡ từ 7

1.2 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ dọc trục 8

1.2.1 Khái quát về ổ từ dọc trục 8

1.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ổ từ dọc trục 10

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế 12

1.3.1 Nghiên cứu phát triển cấu trúc và mô hình toán học ổ từ dọc trục 12

1.3.2 Các phương điều khiển 16

1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án 19

1.4.1 Chọn cấu hình ổ từ dọc trục 19

1.4.2 Xây dựng mô hình toán học và thiết kế điều khiển ổ từ dọc trục 20

1.5 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA Ổ TỪ CÓ ẢNH HƯỞNG DÒNG XOÁY 23

2.1 Xây dựng mô hình toán học ổ từ có ảnh hưởng dòng xoáy gồm một cặp cực từ hình E 23

2.1.1 Mô hình toán học một cực từ hình E có ảnh hưởng dòng xoáy 24 2.1.2 Mô hình toán học ổ từ hình E có ảnh hưởng dòng xoáy 1 cặp cực từ:35 2.2 Xây dựng mô hình toán học ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy gồm 3 cặp

3.2 Thiết kế bộ điều khiển PD cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy 60

3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển PD cho ổ từ một cặp cực từ 60

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PD cho ổ từ gồm 3 cặp cực 63

3.3 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping 66

3.3.1 Thiết kế điều khiển Backstepping cho đối tượng đạo hàm bậc phân số 66

3.3.2 Kỹ thuật điều khiển Backstepping cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy 67

3.4 Kết luận chương 3 76

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ DỌC TRỤC CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG DÒNG XOÁY 77

4.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt 77

4.1.1 Thiết kế điều khiển trượt cho đối tượng đạo hàm bậc phân số 77

4.1.2 Thiết kế điều khiển trượt cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy 78 4.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt kết hợp bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số (FO ESO) 87

4.2.1 Bộ quan sát trạng thái mở rộng FO ESO 88

4.2.2 Bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy 91

4.3 Kết luận chương 4 105

CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG HỆ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 106

5.1 Mô tả cấu hình thí nghiệm 106

5.2 Phần cứng của hệ điều khiển ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy 113

5.2.1 Mô tả phần cứng của hệ điều khiển ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy 113

5.2.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện của bộ biến đổi công suất 114

5.2.3 Cảm biến khoảng cách 115

5.3 Trình tự thực hiện thí nghiệm: 116

5.4 Xây dựng giao diện thí nghiệm: 117

5.5 Thí nghiệm và lấy kết quả của giai đoạn nâng tĩnh 119

5.6 Kết luận chương 5 120

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

PHỤ LỤC 129

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

1 Danh mục các từ viết tắt

STT Từ viết

tắt

Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng việt

4 SMC Sliding mode control Điều khiển Trượt

6 FO ESO Fractional order extended state

observer

Bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số

11 ADRC Active Disturbance Rejection

Controller

Điều khiển loại bỏ nhiễu chủ động

13 DC Direct Current Dòng điện một chiều

14 AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

17 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử

18 BIBO Bounded-input bounded-output Giới hạn đầu vào giới

hạn đầu ra

2 Danh mục các ký hiệu

01 i p, i A Dòng điện điều khiển trên miền thời gian, có giá trị thay

đổi theo thời gian

02 i o A Dòng điện một chiều cố định (dòng tiền từ hóa)

04 f dt N Lực từ phi tuyến trên miền thời gian tác dụng lên rotor

05 f p N Lực từ đã tuyến tính hóa quanh vị trí cân bằng

06 f o N Lực từ tại vị trí cân bằng

07 F t  N Lực từ trên miền thời gian

08 F s  N Lực từ điều khiển trên miền tần số

09 F s p  N Lực từ điều khiển trên miền tần số

10 F t  N Lực từ tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

12 g Mm Khe hở giữa rotor và stator

13 g o z o Mm Khoảng cách khe hở giữa stator và rotor khi rotor ở vị

trí cân bằng

14 z  g p Mm Độ lệch vị trí của rotor so với vị trí cân bằng

15  ( ) t Wb Từ thông trên miền thời gian

16  ( ) s Wb Từ thông trên miền tần số

17 p( )s Wb Từ thông điều khiển trên miền tần số

20 N Vòng Số vòng dây của cuộn dây điều khiển

22 A m2 Diện tích mặt cắt ngang của cực từ

23 b Mm ½ chiều rộng cực từ

27 o H/m Độ dẫn điện của chân không

28 r Hệ số độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt

39 B o T Mật độ từ thông cố định

40 B t p  T Mật độ từ thông điều khiển

42

s

H A/m Cường độ từ trường bề mặt

43 l eff  x M Chiều dài hiệu dụng của mạch từ

58 z i Tín hiệu điều khiển trạng thái thứ i, i1, ,6

59 zˆi Tín hiệu quan sát trạng thái thứ i, i 1, ,6

60 z ui Tín hiệu điều khiển trạng thái thứ i, i1, ,5 của cặp

67 e i Sai số giữa trạng thái điều khiển i và trạng thái đặt i,

i=1,…,6

69 f zu N Nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor tại cặp cực từ u

70 f zv N Nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor tại cặp cực từ v

71 f zw N Nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor tại cặp cực từ w

r fe

x l



76 T1 2

2

4b



77  rad/s Tần số góc của dòng điện xoay chiều đặt vào 2 đầu cuộn

dây nam châm điện

78 f Hz Tần số của dòng điện xoay chiều đặt vào 2 đầu cuộn dây

nam châm điện

C  , i 1, ,6 là hệ số của bộ quan sát FO ESO

84 o Cực (hệ số khuếch đại) của bộ quan sát FO ESO

85 K w s, Các hệ số của bộ điều khiển trượt (SMC)

86 k i1 Hệ số ảnh hưởng của dòng xoáy phần tử sắt thứ 1 cực

94 imax A Dòng điện cực đại

95 V m3 Thể tích của khe hở không khí

99 PI D  Bộ điều khiển PID bậc phân số

100 ,  Bậc phân số của bộ điều khiển PID

101 J x, J y Kg.m2 Mô men quan tính quanh trục x và y

103 d u e u N/kg Tổng nhiễu tải phi tuyến tại cặp cực từ u

104 d v e v N/kg Tổng nhiễu tải phi tuyến tại cặp cực từ v

105 d w e w N/kg Tổng nhiễu tải phi tuyến tại cặp cực từ w

106 W J Năng lượng được tích trữ trong khe hở không khí

107

i

 i1, ,5 Biến điều khiển ảo thứ i

108 ui i1, ,5 Biến điều khiển ảo của cặp cực từ u

112 J z Kg.m2 Mô men quan tính quanh trục z

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân loại các loại ổ từ 7

Bảng 2.1: Các thông số của ổ từ hình E như Hình 2.2 25

Bảng 3.1: Các thông số của cực từ hình E như Hình 2.2 và Hình 5.6 56

Bảng 3.2: Tham số điều khiển Backstepping 71

Bảng 3.3: Kết quả so sánh giữa bộ điều khiển BSC và PD 71

Bảng 4.1: Tham số điều khiển của SMC 81

Bảng 4.2: Kết quả so sánh giữa bộ điều khiển SMC, BSC và PD 82

Bảng 4.3: Tham số điều khiển SMC kết hợp bộ quan sát trạng thái FO ESO 94

Bảng 5.1: Các thông số của rotor ổ từ 110

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo ổ lăn 6

Hình 1.2: Cấu trúc hệ ổ từ 8

Hình 1.3: Cực từ hình C 9

Hình 1.4: Ổ từ hình nón 9

Hình 1.5: Sơ đồ các thành phần của ổ từ dọc trục 10

Hình 1.6: Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB 11

Hình 1.7: Cấu trúc ổ từ gồm 3 cặp cực hình E 20

Hình 1.8: Cấu trúc điều khiển ổ từ dọc trục 21

Hình 2.1: Biên độ lực từ của cực từ cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật (2.3) khi ΔI=0.01ω (A) 24

Hình 2.2: Cực từ hình E có xét ảnh hưởng dòng xoáy 25

Hình 2.3: Phần tĩnh của biên độ lực từ khi I 1 =0.2ω (A) 26

Hình 2.4: Phần điều hòa của biên độ lực từ khi I 1 =0.2ω (A) 26

Hình 2.5: Phần tĩnh của biên độ lực từ khi I 2 =0.21ω (A) 27

Hình 2.6: Phần điều hòa của biên độ lực từ khi I 2 =0.21ω (A) 27

Hình 2.7: Biên độ lực từ của cực từ cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật (2.3) và biên độ lực từ cực từ ảnh hưởng dòng xoáy xác định bằng FEM khi ΔI=0.01ω (A) 27

Hình 2.8: Phân bố mật độ từ thông B 28

Hình 2.9: Phân bố cường độ từ trường H 29

Hình 2.10: Mạch từ cực từ hình E có xét ảnh hưởng dòng xoáy 29

Hình 2.11: Biên độ lực từ tính theo (2.3), (2.29) và xác định bằng FEM 35

Hình 2.12: Mô tả ổ từ kép gồm một cặp cực từ hình E 36

Hinh 2.13: Phân tích các lực tác động vào rotor trong các hệ tọa độ [34] 39

Hình 2.14: Ổ từ dọc trục trong hệ z, x , y và u, v, w [34] 49

Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển của ổ từ dọc trục trong hệ tọa độ z, x , y 52

Hình 3.1: Vùng ổn định của hệ thống hàm bậc phân số 59

Hình 3.2: Cấu trúc hệ điều khiển PD đối với ổ từ gồm 1 cặp cực 60

Hình 3.3: Vị trí rotor z 1 và giá trị đặt r 1 đối với ổ từ gồm 1 cặp cực 62

Hình 3 4: Dòng điện điều khiển PD đối với ổ từ gồm 1 cặp cực 63

Hình 3.5: Cấu trúc hệ điều khiển PD đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 64

Hình 3.6: Vị trí rotor z 1 và giá trị đặt r 1 đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 65

Hình 3.7: Dòng điện điều khiển PD đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 65

Hình 3.8: Cấu trúc hệ điều khiển BSC đối với ổ từ gồm 1 cặp cực 70

Hình 3 9: Vị trí rotor z 1 và giá trị đặt r 1 đối với ổ từ gồm 1 cặp cực 71

Hình 3.10: Dòng điện điều khiển BSC đối với ổ từ gồm 1 cặp cực 72

Hình 3.11: Cấu trúc hệ điều khiển Backstepping đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 74

Hình 3.12: Vị trí rotor z 1 và giá trị đặt r 1 với ổ từ gồm 3 cặp cực khi ω=0 (rad/s) 75 Hình 3.13: Dòng điện điều khiển đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 75

Hình 4.1: Cấu trúc hệ điều khiển trượt (SMC) đối với ổ từ gồm một cặp cực 80

Hình 4.2: Vị trí rotor z 1 và giá trị đặt r 1 đối với ổ từ gồm 1 cặp cực 81

Hình 4.3: Dòng điện điều khiển SMC đối với ổ từ gồm một cặp cực 82

Hình 4.7: Vận tốc của rotor z 3 và giá trị đặt r 3 SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 86

Hình 4.8: Biến trạng thái z 4 và giá trị đặt r 4 SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 86

Hình 4.9: Gia tốc z 5 và giá trị đặt r 5 SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 86

Hình 4.10: Dòng điện điều khiển SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 87

Hình 4.11: Cấu trúc hệ điều khiển SMC kết hợp FO ESO cho ổ từ gồm 1 cặp cực 94 Hình 4.12: Trạng thái mở rộng thực tế và quan sát đối với ổ từ gồm một cặp cực 95 Hình 4.13: Vị trí của rotor z 1 và giá trị đặt r 1 đối với ổ từ gồm một cặp cực 95

Hình 4.14: Biến trạng thái z 2 và giá trị đặt r 2 đối với ổ từ gồm một cặp cực 95

Hình 4.15: Vận tốc của rotor z 3 và giá trị đặt r 3 đối với ổ từ gồm một cặp cực 96

Hình 4.16: Biến trạng thái z 4 và giá trị đặt r 4 đối với ổ từ gồm một cặp cực 96

Hình 4.17: Gia tốc z 5 và giá trị đặt r 5 đối với ổ từ gồm một cặp cực 96

Hình 4.18: Dòng điện điều khiển đối với ổ từ gồm một cặp cực 97

Hình 4.19: Cấu trúc hệ điều khiển SMC kết hợp với FO ESO ổ từ gồm 3 cặp cực 99 Hình 4 20: Vị trí rotor z 1 và giá trị đặt r 1 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 100

Hình 4.21: Biến trạng thái z 2 và giá trị đặt r 2 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 100

Hình 4.22: Vận tốc của rotor z 3 và giá trị đặt r 3 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 101

Hình 4.23: Biến trạng thái z 4 và giá trị đặt r 4 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 101

Hình 4.24: Gia tốc z 5 và giá trị đặt r 5 SMC kết hợp FO ESO ổ từ gồm 3 cặp cực 101 Hình 4.25: Dòng điện điều khiển SMC kết hợp FO ESO cho ổ từ gồm 3 cặp cực 102 Hình 4.26: Vị trí rotor z 1 và giá trị đặt r 1 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 102

Hình 4.27: Biến trạng thái z 2 và giá trị đặt r 2 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 103

Hình 4.28: Vận tốc của rotor z 3 và giá trị đặt r 3 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 103

Hình 4.29: Biến trạng thái z 4 và giá trị đặt r 4 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực 103

Hình 4.30: Gia tốc z 5 và giá trị đặt r 5 SMC kết hợp FO ESO ổ từ gồm 3 cặp cực 104 Hình 4.31: Dòng điện điều khiển SMC kết hợp FO ESO cho ổ từ gồm 3 cặp cực 104 Hình 5.1 : Cấu hình hệ thí nghiệm 106

Hình 5.2: Cấu trúc mô hình thực nghiệm ổ từ dọc trục 107

Hình 5.3: Hình dạng rotor mô hình 108

Hình 5.4: Thiết kế chi tiết rotor 109

Hình 5.5: Thiết kế trục của rotor 109

Hình 5.6: Hình dạng và kích thước của một cực từ 111

Hình 5.7: Cụm nắp dưới đã lắp ráp 111

Hình 5.8: Rotor và cụm nắp trên đã lắp ráp 112

Hình 5.9: Khung vỏ ổ từ dọc trục, động cơ và cảm biến 113

Hình 5.10: Sơ đồ mô tả hệ thống điều khiển cho ổ từ dọc trục 113

Hình 5.11: Mạch vòng điều khiển dòng điện của bộ biến đổi 114

Hình 5.12: Cấu hình kênh vào đo vị trí cho dS-1104 [34] 116

Hình 5.13: Cấu hình kênh ra đặt dòng điện cho dS-1104 [34] 117

Hình 5.14: Giao diện điều khiển tuyến tính theo u, v, w 118

Hình 5.15: Giao diện điều khiển tuyến tính theo cặp cực từ góc u 119

Hình 5.16: Vị trí rotor khi nâng tĩnh theo các cặp cực từ u, v, w 120

Hình 6.1: Cực từ hình E có cùng kích thước như cực từ hình C như Hình 1.3 129

Hình 6.2: Mật độ từ thông qua khe hở không khí của cực từ hình C và hình E 130

Hình 6.3: Sơ đồ cấu trúc, đối tượng điều khiển và nhiễu tải bên ngoài tác động 131 Hình 6.4: Bộ điều khiển PD đối với một cặp cực từ 131

Hình 6.5: Sơ đồ cấu trúc, đối tượng điều khiển và nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, bộ điều khiển PD đối với ổ từ gồm ba cặp cực từ 133

Hình 6.6: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Backstepping đối với một cặp cực từ 133

Hình 6.7: Tạo tín hiệu đầu vào, đối tượng điều khiển và nhiễu tải phi tuyến đối với một cặp cực 134

Hình 6.8: Sơ đồ điều khiển Backstepping đối với một cặp cực 136

Hình 6.9: Sơ đồ điều khiển Backstepping, đối tượng điều khiển đối với ổ từ gồm ba cặp cực từ 137

Hình 6.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển SMC đối với một cặp cực 138

Hình 6.11: Sơ đồ điều khiển SMC đối với một cặp cực 138

Hình 6.12: Đáp ứng đầu ra đối với một cặp cực 139

Hình 6.13: Sơ đồ điều khiển SMC, đối tượng điều khiển ổ từ gồm ba cặp cực 142

Hình 6.14: Cấu trúc điều khiển SMC kết với với ESO FO đối với một cặp cực 142

Hình 6.15: Sơ đồ điều khiển SMC kết hợp với FO ESO đối với một cặp cực 143 Hình 6.16: Sơ đồ điều khiển SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm ba cặp cực 144

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ổ đỡ từ chủ động là thiết bị cơ điện sử dụng lực từ trường để nâng rotor hoặc để giữ rotor ở vị trí chính giữa trong khe hở không khí mà không có tiếp xúc cơ học Do

bộ truyền động ổ từ không tiếp xúc mang lại lợi ích to lớn cho nhiều ứng dụng công nghiệp bao gồm máy quay [1], vận chuyển kim loại [2], quy trình phủ kim loại [3], vận chuyển silicon [4], hệ thống servo công cụ [5] và quang khắc [6]

Mạch từ (stator và rotor) của ổ từ thông thường được ghép bằng các lá thép kỹ thuật để giảm tổn hao dòng xoáy khi có từ thông biến thiên trong vật liệu sắt từ, khi các lá thép kỹ thuật càng mỏng thì tổn hao dòng xoáy càng nhỏ, tuy nhiên các lá thép

kỹ thuật dù mỏng đến mức nào vẫn tồn tại tổn hao dòng xoáy Đối với những ứng dụng trên và một số ứng dụng khác của ổ từ thông thường, đặc biệt đối với ổ từ dọc trục do mối quan tâm đến kinh phí chế tạo và yêu cầu về độ bền cơ học nên rotor

dọc trục khi có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator [7]

Định luật Faraday’s quy định rằng dòng xoáy sẽ xuất hiện trong bộ truyền động cho dù được cấu trúc bởi các lá thép kỹ thuật hay cấu trúc nguyên khối và ảnh hưởng

rõ ràng nhất trong bộ truyền động cấu trúc nguyên khối khi cho dòng điện thay đổi theo thời gian vào đầu cuộn dây stator Những dòng xoáy này tạo ra một từ trường chống lại sự thay đổi của trường biến thiên được tạo ra bởi dòng điện cuộn dây của

bộ truyền động, gây ra sự giảm lực điện từ được tạo ra và dẫn đến lực thay đổi chậm hơn so với dòng điện, từ đó có thể khẳng định dòng xoáy có tác động rất lớn đến động lực học của ổ từ dọc trục cấu trúc nguyên khối do hiệu ứng dòng xoáy rất phức tạp Một mô hình phân tích chính xác về động lực học của ổ từ dọc trục có ảnh hưởng của dòng xoáy sẽ rất có lợi trong giai đoạn thiết kế, để xác định tác động của các đặc tính hình học và vật liệu của bộ truyền động đối với hiệu suất của hệ thống ổ từ, kiến thức như vậy rõ ràng có thể được sử dụng trong tối ưu hóa thiết kế Một mô hình động lực học chính xác cũng cho phép bù đắp tác động tiêu cực của dòng xoáy bằng một bộ điều khiển được thiết kế thuật toán phù hợp với mô hình toán học để có thể đạt được chất lượng làm việc tốt hơn, như Fittro và Knospe đã chứng minh [1]

Trong các nghiên cứu đã được công bố [7]–[14], các tác giả chỉ đưa ra mô hình toán học trên miền tần số của một cực từ hình trụ và hình C có ảnh hưởng của dòng xoáy và được trình bày khá chi tiết Đối với cực từ có ảnh hưởng của dòng xoáy hình

E có ưu điểm như mở rộng đường dẫn từ thông, tăng từ thông chính trong mạch từ,

tăng độ lớn lực từ so với cực từ hình C, các công trình trước đây chưa đưa ra được kết quả cũng như các bước xác định từ trở hiệu dụng và mô hình toán học Do đó việc xây dựng được mô hình toán học cực từ hình E thay thế cực từ hình C nhằm nâng cao chất lượng làm việc của ổ từ dọc trục Hơn nữa trong các công trình của Lei Zhu và

dòng xoáy trên miền tần số, các mô hình toán học của ổ từ một cặp cực từ hoặc nhiều

của dòng xoáy mà Lei Zhu và Carl R Knsope [7]–[14] đưa ra có chứa thành phần đạo hàm bậc phân số, đây là thành phần ảnh hưởng của dòng xoáy khi có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator, khi khởi động hoặc khi có nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor

Các công trình nghiên cứu về điều khiển ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy chưa có nhiều công trình được công bố Vào năm 2014, Zackary W Whitlow [15] đã nghiên cứu bộ điều khiển PID, FBL (phản hồi tuyến tính hóa) và FBL-PID, vào năm 2015 Jianpeng Zhong và Lichuan Li [16] cũng đã nghiên cứu bộ điều khiển PID bậc phân số (FO PID) cho ổ từ có ảnh hưởng của dòng xoáy, đa số các công trình nói trên các tác giả đã dùng phương pháp điều khiển cổ điển trên miền tần số, các phương pháp điều khiển hiện đại trên miền thời gian như BSC, SMC chưa có công trình công bố

Cho tới thời điểm hiện tại, hầu hết các công trình nghiên cứu và ứng dụng đối với

ổ từ dọc trục phần lớn có đặc điểm chung là trong hệ thống điều khiển đều sử dụng cảm biến tốc độ quay để thu được tín hiệu phản hồi cho các mạch vòng điều khiển Tuy nhiên, đối với ổ từ dọc trục dùng cảm biến để đo tốc độ quay có giá thành không

hề rẻ, làm tăng chi phí cho toàn hệ thống, làm cho hệ thống có giá thành đắt, khó chấp nhận được Bên cạnh đó, về mặt kỹ thuật, cảm biến đo tốc độ cần được tích hợp với

ổ từ, chẳng hạn gắn thành phần đầu đo của cảm biến trên trục Điều này làm tăng kích thước của hệ thống và yêu cầu về vấn đề bảo trì, bảo dưỡng thiết bị Đồng thời, khi rotor quay với tốc độ lớn, hệ thống cũng bị suy giảm độ cứng vững cơ khí, tăng rung lắc, xung lực do quán tính và từ đó làm giảm độ tin cậy của hệ thống [17]

Với những phân tích ở trên, trong luận án này tác giả tập trung vào nghiên cứu ổ

từ dọc trục có xét đến ảnh hưởng của dòng xoáy được ứng dụng trong thực tế gồm 3 cặp cực từ đặt lệch nhau một góc 120o, có xét ảnh hưởng sự xen kênh giữa các cặp cực từ, ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, ảnh hưởng của nhiễu tải bên ngoài tác động

gian từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp với mô hình toán học để nâng cao chất lượng làm việc cho ổ từ dọc trục Việc giải quyết các tồn tại do sử dụng cảm biến đo tốc độ gây ra là rất cần thiết cho các ứng dụng truyền động tốc độ cao Vì thế, chiến lược thiết kế bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số (FO ESO) nhằm mục đích quan sát được các trạng thái không thể dùng cảm biến thực tế để đo đạc, loại bỏ cảm biến tốc độ (điều khiển sensorless) đón nhận nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi Nhằm mục đích tiết kiệm chi phí, tăng khả năng chịu tải, dễ dàng điều khiển và nâng cao chất lượng điều khiển cho ổ từ dọc trục

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Mô hình toán học và hệ điều khiển ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy, trong đó mô hình toán học dạng bậc phân số

Phạm vi nghiên cứu: Ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy gồm ba cặp cực dạng hình E, đặt lệch nhau một góc 120o, có xét đến ảnh hưởng sự xen kênh giữa các cặp cực từ, ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, ảnh hưởng của nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor và ảnh hưởng của tham số bất định của mô hình

3 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng mô hình toán học của ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy gồm 3 cặp cực hình E đặt lệch nhau một góc 120o tiệm cận với mô hình thực tế, xét đến ảnh hưởng sự xen kênh giữa các cặp cực từ, ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, ảnh hưởng của nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor và ảnh hưởng của tham số bất định mô hình Có ưu điểm mở rộng đường dẫn từ thông, tăng từ thông chính trong mạch từ, tăng độ lớn lực từ so với cực từ hình C, tiết kiệm chi phí chế tạo, dễ dàng điều khiển.Xây dựng hệ điều khiển phù hợp để đảm bảo hoạt động cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng của dòng xoáy gồm ba cặp cực từ

4 Phương pháp nghiên cứu

Với phương pháp nghiên cứu đi từ lý thuyết đến mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM)

và mô phỏng matlab để tính toán, mô phỏng mạch từ dạng hình C và E, kiểm chứng lại mô hình toán học và phương pháp điều khiển Sử dụng cách tiếp cận hệ thống để nghiên cứu tổng quan về hiện tượng vật lý, mô hình toán học và phương pháp điều khiển của ổ từ dọc trục để lựa chọn cấu trúc ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy và phương pháp điều khiển phù hợp đó là bộ điều khiển SMC kết hợp bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số (FO ESO) đảm bảo sự tin cậy của kết quả nghiên cứu đề ra

5 Những đóng góp mới của luận án

Luận án có những đóng góp mới như sau:

- Phân tích đặc điểm của dòng xoáy và đưa ảnh hưởng của dòng xoáy vào mô hình

Trong đó mỗi cặp cực từ dạng hình E, có ưu điểm mở rộng đường dẫn từ thông, tăng

từ thông chính trong mạch từ, tăng độ lớn lực từ so với ổ từ hình C

nâng cao chất lượng làm việc của ổ từ dọc trục

- Bản chất của bộ điều khiển trượt là có khả năng kháng nhiễu cùng kênh điều khiển [18], [19], nên khi SMC kết hợp với FO ESO lại có khả năng kháng nhiễu cùng kênh điều khiển tốt hơn Đối với FO ESO có khả năng ước lượng vận tốc, từ đó làm giảm cảm biến vận tốc, đồng thời ước lượng các trạng thái không thể đo đạc được bằng cảm biến thực tế và ước lượng trạng thái mở rộng, trong đó có tổng nhiễu phi tuyến bao gồm: nhiễu do ảnh hưởng của sự xen kênh giữa các cặp cực từ, ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, ảnh hưởng nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, ảnh hưởng tham

số bất định mô hình, từ đó kết hợp với bộ điều khiển SMC để làm giảm hiện tượng chattering, giảm hệ số trượt, tăng khả năng kháng nhiễu phi tuyến Kết quả mô phỏng cho thấy SMC kết hợp với bộ quan sát bậc phân số (FO ESO) có chất lượng tốt hơn

so với PD, BSC, SMC thể hiện ở khả năng kháng nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, nhiễu do sự xen kênh giữa các cặp cực từ, nhiễu do ảnh hưởng của tốc độ quay của rotor, nhiễu do tham số bất định mô hình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a, Ý nghĩa khoa học:

Nội dung chính của bản luận án này tập trung phân tích ảnh hưởng của tổn hao dòng xoáy trong ổ từ dọc trục để từ đó đưa ra được mô hình toán học của ổ từ dọc trục tiệm cận với mô hình thực tế hơn, dựa trên mô hình toán học này tác giả sẽ tập trung vào xây dựng các bộ điều khiển nhằm loại bỏ các ảnh hưởng của dòng xoáy để nâng cao chất lượng làm việc của ổ từ dọc trục Luận án sẽ là một tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tượng tương tự

b, Ý nghĩa thực tiễn:

Mô hình ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy đã được xây dựng và để minh chứng cho đề xuất này, mô hình ổ từ dọc trục cấu trúc nguyên khối đã được xây dựng

7 Bố cục và nội dung của luận án

Luận án gồm 5 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau: Chương 1: Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của ổ từ dọc trục Phân tích ưu nhược điểm các cấu trúc ổ từ dọc trục khác nhau, từ đó đưa ra lựa chọn đối tượng nghiên cứu Phân tích đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển cho ổ từ dọc trục nói chung và ổ từ dọc trục có xét đến ảnh hưởng của dòng xoáy nói riêng, qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp cho cấu trúc ổ từ dọc trục có ảnh hưởng của dòng xoáy

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy

gồm 3 cặp cực dạng hình E đặt lệch nhau một góc 120o trên miền thời gian, có xét đến ảnh hưởng sự xen kênh giữa các cặp cực từ, ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, ảnh hưởng của nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, ảnh hưởng của tham số bất định mô hình, đây là mô hình toán học có dạng đạo hàm bậc phân số

Chương 3: Từ đặc điểm của mô hình toán học của đối tượng đã được xây dựng, phương pháp điều khiển phù hợp đã được lựa chọn để áp dụng Cụ thể ở chương này

đã lựa chọn phương pháp điều khiển PD, để khắc phục nhược điểm như độ vọt lố, dao động quanh vị trí cân bằng lớn lúc khởi động, thời gian ổn định lớn của bộ điều khiển PD, bộ điều khiển BSC được thiết kế

Chương 4: Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển PD và BSC là khả năng kháng tổng nhiễu phi tuyến bao gồm: nhiễu do sự xen kênh giữa các cặp cực từ, nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, nhiễu do ảnh hưởng tốc độ quay rotor, nhiễu do ảnh hưởng tham số bất định của mô hình khá kém, phương pháp SMC được thiết kế Trong chương này cũng trình bày phương pháp SMC kết hợp FO ESO có nhiệm vụ ước lượng tổng nhiễu phi bao gồm: nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, nhiễu do tham số bất định mô hình của hệ thống, nhiễu do sự xen kênh giữa các cặp cực từ, nhiễu do ảnh hưởng tốc độ quay rotor, đồng thời ước lượng vận tốc nhằm giảm cảm biến đo tốc độ và ước lượng các trạng thái không thể đo đạc được bằng cảm biến thực

tế cũng được thiết kế ứng dụng vào hệ điều khiển này

Chương 5: Tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống ổ từ dọc trục có xét đến ảnh hưởng của dòng xoáy với các thông số tính toán ở chương 3 và làm thực nghiệm đánh giá chất lượng hệ thống

Phần kết luận: đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án Đưa ra đề xuất, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ DỌC TRỤC

1.1 Khái niệm chung về ổ từ

1.1.1 Vài nét về lịch sử phát triển ổ đỡ từ

Trong các chuyển động quay, ổ bi là một bộ phận được dùng để đỡ trục và giảm

ma sát giữa phần quay và giá đỡ trục quay Cấu tạo của ổ bi được mô tả trong Hình

1.1 dưới đây:

Hình 1.1: Cấu tạo ổ lăn

Từ những năm 1970, kĩ thuật truyền động điện xoay chiều được ứng dụng và phát triển rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Khi phải làm việc với tốc độ quay cao, trong môi trường bụi bẩn, khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cao, ổ bi gặp phải một số nhược điểm như: thường xuyên phải bôi trơn, bảo dưỡng, kiểm tra thay thế Thêm vào đó, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không, nhiệt độ khí quyển quá cao

chế đó, nhiều nghiên cứu hướng đến việc thay thế các ổ bi thông thường bằng những phương pháp, thiết bị mới có thể giải quyết hoặc giảm thiểu những vấn đề trên đã

được đưa ra, trong đó ổ đỡ từ như Hình 1.2 là một giải pháp

Trong chiến tranh thế giới thứ II, Jesse Beams tại đại học Virginia đã được chứng nhận cho phát minh của mình về ổ từ chủ động, ứng dụng cho quá trình sản xuất bom nguyên tử Tuy nhiên công nghệ lúc bấy giờ chưa đủ mạnh để có thể phát triển sáng chế này Cho đến trước năm 1988, chỉ có vài viện nghiên cứu trên thế giới tập trung cho nghiên cứu về ổ từ Vào tháng 6 năm 1988, hội nghị Khoa học Quốc tế về Công nghệ treo từ tính lần đầu tiên được tổ chức tại Thụy Sĩ, trở thành một bức đột phá cho

Trong ổ từ, các cực từ tạo ra lực từ để nâng rotor trong các chuyển động quay mà không có tiếp xúc cơ khí, lực ma sát gần như bằng không Do đặc điểm nâng không tiếp xúc, công nghệ ổ từ đã đưa ra những ưu điểm nổi bật so với các loại ổ bi thông thường Ổ từ không chỉ giúp tăng hiệu suất cho máy móc và thiết bị Ổ từ còn có khả năng chịu tải lớn, tốc độ cao và cho phép làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ cao, nhiệt độ quá thấp hoặc môi trường chân không …, khi mà các điều kiện

về bôi trơn, bảo dưỡng là khó khăn

Do những ưu điểm về hiệu năng, độ bền và phạm vi ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong lĩnh vực y tế, lĩnh vực hàng không vũ trụ [21]–[24] , nên ổ từ đang thu hút được các nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn Ổ từ được coi là một trong những ngành công nghệ sạch trọng điểm của thế kỷ 21

Gồm stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục chuyển động

theo hướng ngang trục như Hình 1.2

Ổ đỡ từ dọc

trục

Gồm stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục chuyển động

theo hướng dọc trục như Hình 1.2

Ổ đỡ từ chủ

động (AMB)

Làm việc dựa trên nguyên tắc chênh lệch của lực hấp dẫn điện từ Ổ đỡ từ chủ động bao gồm nhiều bộ phận như nam châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách

như Hình 1.2 AMB có đặc điểm: Kích thước lớn, cấu trúc

phức tạp, có đặc tính động tốt, lực nâng có thể điều chỉnh

Ổ từ kiểu lai

(HMB)

Ổ từ kiểu lai là ổ từ kết hợp ổ từ chủ động và ổ từ bị động [22] Trong ổ từ kiểu lai có thành phần nam châm điện và nam châm vĩnh cửu kết hợp với nhau Nam châm điện dùng

để điều chỉnh lực từ thay đổi phù hợp với điều kiện làm việc

và tải trọng động Còn nam châm vĩnh cửu để bù lại tải tĩnh (như trọng lượng của rotor), làm tăng hệ số cứng và giảm năng lượng cần thiết cấp cho nam châm điện [25], [26]

Để nâng một vật (rotor) trong không gian thì cần tối thiểu hai ổ từ ngang trục nâng ở

hai đầu và một ổ chặn để kiểm soát theo phương dọc trục (Hình 1.2)

Hình 1.2: Cấu trúc hệ ổ từ

Với ưu điểm và nhược điểm của ổ từ thụ động (PMB) và ổ từ chủ động AMB, trong luận án này xét hệ ổ từ chủ động (AMB) và không nghiên cứu hai ổ từ ngang trục, coi hai ổ từ ngang trục đã được điều khiển để giữ cho rotor theo hướng ngang trục, chỉ tập trung nghiên cứu ổ từ dọc trục

1.2 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ dọc trục

1.2.1 Khái quát về ổ từ dọc trục

a Định nghĩa: Ổ từ dọc trục là một dạng của ổ từ có nhiệm vụ điều khiển chuyển

động của trục rotor theo hướng dọc trục hoặc giữ rotor cố định tại vị trí chính giữa 2 stator

b Phân loại: Ổ từ dọc trục có nhiều loại khác nhau

Phân loại ổ từ dọc trục theo hình dạng cực từ: Cực từ hình trụ, cực từ hình C, cực từ hình E, cực từ hình nón

Cực từ hình trụ là cực từ có stator dạng hình trụ như Hình 1.2, đối với loại cực từ hình

trụ cấu tạo tương đối phức tạp và điều khiển là vấn đề khó khăn

Ổ từ ngang trục

Cảm biến vị trí

Ổ từ dọc trục Nam châm điện

Rotor

Stator

Cực từ hình chữ E là cực từ có stator dạng hình chữ E như Hình 1.7 và Hình 2.2, đối

với cực hình C và hình E cấu tạo khá đơn giản, dễ điều khiển nên được ứng dụng khá phổ biến trong thực tế Tuy nhiên đối với cực từ hình E mở rộng đường dẫn từ thông, tăng từ thông chính trong mạch từ, tăng độ lớn lực từ so với cực từ hình C

Hình 1.3: Cực từ hình C

Ngoài ra còn có cực từ hình nón [27], là cực từ có stator dạng hình nón, trong đó cực

từ dọc trục và cực từ ngang trục được tích hợp thành một cực từ để giảm số lượng

cực từ được thể hiện như Hình 1.4, đối với cực từ hình nón cấu tạo rất phức tạp và

điều khiển cũng rất khó khăn khi có sự xen kênh giữa các trục x, y, z khác nhau

Đối với rotor có hình dạng chung là đĩa hình trụ như Hình 1.2

Hình 1.4: Ổ từ hình nón

Phân loại ổ từ theo cấu trúc: ổ từ cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật và ổ từ cấu trúc nguyên khối Ổ từ cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật nhằm mục đích làm giảm tổn

hao dòng xoáy trên cơ cấu chấp hành khi có dòng điện biến thiên theo thời gian cấp vào hai đầu cuộn dây stator Tuy nhiên đối với ổ từ cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật

dù mỏng đến mức nào vẫn tồn tại tổn hao dòng xoáy khi có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator Đối với cực từ cấu trúc nguyên khối có ưu điểm chi phí chế tạo nhỏ, tăng độ bền cơ học của rotor nên trong một số ứng dụng, đặc biệt là đối với ổ từ dọc trục rotor thường được cấu trúc nguyên khối, khi đó dòng xoáy ảnh hưởng rất lớn đối với ổ từ dọc trục khi có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator [7]

1.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ổ từ dọc trục

Bao gồm các stator đặt hai bên rotor, mỗi stator được quấn dây và cấp điện riêng,

bao gồm 2 thành phần: Thành phần tĩnh (i o ) và thành phần điều khiển (i p) biến thiên theo thời gian thường có giá trị nhỏ so với thành phần tĩnh có tác dụng tạo lực từ điều khiển rotor quanh vị trí cân bằng

b Rotor

Rotor của ổ từ dọc trục có kết cấu dạng như đĩa hình trụ, đóng vai trò như là vật

của nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, khi đó rotor có thể bị dao động, quay theo những trục không mong muốn gây nhiễu loạn quỹ đạo, ảnh hưởng đến sự ổn định của

hệ thống Trong thực tế, rotor thường được chế tạo ở dạng đĩa đối xứng, cân bằng ở trọng tâm (trục quay)

c Khuếch đại công suất

Bộ khuếch đại công suất là một bộ phận quan trọng của ổ từ chủ chủ động nói chung, ổ từ dọc trục nói riêng, có nhiệm vụ cung cấp nguồn nuôi cho các cuộn dây cực từ để tạo dòng điện sinh lực hút nhằm duy trì hoạt động và ổn định hệ thống Với những nhiệm vụ đó, yêu cầu cho bộ khuếch đại công suất là phải tạo được nguồn nuôi

ổn định, đáp ứng kịp thời với yêu cầu của thuật toán điều khiển, đồng thời cung cấp

đủ công suất để hệ thống hoạt động

Ngoài ra còn có cảm biến khoảng cách, thường dùng cảm biến dòng xoáy

d Nguyên lý làm việc ổ từ dọc trục:

Để tìm hiểu nguyên lý hoạt động của ổ đỡ từ chủ động nói chung và ổ từ dọc

trục dọc trục nói riêng, ta xuất phát từ một cấu trúc điều khiển như Hình 1.6, đây là

loại điều khiển nâng theo một hướng với một cực từ Mô hình này là một sự đơn giản hóa đáng kể so với một ổ đỡ từ trong thực tế, tuy nhiên nó hỗ trợ ta trong việc phân tích và xây dựng một mô hình toán học cho một hệ thống nhiều bậc tự do một cách

dễ dàng hơn

Hệ thống trên Hình 1.6 gồm: một rotor được treo tự do tại một khoảng cách mong muốn z o so với cơ cấu điện từ, một cảm biến vị trí đo độ sai lệch z giữa vị trí mong muốn z o với vị trí thực của rotor và đưa tín hiệu này đến bộ điều khiển Nhiệm vụ của

bộ điều khiển là cung cấp một tín hiệu điều khiển thích hợp nhằm ổn định hệ thống,

Hình 1.6: Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB

duy trì vị trí của rotor tại vị trí mong muốn, tức là làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực

hấp dẫn F g được tạo ra với trọng lực rotor mg tại điểm làm việc và các ngoại lực tác

động theo phương thẳng đứng Bộ điều khiển sẽ xử lí thông tin thu được và gửi tín hiệu điều khiển đến bộ khuếch đại công suất để tạo thành dòng điện đưa đến cuộn

dây của cơ cấu điện từ, dòng điện này sẽ tạo ra được lực điện từ F dt giúp cân bằng lực tác động lên rotor theo phương trọng trường Về cơ bản, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách thức: khi rotor dịch chuyển xuống so với vị trí mong muốn, bộ điều khiển

sẽ đưa ra một tín hiệu làm tăng dòng điện điều khiển, từ đó gia tăng độ lớn lực điện

từ để kéo rotor trở lại vị trí danh định của nó và ngược lại

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

1.3.1 Nghiên cứu phát triển cấu trúc và mô hình toán học ổ từ dọc trục

Ổ từ dù có cấu trúc bởi các lá thép kỹ thuật hay cấu trúc nguyên khối đều có ảnh hưởng dòng xoáy khi có dòng điện biến thiên theo thời gian cấp vào hai đầu cuộn dây stator, khi cực từ cấu trúc bởi các lá thép kỹ thuật càng mỏng thì ảnh hưởng của dòng xoáy càng nhỏ, tuy nhiên dù mỏng đến mức độ nào vẫn tồn tại tổn hao dòng xoáy Đối với ổ từ dọc trục do yêu cầu về độ cứng và chi phí chế tạo nên rotor thông thường cấu trúc nguyên khối, khi đó dòng xoáy ảnh hưởng rất lớn đối với ổ từ dọc trục khi

có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator [7] Để thấy rõ ràng và phân tích được ảnh hưởng của dòng xoáy đối với ổ từ dọc trục các nghiên cứu lần lượt được báo cáo như sau:

Công bố đầu tiên về mô hình toán học một cực từ được thực hiện bởi Zmood [28], người đã phân tích và đưa ra được mô hình toán học cho cực từ (stator và rotor) cấu trúc nguyên khối hình chữ C có tỷ lệ giữa chiều rộng cực từ và chiều cao cực từ lớn, nếu chiều rộng và chiều cao cực từ gần bằng nhau thì mô hình mà Zmood đưa ra không còn chính xác Trong mô hình này Zmood đã sử dụng mô tả từ trường một chiều cho cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật được đưa ra trong [29]

 

 

coshcosh

dây của cuộn dây, I là dòng điều khiển, leff   x là chiều dài hiệu dụng của mạch từ, x



học mà Feeley đưa ra vẫn đúng trong trường hợp chiều rộng và chiều cao của cực từ

có độ lớn chênh lệch nhau không quá nhiều Mô hình từ thông khe hở không khí được đưa ra như (1.5):

a b

Mặc dù các mô hình toán học (1.3) và (1.6) đưa ra trong [28] và [30] khá đơn giản,

độ chính xác của chúng khá kém Lý do chính là trong cả hai bài báo này, các tác giả đều giả định rằng cấu hình của mật độ từ thông trong một mặt cắt ngang của khe hở không khí giống như trong mặt cắt ngang của phần tử sắt Đây là một giả định chỉ đúng cho phân tích tĩnh nhưng không đúng cho trường hợp từ trường biến thiên theo thời gian, tức là dòng xoáy sinh ra trên cơ cấu chấp hành khi có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator

Công bố thứ 3 vào năm 1995, Kucera và Ahrens [31] đã trình bày một mô hình giải tích cho cực từ (stator và rotor) hình trụ cấu trúc nguyên khối Các tác giả đã chia bộ truyền động thành các dạng hình học cơ bản và sử dụng nghiệm của phương trình Maxwell cho một tấm bán vô hạn để tính gần đúng sự phân bố từ thông trong từng phần Từ đó, các tác giả đã đưa ra dạng tổng quát của phương trình từ thông của từng phần:

Trong đó: m là số phần tử, sau đó các tác giả đã kết hợp các mô hình toán học từng

phần trên tạo ra một mô hình toán học tổng:

l



 , l fe là chiều dài của phần tử sắt Theo Kucera và Ahrens [12], các tác giả đã trình bày các kết quả mô hình toán học mô tả mối quan hệ dòng điện - lực từ tương ứng đối với cực từ hình trụ Tuy nhiên tác giả cho rằng mật độ từ thông khe hở không khí không phụ thuộc vào tần số của trường điều hòa Hơn nữa, tham số

d trong mô hình toán học trong phân tích này phải được xác định từ kết quả thực

nghiệm, nó là tham số cố định, không phụ thuộc vào hình dạng và vật liệu của cơ cấu chấp hành Do đó, kết quả này không phù hợp với việc tối ưu hóa thiết kế cơ cấu chấp hành ổ từ dọc trục,để nâng cao hiệu suất làm việc của ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy

tác giả đã kiểm chứng lại mô hình toán học của các công trình [7]–[14] đưa ra và nhận thấy các công trình này đưa ra mô hình toán học tương đối hoàn chỉnh và tiệm cận so với mô hình thực tế, có dạng đạo hàm bậc phân số, lực từ phụ thuộc vào tần

số của dòng biến thiên đặt vào cuộn dây nam châm điện, hoặc tần số của phép khai triển Fourier, thành phần này gây ra tổn hao dòng xoáy trong ổ từ dọc trục có ảnh

dẫn từ thông, tăng từ thông chính trong mạch từ, tăng độ lớn lực từ so với ổ từ hình

C thì chưa trình nào công bố Đặc biệt mô hình toán học các tác giả chỉ đưa ra trên miền tần số đối với trường hợp một cực từ, mô hình toán học đối với trường hợp một cặp cực trở lên chưa có công trình nào công bố

phương pháp tối ưu hóa ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy dựa vào vật liệu

và đặc tính hình học của ổ từ

Qua nghiên cứu về mô hình toán học ổ từ trong và ngoài nước Điển hình vào năm

2013 trong luận án Tiến Sĩ Kỹ Thuật của tác giả Nguyễn Thị Thanh Bình [33] có

nghiên cứu với đề tài: “cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ ” , đây là hệ ổ từ

chủ động (AMB) bao gồm hai ổ từ ngang trục và một ổ từ dọc trục Năm 2019 trong

luận án Tiến Sĩ của tác giả Nguyễn Danh Huy [34] nghiên cứu với đề tài: “nghiên

cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ động cơ – bánh đà ”, đây cũng là

hệ ổ từ chủ động (AMB), trong nghiên cứu này tác giả cũng giả định hai ổ từ ngang trục đã được thiết kế điều khiển, tác giả chỉ nghiên cứu về ổ từ dọc trục bao gồm ba cặp cực hình C đặt lệch nhau một góc 120o Năm 2021 trong luận án Tiến Sĩ của tác

giả Vũ Đình Đạt [35] nghiên cứu với đề tài: “nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ

kiểu lai ” , đây là loại ổ từ kết hợp giữa ổ từ chủ động (AMB) và ổ từ bị động (PMB)

bao gồm hai ổ từ ngang trục đặt ở hai đầu trục Trong các công trình trên các tác giả xây dựng mô hình toán học cho hệ ổ từ với giả sử các stator và rotor đều được cấu tạo bởi các lá thép kỹ thuật để có thể bỏ qua tổn hao dòng xoáy Mặc dù các lá thép

kỹ thuật mỏng đến mức độ nào thì vẫn tồn tại tổn hao dòng xoáy nhưng trong các nghiên cứu này tác giả coi tổn hao dòng xoáy rất nhỏ và từ đó đã bỏ qua ảnh hưởng của dòng xoáy Hơn nữa trong mô hình thực nghiệm thực tế rotor có cấu trúc nguyên khối, stator cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật Theo [7]–[14] và trong luận án này bằng cách mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) tác giả nhận thấy rằng mô hình toán học ảnh hưởng rất rõ ràng của dòng xoáy, mô hình toán học chỉ chính xác với dòng điện

một chiều cấp vào hai đầu cuộn dây stator (dòng không đổi – i o), đối với trường hợp

dòng cấp vào hai đầu cuộn dây stator biến đổi theo thời gian (dòng điều khiển - i p)

mô hình toán học không còn chính xác, dẫn đến chất lượng làm việc của ổ từ dọc trục không cao Do đó trong luận án này nghiên cứu ổ từ dọc trục có xét đến ảnh hưởng của dòng xoáy để xây dựng được mô hình toán học tiệm cận so với mô hình thực tế

1.3.2 Các phương điều khiển

Phép tính bậc phân số là phép tính tổng quát mở rộng của đạo hàm và tích phân từ số nguyên sang số tùy ý Một hệ thống có thể được mô tả bằng mô hình bậc số nguyên hoặc có thể được mô tả bằng một mô hình bậc phân số Phép tính bậc phân số không chỉ được sử dụng làm công cụ của hệ thống mô hình hóa mà còn làm công cụ thiết kế

bộ điều khiển Việc áp dụng công cụ toán học bậc phân số trong các hệ thống điều khiển có khả năng cải thiện hiệu suất nhờ tính linh hoạt của thiết kế luật điều khiển

Lý thuyết về điều khiển và xây dựng mô hình toán học dạng bậc phân số được bắt nguồn từ một lá thư của Leibniz gửi L'Hôpital năm 1695 hỏi về liệu có công cụ toán

học nào tính toán và biểu diễn bài toán dưới dạng đạo hàm bậc phân số (d 1/2 f(t)/dt 1/2)

thay thế đạo hàm bậc nguyên (df(t)/dt) không Với những tiến bộ về phương tiện tính

toán, nhiều công cụ toán học quan trọng, lý thuyết về toán học bậc phân số đã được nghiên cứu phát triển hoàn thiện dần từ thời điểm năm 1695, từ đó tạo cơ sở để ứng dụng vào mô hình hóa và điều khiển đối tượng có dạng bậc phân số Mất một thời gian khá dài các công cụ toán học bậc phân số mới được ứng dụng trong lý thuyết điều khiển cổ điển: Điển hình như S Manabe (1986) [36] được biết đến là nhà nghiên cứu tiên phong đưa phép tính bậc phân số vào lý thuyết điều khiển cổ điển Sau khi

D Matignon (1996) báo cáo định lý ổn định, khả năng điều khiển và quan sát cho đối tượng có dạng hệ không gian trạng thái bậc phân số, nhiều nhà nghiên cứu đã bắt đầu

áp dụng phép tính bậc phân số cho lý thuyết điều khiển hiện đại [37], [38] Trong những năm gần đây đã có nhiều nhà nghiên cứu đã ứng dụng các công cụ toán học bậc phân số để xây dựng hệ thống điều khiển cho đối tượng dạng bậc phân số và thể hiện tính hiệu quả của các ứng dụng này, điển hình như bộ điều khiển PID cổ điển đã được thiết kế điều chỉnh lại cho phù hợp với đối tượng có mô hình toán học dạng bậc phân số, chẳng hạn như bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân, tích phân bậc phân số PI D 

[41], hệ thống điều khiển bền vững (điều khiển CRONE), nghiên cứu xây dựng mô hình toán học và lý thuyết điều khiển phi tuyến cho đối tượng có dạng bậc phân số như Podlubny (1998) [42], Das (2008) [43] Để có cơ sở toán học điều khiển đối

các định lý để chứng minh tính ổn định cho các đối tượng có mô hình toán học dạng bậc phân số Das (2008) [43], Ortigueira (2000) [49], Raynaud và Zerganoh (2000) [50] đã nghiên cứu các phương pháp xây dựng mô hình toán học cho đối tượng bậc phân số dạng hệ phương trình không gian trạng thái và tìm ra các phương pháp điều khiển cho các đối tượng dạng này Merrikh-Bayat và Afshar (2008) [51] cũng đã đưa

ra các kỹ thuật quỹ tích nghiệm cho đối tượng có mô hình toán học dạng bậc phân số Meerschaert và Tadjeran (2006) [52], Podlubny và cộng sự (2009) [53] cũng đã nghiên cứu những đối tượng có mô hình toán học có dạng phương trình vi phân từng phần bậc phân số Podlubny (1998) [42], Das (2008) [43], Sierociuk và Dzielinski (2006) [48] đã nghiên cứu các đối tượng có mô hình toán học dạng bậc phân số trên miền rời rạc

Đối với điều khiển BSC việc tìm ra luật điều khiển sao cho hệ thống điều khiển ổn định bằng cách chọn hàm Lyapunov kích thước vuông có giá trị dương và đạo hàm bậc phân số theo thời gian của nó có giá trị âm cũng là vấn đề không đơn giản Kỹ thuật backstepping có thể áp dụng cho một lớp hệ thống cụ thể, bao gồm hầu hết các

hệ thống cơ khí, quá trình sinh hóa, v.v Kỹ thuật này đã được triển khai thành công trong lĩnh vực robot mà mô hình toán học dạng các biến trạng thái là vị trí và biến còn lại là vận tốc, Krstic (1995) [54], Madani và Benallegue (2006) [55], Adigbli và cộng sự (2007) [56], Hua và cộng sự (2009) [57], tuy nhiên các công trình này các tác giả chưa đưa ra phương pháp tổng quát để xác định các biến và luật điều khiển một cách tổng quát nhất

Điều khiển kiểu trượt (SMC) là một trong những phương pháp tiêu biểu để giải quyết vấn đề điều khiển của một hệ thống phi tuyến khi có nhiễu phi tuyến SMC mở rộng

để điều khiển các hệ thống có dạng bậc phân số đã được nghiên cứu bởi A Ammour và cộng sự (2009), A Pisano và cộng sự (2012) [58]–[60] SMC có thể hiệu quả cao không chỉ đối với các hệ thống có bậc số nguyên mà còn có hiệu quả đối với các hệ thống có bậc phân số Tuy nhiên các công trình trên các tác giả chưa đưa ra được pháp điều khiển tổng quát nhất cho hệ thống bậc phân số dạng hệ phương trình trạng thái

(2016) [62] có đưa ra các phương pháp tổng quát áp dụng kỹ thuật Backstepping và điều khiển trượt cho các đối tượng có dạng hệ phương trình trạng thái bậc phân số tổng quát, các tác giả đã đưa ra một số định lý và chứng minh về tính ổn định của hệ thống, đưa ra các bước thiết kế một cách tổng quát Trong các công trình của Mehmet

tác giả đã đưa ra phương pháp tổng quát áp dụng BSC và SMC cho đối tượng có dạng bậc phân số khắc phục những khó khăn trước đó của BSC và SMC Các công trình này trở thành tiền đề quan trọng để áp dụng điều khiển BSC, SMC cho đối tượng có

mô hình toán học tổng quát dạng bậc phân số Tuy nhiên đối với ổ từ dọc trục có xét đến ảnh hưởng dòng xoáy mà mô hình toán học có dạng đạo hàm bậc phân số trên miền thời gian, chưa có công trình nào trong và ngoài nước áp dụng phương pháp điều khiển trượt (SMC) được công bố

Một số công trình đã ứng dụng bộ quan sát trạng thái mở rộng (FO ESO) trong điều khiển PID, FOPID, ADRC [8], [63]–[67] Gần đây vào năm 2015, Zhe Gao có công trình đã nghiên cứu bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số (FO ESO) được ứng dụng trong ADRC cho đối tượng bậc phân số [68], tuy nhiên đối tượng áp dụng không phải là ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy và ứng dụng FO ESO vào bộ điều khiển trượt thì lại chưa có công trình nào đã công bố

Các công cụ điều khiển cho các đối tượng có mô hình toán học dạng đạo hàm bậc phân số như ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy mới chỉ phát triển và hoàn thiện khoảng hai thập niên trở lại đây Song song với các nghiên cứu về lý thuyết điều khiển

và ứng dụng cho đối tượng bậc phân số thì các công cụ FOMCON toolbox cũng đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, phát triển và được tích hợp trong phần mềm matlab để điều khiển cho lớp đối tượng có mô hình toán học dạng bậc phân số [41], [69]–[74]

Các công trình nghiên cứu về điều khiển ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy chưa

có nhiều công trình công bố Vào năm 2014, Zackary W Whitlow [15] đã nghiên cứu

bộ PID, FBL (phản hồi tuyến tính) và FBL-PID, vào năm 2015 Jianpeng Zhong và Lichuan Li [16] cũng đã nghiên cứu bộ điều khiển PID bậc phân số cho ổ từ dọc trục

có ảnh hưởng của dòng xoáy, đa số các công trình nói trên các tác giả áp dụng các phương pháp điều khiển cổ điển trên miền tần số một cực từ, các phương pháp điều khiển cổ điển cho ổ từ dọc trục trên miền tần số gồm nhiều cặp cực từ và điều khiển hiện đại trên miền thời gian chưa có công trình nào được công bố

Mặc dù các công cụ, cách tiếp cận của toán học bậc phân số, điều khiển PD, backstepping và SMC không phải là mới, nhưng việc áp điều khiển PD, backstepping

và SMC, đặc biệt SMC kết hợp với FO ESO cho mô hình toán học của ổ từ dọc trục

có xét ảnh dòng xoáy dạng đạo hàm bậc phân số thì rất mới Bộ điều khiển SMC được

trong luận án này là áp dụng bộ điều khiển SMC kết hợp với bộ quan sát trạng thái

mở rộng bậc phân số (FO ESO) cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy mà mô hình toán học có dạng đạo hàm bậc phân số Bản chất của điều khiển SMC là có khả năng kháng nhiễu cùng kênh điều khiển [18], [19], nên khi SMC kết hợp với FO ESO lại có khả năng kháng nhiễu cùng kênh điều khiển tốt hơn Trong đó đối với FO ESO

có khả năng ước lượng được tổng nhiễu phi tuyến gồm: nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, nhiễu tải do ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, nhiễu do ảnh hưởng của sự xen kênh của các cặp cực, ảnh hưởng của tham số bất định mô hình, từ đó đưa vào

bộ điều khiển SMC, ngoài ra còn để ước vận tốc, từ đó làm giảm số cảm biến vận tốc, ước lượng các trạng thái không thể đo đạc được bằng cảm biến thực tế Điều khiển BSC, SMC cho đối tượng bậc phân số khác có thể nói là không phải là vấn đề mới, tuy nhiên điều khiển BSC, SMC và đặc biệt SMC kết hợp với bộ quan sát trạng thái

mở rộng bậc phân số (FO ESO) cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng của dòng xoáy mà

mô hình toán học dạng đạo hàm bậc phân số là vấn đề rất mới

1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án

Từ những phân tích trên định hướng nghiên cứu của luận án được đưa ra như sau:

1.4.1 Chọn cấu hình ổ từ dọc trục

Theo như công trình [34] đã nghiên cứu khá chi tiết và sâu sắc về ổ từ dọc trục gồm

3 cặp cực từ hình C cấu trúc bởi các lá thép kỹ thuật đặt lệch nhau một góc 120o Mặc

dù các lá thép kỹ thuật mỏng đến mức độ nào thì vẫn tồn tại tổn hao dòng xoáy nhưng trong nghiên cứu này tác giả coi tổn hao dòng xoáy rất nhỏ và từ đó đã bỏ qua ảnh hưởng của dòng xoáy Tuy nhiên trong mô hình thực tế của [33], [34] và một số công trình khác, rotor cấu trúc nguyên khối và stator cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật, tác giả đưa ra mô hình toán học với giả sử rằng stator và rotor đều có cấu trúc gồm các

lá thép kỹ thuật để bỏ qua ảnh hưởng của dòng xoáy khi xây dựng mô hình toán học Theo [7]–[14] và bằng cách mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) tác giả nhận thấy rằng

mô hình toán học chỉ đúng cho trường hợp từ trường tĩnh (dòng cố định DC - i o), còn

đối với trường biến thiên (dòng điều khiển AC - i p) mô hình toán học không còn chính

liệu [75], đối với cực từ hình E có ưu điểm mở rộng đường dẫn từ thông, tăng từ thông chính trong mạch từ, tăng độ lớn lực từ so với cực từ hình C khi cực từ hình E

và hình C có cùng kích thước (cùng chiều cao, chiều rộng, chiều dài, diện tích mặt cắt ngang và kích thước của cực từ hình C bằng diện tích mặt cắt ngang của cực từ ở giữa và bằng hai lần diện tích mặt cắt ngang cực từ hai bên cực từ hình E), cùng vật liệu, cùng số vòng dây, cùng dòng điện đặt vào hai đầu cuộn dây, cùng độ lớn khe hở

không khí chưa có công trình nào trong nước và thế giới công bố Do đó trong luận

án này để xây dựng được mô hình toán học ổ từ dọc trục tiệm cận so với mô hình thực tế khi xây dựng mô hình toán học có xét đến ảnh hưởng của dòng xoáy và để phân tích rõ ràng ảnh hưởng của dòng xoáy đối với mô hình toán học, trong luận án này chọn đối tượng nghiên cứu là ổ từ gồm 3 cặp cưc hình E có stator và rotor đều cấu trúc nguyên khối đặt lệch nhau một góc 120o như Hình 1.7 làm đối tượng nghiên

cứu, từ đó tìm phương pháp điều khiển thích hợp để nâng cao chất lượng làm việc của ổ từ dọc trục

Hình 1.7: Cấu trúc ổ từ gồm 3 cặp cực hình E

1.4.2 Xây dựng mô hình toán học và thiết kế điều khiển ổ từ dọc trục

- Nghiên cứu về mô hình toán học mà Lei Zhu và cộng sự [7]–[15] đã đưa ra một cực

từ có xét ảnh hưởng của dòng xoáy dạng hình trụ và hình C trên miền tần số, từ đó

đường dẫn từ thông, tăng từ thông chính trong mạch từ, tăng độ lớn lực từ so với cực

từ hình C Trên cơ sở đó xây dựng mô hình toán học cho ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy một cặp cực từ và 3 cặp cực từ hình E đặt lệch nhau một góc

120o trên miền thời gian như Hình 1.7

- Trong luận án này tác giả nghiên cứu đặc điểm của mô hình toán học của ổ từ dọc

bậc phân số (FO ESO) nhằm ước lượng trạng thái mở rộng, đó là tổng nhiễu phi tuyến bao gồm: nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, nhiễu do ảnh hưởng xen kênh giữa các cặp cực từ, nhiễu do ảnh hưởng tốc độ quay của rotor, nhiễu tải do ảnh hưởng tham số bất định của mô hình, sau đó đưa vào bộ điều khiển trượt để kháng nhiễu, từ

đó loại bỏ được ảnh hưởng của dòng xoáy nói riêng và ảnh hưởng của tổng nhiễu phi tuyến nói chung để nâng cao chất lượng làm việc của ổ từ dọc trục và tiết kiệm kinh

từ trễ khi rotor quay với tốc độ cao, từ thông dò và từ thông tản trong khe hở không khí trong mạch từ

- Cấu trúc điều khiển của ổ từ dọc trục thực tế gồm 3 vòng điều khiển: vòng điều khiển ngoài cùng là điều khiển vị trí, vòng điều khiển bên trong (giữa) là điều khiển vận tốc và vòng điều khiển trong cùng là điều khiển dòng điện Thế nhưng vì khoảng dịch chuyển của rotor trong miền làm việc là rất nhỏ, hơn nữa vận tốc được ước lượng bằng bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số (FO ESO), do vậy có thể bỏ qua vòng điều khiển vận tốc Cấu trúc điều khiển khi đó gồm vòng ngoài là điều khiển vị trí và vòng trong là điều khiển dòng điện Mô hình cấu trúc điều khiển cho ổ từ dọc

trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy được thể hiện trong Hình 1.8 Vì điện cảm của

cuộn dây cực từ luôn thay đổi theo khe hở không khí giữa stator và rotor nên trong phạm vi luận án này thì vòng điều khiển dòng điện được đã được xử lý trong phần cứng bộ biến đổi công suất, coi dòng điện đáp ứng chính xác theo tín hiệu điều khiển của vòng điều khiển vị trí bên ngoài Vậy nên luận án tập trung xây dựng vòng điều khiển vị trí bên ngoài

Hình 1.8: Cấu trúc điều khiển ổ từ dọc trục

1.5 Kết luận chương 1

Nội dung Chương 1 đã khái quát được tình hình nghiên cứu trong nước và quốc

tế Trình bày khái quát về ổ từ dọc trục, các đặc điểm về ổ từ dọc trục, phân loại các cấu trúc ổ từ dọc trục, phân tích ưu nhược điểm các cấu trúc khác nhau của các dạng

ổ từ dọc trục từ đó xác định đối tượng nghiên cứu là ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy gồm 3 cặp cực, mỗi cực từ có dạng hình E đặt lệch nhau một góc 120o

như Hình 1.7 Phân tích các điểm khác biệt của đối tượng nghiên cứu so với các ổ từ

dọc trục truyền thống, đó là mô hình toán học ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy khi có dòng điện biến thiên theo thời gian cấp trên 2 đầu cuộn dây có dạng đạo hàm bậc phân số

Phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển cho ổ

từ dọc trục nói chung và ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy nói riêng, qua

đó định hướng lựa chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển điều khiển trượt kết hợp

bộ quan trạng thái mở rộng bậc phân số

Để có thể xây dựng được các phương pháp điều khiển cho ổ từ có xét ảnh hưởng của dòng xoáy gồm ba cặp cực đặt lệch nhau một góc 120o như Hình 1.7, trước hết

ta đi xây dựng mô hình toán học của đối tượng nghiên cứu, các phương pháp và các bước xây dựng cụ thể được thể hiện ở Chương 2

dựng được mô hình toán học cho đối tượng nghiên cứu, trước hết xây dựng mô hình toán học của một cực từ, một cặp cực từ hình E

2.1 Xây dựng mô hình toán học ổ từ có ảnh hưởng dòng xoáy gồm một cặp cực từ hình E

Đối với cực từ cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật dù mỏng đến mức nào vẫn tồn tại tổn hao dòng xoáy khi có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator Theo các tác giả [18], [19], [33]–[35] nếu cực từ được cấu tạo bởi các lá thép kỹ thuật đủ mỏng để tổn hao dòng xoáy (dòng Fu cô) nhỏ có thể bỏ qua, ta có phương trình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc tại vị trí cân bằng (f o, i o và g o) như sau:

 2