tóm tắt luận án tiến sĩ cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ

Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới, mặc dù có nhữn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS Đỗ Khắc Đức

2 PGS TS Nguyễn Như Hiển

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học họp tại:

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT LUẬN ÁN

MỞ ĐẦU

Khái quát chung

Do không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cho nên các ổ đỡ từ đã có ứng dụng quan trọng và hiệu quả trong các thiết bị máy có trục quay với tốc độ cao (từ 5.000 v/ph đến trên 10.000 v/ph), đòi hỏi độ chính xác lớn, làm việc trong các môi trường không dùng được chất bôi trơn (nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp)

Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào bốn hướng như sau: 1.1 Nghiên cứu ứng dụng trong các máy công nghiệp và dụng cụ

y sinh học

1.2 Nghiên cứu thu gọn kích thước của ổ từ

1.3 Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt như chân không, nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp,…

1.4 Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại Nội dung luận án sẽ định hướng nghiên cứu theo hướng thứ 4

Tính cấp thiết của đề tài

Khác với các loại ổ trục cơ khí, ổ đỡ từ không có sự tiếp xúc giữa phần tĩnh và phần động Do đó, ổ đỡ từ sử dụng trong các loại động

cơ điện đang được coi là một ngành công nghệ tiên tiến và thân thiện với môi trường Chúng góp phần mạnh mẽ trong việc nâng cao tốc

độ quay cho động cơ và giúp động cơ có thể được ứng dụng trong những môi trường đặc biệt mà động cơ sử dụng vòng bi thông dụng không thể làm việc hoặc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao Những nghiên cứu về ổ đỡ từ thường tập trung chủ yếu tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Đức và Thụy Sỹ, hiện nay trước khả năng ứng dụng mạnh mẽ của động cơ điện dùng ổ đỡ từ trong nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu về chế tạo động cơ điện dùng ổ đỡ từ và các

ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển như Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil,

Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới, mặc dù có những hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi do kích thước lớn và giá thành cao nhưng trong tương lai gần khi các nghiên cứu thành công trong việc giảm giá thành thì sự thay thế của động cơ điện ổ đỡ từ cho động cơ điện dùng vòng bi cơ trong các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ, sẽ là điều tất yếu

Phần quan trọng của các ổ đỡ từ là bộ điều khiển Hiện nay các bộ điều khiển cho các ổ đỡ từ 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 ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao, và các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các ổ

đỡ từ) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi trong quá trình hoạt động chưa được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển đảm bảo cho các ổ đỡ từ có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng cho ổ từ là cấp thiết

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Điều khiển ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do, trong hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện đồng bộ, kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có chặn chuyển động dọc trục, làm việc với tốc độ cao

- Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong việc xây dựng

mô tả toán học có sự tác động của nhiễu và thông số bất định để tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến biểu diễn dưới dạng phương trình Euler

– Largrange (EL) đủ cơ cấu chấp hành - tách kênh phi tuyến, nhằm cải thiện chất lượng điều khiển so với hệ điều khiển tuyến tính kinh điển

Phương pháp nghiên cứu

- Dựa trên các định luật về cơ, điện và từ để tính toán động lực học cho một hệ ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do

- Mô tả toán học cho ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do dưới dạng EL

- Thiết kế bộ điều khiển PD bù trọng trường

- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng

- Nghiên cứu bằng thực nghiệm

Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết

và triển vọng về kết quả đạt được

- Xây dựng mô tả toán học của 4 bậc tự do, chịu lực hướng tâm

- Thiết kế điều khiển tách kênh phi tuyến cho hệ chịu tác dụng của nhiễu và có thông số bất định

- Mô phỏng và thực nghiệm về điều khiển hệ trên thiết bị của phòng thí nghiệm

Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài

- Đây là vấn đề mới được nghiên cứu ở Việt Nam và là một trong những công trình khoa học đầu tiên nghiên cứu về ổ đỡ từ được công

bố trong nước và cũng là một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng ứng dụng cao vào nghiên cứu khoa học trong nước

- Kết quả nghiên cứu sẽ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên cao học nghiên cứu về ổ từ Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo, nhằm đưa ứng dụng rộng rãi của ổ từ vào các hệ truyền động điện ở Việt Nam, nhất

là hệ có yêu cầu đặc biệt (tốc độ cao, nhiệt độ cao hoặc quá thấp, môi trường chân không, không được bôi trơn dầu mỡ, )

Bố cục của luận án

Luận án gồm 4 chương, 97 trang (kể cả tài liệu tham khảo), 61 tài liệu tham khảo, 64 hình vẽ và đồ thị

Chương 1 Tổng quan về ổ từ 1.1 Khái niệm về ổ trục và ổ đỡ trục

- Trình bày những khái niệm cơ bản về ổ trục và ổ đỡ từ

- Phân loại ổ đỡ từ và xác định đối tượng nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động (AMB)

- Trình bày nguyên lý nâng dùng lực từ

1.2 Luận giải, định hướng nghiên cứu của đề tài

1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

a)

Cảm biến khoảng cách

Hệ thống điều khiển

Cơ cấu điện từ (Stator)

Sensor

Hình 1.7: Cấu trúc AMB một bậc tự do

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam hiện nay mới chỉ có ở Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên là đang nghiên cứu

1.2.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trình bày một số kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu ổ

đỡ từ trên thế giới diễn ra trong những năm gần đây từ 2003 đến 2009 1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Giới thiệu những nét khái quát nhất về ổ trục và ổ đỡ từ

- Lựa chọn được loại ổ từ cần nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động

- Định hướng nghiên cứu ổ đỡ từ chủ động theo hướng ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển ổ đỡ từ trong các

mô tả toán học được hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ 4 bậc tự do

Chương 2 Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động

2.1 Giới thiệu chung

Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ như một nam châm điện thay vì tạo mô men quay cho trục thì nó lại tạo ra các lực chuyển dịch trục theo phương x và y, các lực này được điều chỉnh tự động nhằm duy trì khe hở giữa stator và rotor xung quanh giá trị danh định

2.2 Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường

- Theo tài liệu [1] hệ nâng từ trường được nghiên cứu trên cơ sở xấp xỉ hoá dựa vào các giả thiết như từ thông khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ, chưa xét đến chế độ bão hoà từ v.v

- Việc tính toán dựa trên chiều dài trung bình của đường đi từ trường và chiều dài khe hở không khí thực theo giá trị danh định x0

x S

2.2.3 Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép

Lực điện từ khi kể đến từ hoá lõi thép được xác định [1]:

2.2.4 Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép

Khi không kể đến sự ảnh hưởng của từ hoá lõi thép, ta được:

2.2.5 Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB

Khi thay đổi dòng điện i so với dòng điện phân cực danh định i0, thì sẽ làm thay đổi lực điện từ và sau khi biến đổi ta được phương trình cơ bản để mô tả chuyển động của một vật được nâng bằng lực điện từ theo một phương cố định [23]:

Hình 2.3: Một số cấu trúc điển hình của ổ từ chủ động

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của ổ đỡ từ

Phần xây dựng mô hình ổ đỡ từ theo một phương như trên sẽ được tổng quát hóa cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do

2.3 Xây dựng mô hình toán học của hệ nâng bằng từ trường dùng ổ từ 4 cực

2.3.1 Các dạng cấu trúc ổ từ hiện nay và hướng nghiên cứu

Ổ từ chủ động 4 cực đang được đẩy mạnh nghiên cứu [5, 6], [14, 15] và hiện đang thu hút sự chú ý của nhiều hãng sản xuất (Synchrony, Mutecs) Đây cũng chính là hướng nghiên cứu tác giả sẽ thực hiện

2.3.2 Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do

Hình 2.4 mô tả sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình nâng vật chuyển động sử dụng ổ từ

2.3.3 Xây dựng mô hình toán học

Phần này nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của ổ đỡ từ 4 bậc tự do dựa trên phân tích sơ đồ mạch tương đương với các phương chuyển động x, y Sau khi phân tích và biến đổi ta được mô hình toán học mô tả ổ đỡ từ:

x xc bx

p x

x xc bx

p x

x xc bx

x xc bx

Ni S

Ni S

Ni S

- Đặc tính sức từ động và dòng điện stator ( λ = ψ.N hoặc λ = L.i)

- Đặc tính lực với dòng điện điều khiển và chuyển dịch (x, y)

2.4 Mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc

Căn cứ vào các dịch chuyển theo phương x và y là rất nhỏ nên có thể viết 2.31a thành mô hình tuyến tính hoá xung quanh điểm làm việc theo phương x:

2.5.1 Giới thiệu về hệ Euler-Lagrange

Phần này trình bày những nguyên lý cơ bản để một mô hình toán học thoả mãn là hệ EL

2.5.2 Mô hình tổng quát của hệ AMB 4 DOF dưới dạng EL

Với mô hình tuyến tính hoá (2.34ab), chưa phản ánh đẩy đủ tính

phi tuyến của ổ đỡ từ Vì vậy ta đưa (2.34ab) về mô hình toán học

tổng quát của ổ đỡ từ AMB 4 DOF như sau:

x y r, r: Là độ nghiêng của rotor với trục x và trục y

Jx =Jy =Ji: Moment quán tính trên trục x và trục y

J k: Moment quán tính trên trục z

K a : Là hệ số tỷ lệ với dòng điện

K n : Là hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển

x , y: Là góc lệch theo phương x và theo phương y

F xs , F ys: Là lực tịnh tiến của rotor theo hai phương x và y

F xr , F yr: Là lực nghiêng của rotor theo hai phương x và y

h a : Khoảng cách giữa 2 tâm rotor của hệ AMB

rm

 : Vận tốc góc

rm k x J

  và  rm k y J  : thành phần độ giật khi nâng trục

Thực hiện chuyển hệ phương trình về dạng ma trận:

Sau đó, chứng minh được M q M T q 0 (*)

và M q C q C q T  (**) suy ra hệ phương trình mô tả ổ đỡ

từ 4 bậc tự do thoả mãn là hệ Euler - Largrange

3.1.1 Hiện tượng trễ

3.1.2 Sự lệch trục của lực hướng tâm

3.1.3 Sự rung động do tính không cân bằng cơ học trong một hệ thống quay

3.2 Xây dựng hệ điều khiển sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc

3.2.1 Xây dựng hệ điều khiển

Từ mô hình tuyến tính hoá quy về tâm của trục rô to (2.34), tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID có cấu trúc như hình 3.1

Hình 3.1: Mô hình điều khiển PID cho mô hình tuyến tính

xung quanh điểm làm việc của ổ đỡ từ

Với việc điều khiển 2 phương x, y ở 2 ổ đỡ từ thì cần phải có 4 bộ điều khiển tương ứng là các kênh điều khiển x1, x2, y1, y2 Mỗi kênh điều khiển có 2 mạch vòng điều khiển với mạch điều khiển vòng trong là dòng điện (tăng cường khả năng mang tải động của ổ từ) và mạch điều khiển vòng ngoài là vị trí Từ phân tích trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển kênh x1 như hình 3.2

Và để điều khiển một ổ đỡ từ, ta cần điều khiển theo 2 phương x,

y do vậy sơ đồ cấu trúc điều khiển ổ từ tại vị trí x1 và y1 như hình 3.3

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương x1

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ đỡ từ

Do bộ biến đổi công suất có hằng số thời gian rất nhỏ nên với bộ điều khiển PID của vòng điều khiển dòng (vòng trong) được thiết theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun [50] Còn vòng điều khiển vị trí được thiết kế theo tiêu chuẩn đối xứng [50]

3.2.2 Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink

- Số liệu mô phỏng:

Mô men quán tính trục theo phương z 0.00241 kgm2

Mô men quán tính trục theo phương x và y 0.00298 kgm2Khe hở giữa stator và rotor tại điểm cân bằng

x0

1mm

- Kết quả mô phỏng

+ Trường hợp không có nhiễu tác động:

Hình 3.5ab: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo (y,x)

Hình 3.6ab: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo (y,x)

+ Trường hợp có nhiễu tác động:

Hình 3.9ab: Đáp ứng dịch chuyển

của trục ổ đỡ từ 1 theo (y,x)

Hình 3.10ab: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo

(y,x)

+ Xét đến tác động xen kênh giữa phương x và y trong ổ đỡ từ:

3.3 Cải thiện chất lượng điều khiển ổ đỡ từ tích cực (AMB) bằng điều khiển tuyến tính hóa phản hồi ngược

Hệ EL đủ cơ cấu chấp hành là lớp hệ có mô hình như sau:

Hình 3.12: Cấu trúc điều khiển PD bù trọng trường

Hình 3.11: Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y có tác động xen kênh với bộ điều khiển PID: a) Ổ đỡ từ 1; b) Ổ đỡ từ 2

Hình 3.14: Cấu trúc điều khiển PD bù trọng trường từ (3.15)

AMB 4 DOF

de e

+ +

(3.12)

Hệ EL (3.11)

Bộ điều khiển vòng ngoài (3.14)

-

qref e

1

1 1

k h

u

k m

K m K

Từ trên ta có sơ đồ chi tiết phương pháp điều khiển như hình 3.14

3.3.1 Xây dựng hệ điều khiển điều khiển

Theo biểu thức (3.15), ta có bộ điều khiển tuyến tính hóa chính xác – tách kênh cho hệ AMB 4 DOF được biểu diễn như sau:

K K

+ Trường hợp không có nhiễu:

Hình 3.24: Đáp ứng dịch chuyển

theo phương x, y ổ đỡ từ 1

Hình 3.25: Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y ổ đỡ từ 2

3.4 Đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển phi tuyến theo tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch

Để đánh giá chất lượng của 2 bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển ổ đỡ từ bốn bậc tự do, ta sử dụng tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch

(2) Đảm bảo điều khiển tách kênh cho hệ thống

Hình 3.26a:Tác động xen kênh

của ổ đỡ từ 1 theo phương x và y

đã bị loại trừ

Hình 3.26b:Tác động xen kênh của ổ đỡ từ 2 theo phương x và y

đã bị loại trừ

(3) Bộ điều khiển được thiết kế ở chương này sẽ được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm ở chương tiếp theo

Chương 4 Xây dựng mô hình thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm 4.1 Giới thiệu cấu hình thí nghiệm

Cấu trúc thí nghiệm được minh họa trên hình 4.1:

Để có thể kết nối DS1104 với máy tính PC ta cần thực hiện một

số thủ tục sau:

- Khởi động Matlab/Simulink

- Chuẩn bị các khối sử dụng trong Simulink để xây dựng sơ đồ

- Khởi động chương trình Control Desk

4.2 Kết quả thí nghiệm

- Đáp ứng của hệ thống:

Hình 4.7: Động cơ ở giữa và hai ổđỡ từ hai đầu trục

Hình 4.14 Đáp ứng của độ dịch chuyển trong trạng thái bắt đầu nâng

- Loại bỏ hiện tượng xen kênh:

Nhận xét thí nghiệm:

Thí nghiệm này tiến hành với tốc độ trục quay 5.000 v/ph cho kết quả tương tự như phần mô phỏng đã nêu

4.3 Kết luận chương 4

Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho ta thấy:

- Chất lượng điều khiển ổ đỡ từ đã cải thiện hơn từ điều khiển tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc đến điều khiển tách kênh phi tuyến (sai số giảm và ít dao động hơn)

- Tuy nhiên, khi làm việc ở chế độ xác lập thì hệ AMB còn ảnh hưởng bởi nhiễu ngoại sinh, sự sai lệch về kết quả mô phỏng với thí nghiệm phần nào còn do trong việc xây dựng mô hình còn chưa chính xác hoàn toàn với thực tế

Hình 4.15: Chuyển dịch vị trí của trục quay theo phương x và y

của ổ đỡ từ 1 và 2 so với vị trí cân bằng