nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n 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 h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n 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 h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n 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 CHNG I TNG QUAN V T V NH HNG IU KHIN T Trang 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 5 c trang b cỏc t tớnh. 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 22 Mễ T TON HC T 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 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá 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 toan hoc 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 iờu khiờn ụ t mt kờnh 39 KT LUN 42 CHNG 3 43 THIT K CC B IU KHIN B TREO T TNH 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 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 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá 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 h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n 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 h ƣ ớng 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 th ƣ ờng 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 h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n 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 câu truc của một hệ thống từ treo sử dụng năng lƣợng từ theo môt ph ƣ ơng 34 Hình 2.11 Sơ đô câu truc rut gon 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 tƣ tinh theo ph ƣ ơng 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 h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n 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 h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n 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 h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n 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, cuôc cach mang khoa hoc kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ b, ãkohông ngưng vươn tới những đỉnh cao mơi, trong đo co nhưng thanh tưu vê ky thuât tư đông hoa san xu. âVt iệc 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 [...]... ra t thụng ỏng k, trc s chu lc n hi qua s di ng theo hng trc gi cho truyn ng n nh theo hng dc trc  t chn t treo 1 t treo 2 Stator t treo 1 t chn Rotor t treo 2 Rotor Stator (a) (b) t treo 1 t treo 2 Stator t treo 2 t treo 1 Stator 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 t ti nm gia trc Trong... http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá 8 Cm t treo Cm t treo y1 t chn 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 bi cỏc lc t gia... th + ga l gia tc trng trng 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 vi chiu ca vn tc... 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 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 ỏy (b) khụng cú tip xỳc Hỡnh v 1.7(a-d) trỡnh by mt ct ngang v cỏch thc hin b treo. .. 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 gia t thụng ca cun... tng i cao bi chỳng cn n mt h thng lm lnh v cỏch nhit Ngy nay, yờu cu i vi cỏc gii phỏp cho cỏc thit b lc t tớnh hp dn ca b treo t tớnh cn phi n gin, trng lng nh, r tin 1.1.2 Gii thiu tng quỏt v h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh Vic s dng h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh l mt trong nhng bc tin quan trng ca ngnh c khớ, cho phộp gim tn hao v tng chớnh xỏc (nh loi tr c bo mũn do ma... khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh l phi tuyn c v c v in, ngha l quan h ng gia hiu in th hoc cng dũng in t vo cỏc cun dõy t v lc t tỏc dng lờn phn chuyn ng c mụ t bng h phng trỡnh vi phõn phi tuyn Vỡ vy, thit k cỏc b iu khin cho cỏc h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh t cht lng cao l khú khn v cn thit trong cỏc ng dng thc t cú s dng cỏc h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh 1.1.3 Gii... xỳc s dng b treo t tớnh) chu tỏc dng ca nhiu ngoi sinh v cha cỏc tham s thay i theo thi gian cha c nghiờn cu v phỏt S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn trin hon thin cú th ng dng vo vic thit k cỏc b iu khin thớch nghi bn vng cho cỏc h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh Vỡ vy nghiờn cu thit k cỏc b iu khin cht lng cao cho mt s h phi tuyn bao gm cỏc b treo t tớnh... 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 Rt nhiu thớ nghim... 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 . 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. iệc 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. 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