Luận văn: NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH pdf

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH TRẦN THỊ THANH NGA THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH Học viên : Trần Thị Thanh Nga Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Như Hiển THÁI NGUYÊN 2009 Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn MC LC Li cam oan Mc lc Danh sỏch cỏc kớ hiu, cỏc ch vit tt Danh mc cỏc bng Danh mc cỏc hỡnh v, th Li núi u Ni dung Trang CHNG I TNG QUAN V T V NH HNG IU KHIN T 1 1.1 Gii thiu v b treo t tớnh v ng dng ca chỳng 1 1.1.1 t tớnh v truyn ng ng c 1 1.1.2 Gii thiu tng quỏt v h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh 4 1.1.3 Gii thiu cu trỳc c trng ca mt h thng truyn ng ng c c trang b cỏc t tớnh. 5 1.1.4 Gii thiu h truyn ng khụng tip xỳc 7 1.1.5 Cu trỳc khụng tip xỳc 8 1.1.6 Cu trỳc ca cun dõy 15 1.1.7 Phõn loi t 16 1.1.8 Mt s ng dng phự hp ca ng c v mỏy phỏt kiu treo t tớnh 17 1.2 Mt s cụng trỡnh nghiờn cu ó cụng b v iu khin cỏc h phi tuyn 18 1.3 Cỏc cụng trỡnh nghiờn cu ó cụng b v iu khin t 19 KT LUN 21 CHNG 2 Mễ T TON HC T 22 2.1 Mụ hỡnh toỏn hc ca b treo t tớnh 22 2.1.1 Cu trỳc c in v nguyờn lý hot ng ca t 22 Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.2 Cỏc mi quan h c bn 24 2.1.3 C cu chp hnh vi sai 27 2.1.4 ng c nam chõm vnh cu lp ghộp b mt 28 2.1.5 t chu ti hng tõm ( t) 29 2.1.6 Mụ ta toa n ho c ụ t 31 2.2 Cỏc tớnh cht iu khin c ca b treo t tớnh 36 2.2.1 Lc kộo khụng cõn bng 36 2.2.1.1 Cỏc nguyờn tc c bn 36 2.2.1.2 Phộp phõn tớch trong lừi t hỡnh C v lừi t hỡnh ch I 37 2.2.1.3 Phộp phõn tớch trong t 38 2.2.2 Cỏc nguyờn tc iờ u khiờ n ụ t mt kờnh 39 KT LUN 42 CHNG 3 THIT K CC B IU KHIN B TREO T TNH 43 3.1 Thit k cỏc b iu khin PID 43 3.1.1 Mt vi nột v thut toỏn iu chnh PID 43 3.1.2 Cu trỳc chung ca h iu khin t ng 43 3.1.2.1 Thnh phn t l 45 3.1.2.2 Thnh phn tớch phõn 45 3.1.2.3 Thnh phn vi phõn 46 3.1.3 H gim chn - khi lng lũ xo tng ng 47 3.1.4 iu chnh ca cỏc h s khuych i PID (t l, tớch phõn, o hm) 50 3.1.4.1 iu chnh h s khuych i t l v vi phõn 54 3.1.4.2 Sai sụ v trớ trng thỏi n nh v iu chnh h s khuych i tớch phõn 56 3.2 Thit k b iu khin nõng cao - Thit k b iu khin m lai F-PID 61 3.2.1 Gii thiu v b iu khin m 61 3.2.2 S khi ca h iu khin m 62 3.2.3 Nguyờn lý iu khin m 65 3.2.4 Cỏc nguyờn tc tng hp b iu khin m 66 Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2.5 Cỏc b iu khin m 70 3.2.5.1 Cỏc b iu khin kinh in 70 3.2.5.2 B iu khin m tnh 71 3.2.5.3 B iu khin m ng 74 3.2.5.4 H iu khin m lai (F - PID) 79 a. Gii thiu chung 79 b. Cỏc dng h m lai ph bin 81 3.2.5.5 Tng hp h iu khin m lai khụng thớch nghi cú b iu khin kinh in 82 3.3 Mụ phng cỏc b iu khin ó thit k 84 3.3.1 Mụ phng vi b iu khin PID 84 3.3.2 Mụ phng vi b iu khin nõng cao 85 KT LUN 88 KT LUN V KIN NGH 89 TI LIU THAM KHO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1 Hình 1.1 Sự tạo ra lực từ hƣớng tâm bởi mật độ từ thông khe hở không cân bằng: a. mật độ từ thông khe hở cân bằng b. mật độ từ thông khe hở không cân bằng 3 Hình 1.2 Sơ đồ tƣợng trƣng của một hệ truyền động không tiếp xúc 4 Hình 1.3 Động cơ với các ổ đỡ từ 6 Hình 1.4 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 8 Hình 1.5 Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ 8 Hình 1.6 Bộ treo chủ động theo 2 trục: a.điểm đỡ trục tại đáy b. không có tiếp xúc 9 Hình 1.7 Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phƣơng a. Rotor bên trong b. Rotor ngoài c. Rotor rỗng d. không gian lắp đặt tải nằm giữa trục 10 Hình 1.8 Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông thƣờng a. với ổ đỡ từ thông thƣờng b. với ổ đỡ cơ khí thông thƣờng c. với trục quay dài 11 Hình 1.9 Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống 12 CHƢƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ 22 Hình 2.1 Hệ thống từ treo 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.2 Lõi từ C và lõi từ hình chữ I với một cuộn cảm 24 Hình 2.3 Mạch từ hoá 26 Hình 2.4 Cơ cấu điều chỉnh vi sai 28 Hình 2.5 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 29 Hình 2.6 Ổ đỡ từ chịu tải hƣớng tâm 30 Hình 2.7 Mối quan hệ giữa lực hƣớng tâm và dòng điện 32 Hình 2.8 Mối quan hệ tuyến tính của lực hƣớng tâm với dòng điện phân cực 33 Hình 2.9 Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện 34 Hình 2.10 Sơ đồ cấ u trú c của một hệ thống từ treo sử dụng năng lƣợng từ theo mộ t phƣơng 34 Hình 2.11 Sơ đồ cấ u trú c rú t gọ n 35 Hình 2.12 Lực từ kéo (hấp dẫn) và kích thƣớc khe hở: (a) kích thƣớc khe hở rộng, (b) kích thƣớc khe hở đƣợc giảm xuống 37 Hình 2.13 Hệ thống treo tƣ̀ tí nh theo phƣơng x 39 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH 43 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 44 Hình 3.2 Hệ thống giảm chấn - khối lƣợng – lò xo a. Sơ đồ cấu tạo b. Sơ đồ khối 47 Hình 3.3 Hệ thống treo từ tƣơng đƣơng với hệ thống giảm chấn-khối lƣợng – lò xo 49 Hình 3.4 Hình 3.4 a. Hình 3.4 b Đáp ứng chuyển vị tƣơng ứng với lực nhiễu 1N Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị K p Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị K d 52 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.4 c. Hình 3.4 d. Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với K p Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với K d 53 54 Hình 3.5 Các hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân 55 Hình 3.6 Đáp ứng chuyển vị đối với các hệ số khuyếch đại PD tối ƣu hoá. 56 Hình 3.7 Bộ điều khiển PID: (a) sơ đồ khối; (b) các đặc tính tần số 57 Hình 3.8 Đáp ứng của thay đổi bậc trong tham khảo vị trí 58 Hình 3.9 Các đặc tính tần số của bộ điều khiển PID 59 Hình 3.10 Đáp ứng chuyển vị đối với K i 60 Hình 3.11 - Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 63 Hình 3.12 Hệ thống điều khiển mờ 65 Hình 3.13 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con ngƣời và hệ mờ 67 Hình 3.14 Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ 72 Hình 3.15 Đƣờng đặc tính y(x) cho trƣớc 74 Hình 3.16 Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra. 74 Hình 3.17 Hệ điều khiển mờ theo luật I 75 Hình 3.18a Mô hình điều khiển mờ theo luật PI 75 Hình 3.18a Mô hình điều khiển mờ theo luật PI 76 Hình 3.19 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD 76 Hình 3.20a Bộ điều khiển mờ theo luật PID(dùng thuật toán chỉnh định PID mờ) 77 Hình 3.20b Bộ điều khiển mờ theo luật PI (dùng thuật toán PID tốc độ) 78 Hình 3.21 Hệ điều khiển mờ PID 78 Hình 3.22a Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 80 Hình 3.22b Hệ mờ với bộ mờ cho tín hiệu chủ đạo x 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.23 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 81 Hình 3.24 Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ 82 Hình 3.25 Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào 83 Hình 3.26 Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra 83 Hình 3.27 Quan sát tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ lai 83 Hình 3.28 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ. 84 Hình 3.29 Sơ đồ mô phỏng với bộ PID kinh điển 85 Hình 3.30 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x của ổ từ có sử dụng bộ PID kinh điển 85 Hình 3.31 Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID 86 Hình 3.32 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID 86 Hình 3.33 Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng bộ PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID 87 Hình 3.34 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x có sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID 87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã được phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ưu thế vượt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều như: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dưỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Hầu hết trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng như đối với môi trường có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không và phải được thay thế định kỳ, nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dược phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng được chất bôi trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cần phải được thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Ngày nay, cuộ c cá ch mạ ng khoa họ c k thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ bão, không ngừ ng vươn tới những đỉnh cao mớ i, trong đó có nhữ ng thà nh tự u về kỹ thuậ t tự độ ng hó a sả n xuấ t. Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép khắc phục những nhược điểm của các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ với các ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Phần quan trọng của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có tính phi tuyến cao và các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi theo thời gian chưa được nghiên cứu và phát [...]... theo hng dc trc S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ 10 Chuyên ngành Tự động hoá t chn t treo 1 t treo 2 t treo 1 Stator t chn Rotor t treo 2 Rotor Stator (a) (b) t treo 1 t treo 2 Stator t treo 2 t treo 1 Rotor Rotor t chn (d) (c) Hỡnh 1.7 - Nhng bin i h treo tỏc dng theo 5 phng a Rotor bờn trong; c Rotor rng; b Rotor ngoi; d khụng gian lp... Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá 8 Cm t treo t chn Cm t treo y1 y2 z x2 x1 3 4 3 123 123 1234 Hỡnh 1.4 - Truyn ng khụng tip xỳc 1.1.5 Cu trỳc khụng tip xỳc Gii thiu hỡnh dng bờn ngoi ca mt t Hỡnh 1.5 - Hỡnh dng c bn ca t Hỡnh v 1.6(a,b) trỡnh by mt b treo t tớnh ch ng theo 2 trc Trong hỡnh 1.6a, mt trc c chốn vo lừi ca rụ to B treo t tớnh hai trc c thc hin... i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá 23 Sensor khong cỏch xỏc nh v trớ theo phng ng ca vt th b treo in ỏp u ra ca sensor chớnh l u vo ca b iu khin Lc t cn thit c to ra treo i tng mt cỏch cõn bng Lc cn thit bng tng ca lc lũ xo v lc cn + Lc cn t l vi vn tc ca vt th treo + Lc lũ xo t l vi dch chuyn ca vt th treo Nhng i lng iu khin ny cú chiu ngc li so... Lc hng tõm ny ch yu c phỏt ra bi s tng tỏc gia cỏc nam chõm ca rotor vi t thụng c to ra bi dũng in trong cun dõy ca b treo S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ 14 Chuyên ngành Tự động hoá Lc treo c to ra bi dũng in trong cun dõy ca b treo ph thuc vo dn t ca mch t m t thụng c phỏt ra chy trong ú dn t tng ng ca nam chõm vnh cu thỡ thp v nú thng liờn... Vic tỏc ng ch theo 2 trc cung cp mt b treo b ng vi s dao ng v di ng dc theo trc quay Do vy, tn ti mt gii hn v di ca lừi theo trc thc hin b treo b ng Vi thit k chớnh xỏc, S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ 9 Chuyên ngành Tự động hoá cỏc truyn ng khụng tip xỳc giỏ r v gn nh kiu ny ó tng c thc hin Hỡnh 1.6 - B treo ch ng theo 2 trc: (a) im trc ti... Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ 4 Chuyên ngành Tự động hoá roto c to ra bi s khỏc bit ca lc hng tõm di cỏc cc t Lc hp dn thỡ khụng n nh vỡ nú s mnh hn lờn nu nh roto dch chuyn theo chiu ca lc im lc hng tõm bng 0 ti trng tõm ca nũng stato l mt im khụng n nh, do ú cn thit cú phn hi õm ng dng cụng ngh truyn ng lc treo t tớnh trong tu in m t ca Nht, lc treo t tớnh c to ra bi s tng tỏc... tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ 1 Chuyên ngành Tự động hoá CHNG I TNG QUAN V T V NH HNG IU KHIN T 1.1 Gii thiu v b treo t tớnh v ng dng ca chỳng 1.1.1 t tớnh v truyn ng ng c Khỏi nim v t ó cú t hn 100 nm trc, tuy nhiờn giỏ thnh v phc tp ca nú ó cn tr vic ng dng v phỏt trin trong cụng nghip í tng v vic treo mt i tng bng t trng ó c t ra t gia nhng nm 1800... tip xỳc s dng b treo t tớnh - Cu trỳc c trng ca mt h thng truyn ng ng c c trang b cỏc t tớnh - Cu trỳc khụng tip xỳc v cu trỳc ca cun dõy - Phõn tớch phõn loi t - Nhng hn ch ca cỏc phng phỏp iu khin hin i dựng cho t S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ 22 Chuyên ngành Tự động hoá CHNG 2 Mễ T TON HC T 2.1 Mụ hỡnh toỏn hc ca b treo t tớnh t... t trng s dng dũng in cun dõy ca b treo Do vy cú th núi rng cụng ngh khụng tip xỳc ng trờn lớ thuyt iu khin vộc t S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ 3 Chuyên ngành Tự động hoá Cõu to v nguyờn lý lm vic ca t tng t nh mt ng c in Tuy nhiờn, thay vỡ to ra momen xon quay rụtor nh ụng c iờn , nú to ra mt lc treo ngừng trc trong lũng Khong cỏch... ny buc chỳng ta phi cú kh nng ỏp dng, ci t v thit k cỏc phng phỏp iu khin phự hp Cng cn chỳ ý rng b treo t tớnh yờu cu thi gian ct mu ngn mt cỏch cõn xng vi truyn ng ng c Yờu cu ny l do b treo t tớnh khụng n nh mt cỏch c hu do ú cn thit cú cỏc b iu khin vi sai hoc iu khin sm phase thc hin h thng treo t tớnh n nh t c gii hn phase ti tn s ct cn phi cú tn s ct mu nhanh Yờu cu v tn s ct mu ph thuc vo . hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có chất lượng thấp như không. bền vững cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển chất lượng cao cho một số hệ phi tuyến bao gồm các bộ treo từ tính là cấp. sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép khắc phục những nhược điểm của các hệ truyền động sử dụng động