Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ-bánh đà

i. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu nghiên cứu hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động. Hệ truyền động động cơ – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) là hệ mà trong đó ngoài động cơ thì có thêm bánh đà. Trong hệ này bánh đà cũng đóng vai trò là một thành phần của nguồn động lực, có vai trò hỗ trợ cho động cơ. Trong các hệ thống có bánh đà thông thường thì bánh đà nối với động cơ qua cơ cấu truyền giảm tốc, ví dụ như trong các cơ cấu truyền động trục cán, máy nghiền, truyền động cho các phương tiện hạng nặng như đường sắt, đường thủy. Tuy nhiên, một hướng ứng dụng mới và đang rất được quan tâm nghiên cứu của hệ TĐ ĐC-BĐ là trong hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (FESS - flywheel energy storage system). Trong hệ này, năng lượng được tích lũy bằng động năng của bánh đà, động cơ truyền động cho bánh đà quay lên tốc độ rất cao khi nạp năng lượng. Năng lượng sau đó có phát ra dưới dạng cơ năng khi bánh đà truyền chuyển động quay cho phụ tải cơ. Nếu phụ tải cơ của bánh đà là máy phát điện thì FESS có thể cung cấp điện năng cho hệ thống. FESS đã được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao, thiết bị đặc biệt và bắt đầu được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi hơn trong các máy móc, thiết bị phục vụ đời sống. Một số lĩnh vực trong đó ứng dụng FESS hiệu quả như là: - Làm nguồn dự phòng tác động nhanh, ví dụ UPS bảo vệ cho các hệ thống dữ liệu khi mất điện lưới. FES có thể cung cấp công suất tới megawatt để đảm bảo khả năng đáp ứng nhanh của lưới điện tại một khu vực. - Dùng để truyền động cho bơm làm mát thanh nhiên liệu trong lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân khi mất điện. FES có thể truyền động trực tiếp cho bơm hoặc phát điện. - Cung cấp công suất đỉnh cho lưới điện và là một phần quan trọng trong hệ thống quản lý phân phối năng lượng trong các hệ thống dùng nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng gió hay năng lượng mặt trời). - Ứng dụng trong các cơ cấu phục hồi năng lượng (KERS) trên các ô tô lai giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu. - Có thể dùng làm thiết bị nạp và cấp năng lượng cho các xe bus chạy điện trong thành phố mà không cần dùng pin hay acquy là các thiết bị rất không thân thiện với môi trường. Theo nguyên lý cơ học, động năng tích trữ trong bánh đà tỷ lệ bậc hai với tốc độ quay, tỷ lệ bậc hai với bán kính bánh đà (bậc 4 nếu dạng hình trụ dài), và tỷ lệ với khối lượng. Các yếu tố bán kính và khối lượng là các thông số cấu tạo, về cơ bản để tăng các thông số đó cũng đồng nghĩa với việc phải tăng kích thước thiết bị, dùng vật liệu có trọng lượng riêng lớn do đó tăng giá thành hệ thống. Khía cạnh khác, khi kích thước lớn, khối lượng lớn sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định, bền bỉ của hệ thống. Trong khi đó, việc tăng tốc độ mang lại đạt hiệu quả tích trữ năng lượng cao hơn nhiều và cho phép hệ có kích thước nhỏ nhưng khả năng lưu trữ năng lượng lớn, tức là mật độ năng lượng, mật độ công suất cao. Do vậy, trong thực tế truyền động bánh đà thường được thiết kế để làm việc ở vùng tốc độ rất cao (10.000 – 60.000 vòng/phút). Thông thường, bánh đà gồm cả bánh đà tốc độ cao có thể dùng ổ đỡ cơ khí. Dùng ổ đỡ cơ khí cho phép hệ thống có cấu tạo đơn giản nhưng đòi hỏi công nghệ, chất lượng gia công, và vật liệu đặc biệt, mặc dù vậy vẫn không đảm bảo hoạt động được ở tốc độ cao với thời gian dài, đặc biệt với tốc độ rất cao như nêu trên. Sử dụng ổ đỡ cơ gây hạn chế rất nhiều cho hệ do các vấn đề: - Ma sát lớn, đây là nguyên nhân chính gây tổn hao năng lượng của bánh đà. Ma sát trong hệ TĐ BĐ-ĐC gồm ma sát của ổ đỡ cơ khí, mặc dù ổ đỡ cơ khí có cấu tạo và chất lượng cao vẫn là kiểu ổ cơ, tiếp xúc cơ khí nên vẫn gây tổn thất. Ma sát gây tổn thất chính cho bánh đà là ma sát với không khí khi bánh đà quay tốc độ cao. Để loại trừ ma sát này, hệ truyền động bánh đà được đặt trong buồng chân không hoặc áp suất thấp. - Ổ đỡ cơ khí, phải bảo dưỡng, thay thế thường xuyên do tuổi thọ ngắn. Điều này gần như không thể cho phép thực hiện đối với hệ bánh đà phải làm việc liên tục, ví dụ như trong các hệ thống cấp nguồn không gián đoạn UPS.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN DANH HUY NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH HỢP TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ- BÁNH ĐÀ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội – 2019 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii MỞ ĐẦU xv CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển hệ tích lũy lượng dùng bánh đà .1 1.2 Tổng quan hệ truyền động động - bánh đà có tích hợp ổ đỡ từ .4 1.3 Phân tích ngun lý chung hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ 1.3.1 Nguyên lý làm việc bánh đà 10 1.3.2 Nguyên lý làm việc hệ truyền động động – bánh đà 11 1.3.3 Nguyên lý làm việc ổ đỡ từ 11 1.4 Tổng quan phương pháp điều khiển ổ từ chủ động hệ truyền động động cơ-bánh đà 16 1.5 Định hướng nghiên cứu 19 1.5.1 Chọn cấu hình ổ từ chủ động 19 1.5.2 Xây dựng mơ hình điều khiển ổ từ 22 1.5.3 Thiết kế điều khiển 22 1.5.4 Xây dựng mơ hình thử nghiệm 22 1.6 Kết luận 22 CHƯƠNG 23 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 23 2.1 Động học trình điện ổ từ .23 2.1.1 Động học trình điện ổ từ kép 23 2.1.2 Phương trình trạng thái cho ổ từ chủ động 25 2.2 Động lực học hệ ổ từ chủ động truyền động động cơ-bánh đà 26 2.2.1 Phân tích lực cho hệ ổ từ 26 2.2.2 Động lực học hệ ổ từ chủ động hệ tọa độ u, v, w 30 2.2.3 Chuyển vị điều khiển 41 2.2.4 Động lực học bánh đà nâng ổ từ hệ z, θx, θy 44 2.3 Cấu trúc chung hệ điều khiển ổ từ tích hợp hệ TĐ ĐC-BĐ 45 2.4 Phân tích mơ hình điều khiển 47 2.4.1 Đặc điểm điều khiển: 47 iii 2.4.2 Đặc điểm hoạt động: 48 2.5 Kết luận 49 CHƯƠNG 50 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ 50 3.1 Phân tích tính phi tuyến mơ hình động lực học ổ từ .50 3.2 Thiết kế tuyến tính hóa cho ổ từ kép 51 3.3 Thiết kế điều khiển nâng theo mơ hình tuyến tính cặp ổ từ 56 3.3.1 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí 56 3.3.2 Mô điều khiển nâng theo mơ hình tuyến tính cặp ổ từ 57 3.4 Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mơ hình tuyến tính ổ từ 61 3.4.1 Mô hệ ổ từ điều khiển tuyến tính 63 3.5 Nhận xét 70 3.6 Kết luận 70 Chương 72 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ – BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG 72 4.1 Nguyên lý phẳng điều khiển phẳng 72 4.1.1 Định nghĩa hệ phẳng 72 4.1.2 Thiết kế quỹ đạo đặt 75 4.2 Thiết kế điều khiển phẳng nâng cho hệ ổ từ truyền động động cơ–bánh đà theo hệ tọa độ u, v, w .79 4.2.1 Thiết kế điều khiển theo phương pháp tựa phẳng 79 4.2.2 Thiết kế điều khiển trình nâng lên vị trí cân .85 4.2.3 Thiết kế điều khiển trì vùng vị trí cân 92 4.2.4 Thiết kế bù nhiễu bù feedforward 94 4.3 Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ hệ z, θx, θy 96 4.3.1 Điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân 96 4.3.2 Duy trì bánh đà vị trí cân 98 4.3.3 Mô điều khiển phi tuyến hệ bánh đà ổ từ 99 4.4 Kết luận, đánh giá 100 CHƯƠNG 101 5.1 Mơ tả cấu hình thí nghiệm 101 5.2 Trình tự thực thí nghiệm: 101 5.2.1 Thiết lập ghép nối DSP với tín hiệu vào/ra điều khiển hệ ổ từ 101 iv 5.2.2 Thiết lập ghép nối DSP với tín hiệu vào/ra điều khiển động truyền động bánh đà 104 5.3 Xây dựng giao diện thí nghiệm 105 5.3.1 Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w 106 5.3.2 Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w 108 5.4 Thí nghiệm lấy kết giai đoạn nâng tĩnh 110 5.4.1 Nâng tĩnh điều khiển theo u,v, w 110 5.4.2 Nâng tĩnh điều khiển theo z, θx, θy 111 5.5 Thí nghiệm khởi động trì tốc độ bánh đà 112 5.6 Thí nghiệm trình xả cho bánh đà 114 5.7 Thí nghiệm điều khiển phi tuyến 116 5.7.1 Xây dựng giao diện vận hành, giám sát cho phương pháp phi tuyến 116 5.8 Kết luận 119 PHỤ LỤC 129 6.1 Thông số thiết kế 129 6.2 Thiết kế bánh đà 129 6.3 Thiết kế ổ từ 131 6.3.1 Tính tốn lực nâng cho ổ từ 132 6.3.2 Tính tốn thơng số nam châm điện 133 6.3.3 Chọn cảm biến đo vị trí hệ đo vị trí 135 6.3.4 Thiết kế cụm bệ đỡ bánh đà 136 6.3.5 Thiết kế khung vỏ hệ bánh đà: 137 6.3.6 Cơ cấu lắp cảm biến 139 6.3.7 Chế tạo, lắp ráp bánh đà, nam châm cảm biến vị trí 139 6.3.8 Lắp ráp cụm nắp dưới: 139 6.3.9 Lắp ráp cụm nắp trên: 140 6.3.10 Lắp ráp bánh đà 141 6.3.11 Lắp ráp khung vỏ cảm biến 141 6.4 Thiết kế chế tạo biến đổi công suất, đo lường điều khiển cho ổ từ 142 6.4.1 Thiết kế mạch khuyếch đại công suất 142 6.4.2 Thiết kế mạch điều khiển dòng điện 147 6.4.3 Hiệu chỉnh điều chỉnh dòng điện 150 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Ghi Tiếng Anh Ý nghĩa FESS Flywheel Energy Store System Hệ thống tích trữ lượng bánh đà KERS Kinetic Energy Recovery Systems Hệ thống thu hồi lượng động UPS Uninteruptible Power Supply Cấp nguồn không gián đoạn PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung MLS Magnetic Levitation System Hệ thống nâng từ DSP Digital Signal Proccessing Xử lý tín hiệu số ADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số DAC Digital to Analog Converter Chuyển đổi số sang tương tự SMC Sliding Mode Control Điều khiển chế độ trượt PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – đạo hàm DOD Depth of Discharge Độ xả sâu BBĐ Bộ biến đổi vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Fem N Lực điện từ m kg Khối lượng bánh đà g m / s2 Gia tốc trọng trường e m Khe hở khơng khí z m Độ lệch vị trí đọc trục B Wb / m2 L1 , L2 H Điện cảm cuộn dây nam châm R1 , R2  Điện trở cuộn dây nam châm Ý nghĩa Mật độ từ thông  Độ từ thẩm vật liệu sắt từ 0 Độ từ thẩm môi trường chân không r Độ từ thẩm tương đối n Số vòng dây Wa Năng lượng tích trữ Ka Hệ số tỷ lệ với dòng điện Kn Hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển KP Hệ số khuếch đại điều khiển KD Hệ số đạo hàm điều khiển KI Hệ số tích phân điều khiển s Toán tử Laplace A m2 Tiết diện mạch từ Hệ số cấu tạo nam châm ổ từ  Fu , Fv , Fw N Lực điện từ ổ từ góc u , v, w zu , zv , z w m Độ lệch vị trí góc bánh đà Fze N Lực điện từ dọc trục M xe , M ye Nm Mô men điện từ lật theo trục x, y x ,  y rad Góc nghiêng theo trục x, y vii Fzd N M xd , M yd Nm Jx, J y, Jz N m.s Mô men quán tính theo trục x, y, z r m Bán kính tác động ổ từ lên bánh đà D m Đường kính vành ngồi bánh đà d m Đường kính vành bánh đà H m Chiều dày bánh đà i1u , i1v , i1w A Dòng điện cuộn dây nam châm I0 A Dòng điện tiền từ hóa (dòng điện lệch) Tbx s Chu kỳ điều chế độ rộng xung biến đổi Lực nhiễu dọc trục Mô men nhiễu theo trục quay x, y i2u , i2v , i2 w viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bánh đà thử nghiệm USFS .3 Hình 1.2 Hệ bánh đà hãng Pillar (Đức) chế tạo Hình 1.3 Hệ thống FES dùng bánh đà hãng Beacon Power Hình 1.4 Một số kiểu FESS cỡ nhỏ dùng bánh đà Hình 1.5 Hệ thống động - bánh đà với ổ từ bậc tự Hình 1.6 Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ lượng điển hình .9 Hình 1.7 Nguyên tắc nam châm điện 12 Hình 1.8 Mơ hình hệ nâng vật lò xo 12 Hình 1.9 Cấu trúc ổ từ chủ động 13 Hình 1.10 Đặc tính quan hệ lực điện từ theo dòng điện 15 Hình 1.11 Hệ nâng từ nam châm kép (ổ từ kép) 15 Hình 1.12 Cấu hình hệ truyền động động - bánh đà tích hợp ổ từ làm mơ hình thử nghiệm 20 Hình 1.13 Cấu hình hệ ổ từ mơ hình thử nghiệm 21 Hình 2.1 Mô tả ổ từ kép với hai nam châm điện 24 Hình 2.2 Cấu trúc cấu ổ từ 25 Hình 2.3 Phân tích lực bánh đà hệ tọa độ 26 Hình 2.4 Tính quy đổi hệ (u, v, w) (z,  x ,  y ) vị trí lực 28 Hình 2.5 Mơ tả ổ từ tương đương hệ ( z ,  x ,  y ) .41 Hình 2.6 Tương quan dòng điện i2 z , i2 x , i2 y i2u , i2v , i2w 43 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển ổ từ chủ động mơ hình truyền động động -bánh đà 46 Hình 2.8 Cấu trúc điều khiển ổ từ hệ ổ từ chủ động mơ hình truyền động động -bánh đà 47 Hình 3.1 Quan hệ lực F dòng điện i nam châm điện 51 Hình 3.2 Nguyên lý ổ từ với dòng điện tiền từ hóa 51 ix Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển ổ từ kép có dòng tiền từ hóa I0 52 Hình 3.4 Đặc tính F(iC) với giá trị I0 khác 54 Hình 3.5 Cấu trúc ổ từ điểm làm việc tuyến tính 54 Hình 3.6 Đặc tính F(iC) với giá trị I0 khác y=0 (điểm cân bằng) 55 Hình 3.7 Đặc tính F(y) với giá trị I0 khác iC=0 .55 Hình 3.8 Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A z thay đổi 56 Hình 3.9 Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A z=0 (điểm cân bằng) 56 Hình 3.10 Cấu trúc mạch vòng vị trí lân cận điểm cân 57 Hình 3.11 Kết mơ điều khiển ổ từ theo mơ hình tuyến tính hóa 57 Hình 3.12 Cấu trúc điều khiển đầy đủ cho ổ từ theo mô hình tuyến tính 58 Hình 3.13 Mơ ổ từ đơn nâng từ điểm (z  0,01mm) tới điểm cân với mạch vòng dòng điện lý tưởng khơng có hạn chế tốc độ lượng đặt 58 Hình 3.14 Mơ ổ từ đơn nâng từ điểm (z  0,1mm) tới điểm cân với mạch vòng dòng điện lý tưởng có hạn chế tốc độ lượng đặt 59 Hình 3.15 Vị trí (a), dòng điện (b), điện áp (c), ổ từ với nguồn 250VDC 60 Hình 3.16 Cấu trúc điều khiển tuyến tính hệ bánh đà ổ từ theo z,x ,y 63 Hình 3.17 Vị trí z,x ,y (a); zu ,zv , zw (b); dòng điện iz , i x , i y (c) iu , iv , iw (d) với vị trí ban đầu nằm ngang, khơng có nhiễu 64 Hình 3.18 Vị trí z,x ,y (a); zu ,zv ,zw (b); dòng điện điều khiển iz , i x , i y (c) iu , iv , iw (d) với vị trí ban đầu nghiêng, khơng có nhiễu ngồi tác động 65 Hình 3.19 Vị trí z,x ,y (a); zu ,zv ,zw (b); dòng điện iz , i x , i y (c) iu , iv , iw (d) với vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu ngồi tác động lên bánh đà 66 Hình 3.20 Lực nhiễu tác động lên bánh đà góc (a) dao động vị trí (b) .67 Hình 3.21 Động học bánh đà quay .68 Hình 3.22 Vị trí z,x ,y bánh đà khơng quay (a) quay (b), có nhiễu 68 Hình 3.23 Tốc độ quay lực nhiễu tác động vào bánh đà tăng tốc 69 x Hình 3.24 Vị trí z,x ,y nâng bánh đà từ vị trí ban đầu xa điểm cân 69 Hình 4.1 Cấu trúc tựa phẳng với mơ hình ngược làm điều khiển feedforward .73 Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với điều khiển feedforward feedback 74 Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với khâu tạo quỹ đạo đặt 74 Hình 4.4 Bộ điều khiển truyền thẳng (tính tốn dòng điện đặt) 83 Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho hệ đối xứng 86 ** ** Hình 4.6 Quỹ đạo đặt z j1 , z j z j1 , z j2 87 Hình 4.7 Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực chưa có khâu bù sai lệch mơ hình 87 Hình 4.8 Khâu bù sai lệch mơ hình 88 Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mơ hình cho ổ từ góc u 88 Hình 4.10 Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), ổ từ điều khiển phẳng 89 Hình 4.11 Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), ổ từ điều khiển phẳng 90 Hình 4.12 Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), ổ từ điều khiển phẳng 91 Hình 4.13 Vị trí (a), dòng điện (b), ổ từ 93 Hình 4.14 Vị trí góc (a) có lực nhiễu cân tác động (b) 94 Hình 4.15.Cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng với khâu bù nhiễu feedforward 94 Hình 4.16 Khâu bù nhiễu feedforward .95 Hình 4.17 Vị trí (a) lực nhiễu tác động (b) hệ có bù feedforward 95 Hình 4.18 Vị trí góc u, v, w bánh đà có nhiễu khơng đối xứng 96 Hình 4.19 Khâu bù sai lệch mơ hình tính tốn dòng điện cho trục z 97 Hình 4.20 Khâu bù tính tốn dòng điện đặt cho chuyển động  x 98 Hình 4.21 Cấu trúc điều khiển phẳng hệ ổ từ chủ động hệ z, x , y 98 Hình 4.22 Vị trí zu , z v , z w (a); z, x , y (b) nhiễu tác động lên bánh đà (c) trình hoạt động hệ truyền động động – bánh đà 99 Hình 5.1 Cấu hình hệ thí nghiệm 101 Hình 5.2 Cấu hình kênh vào đo vị trí cho dS-1104 102 xi Phụ lục cân Mô tả thiết kế hệ bánh đà nới với động cơ/máy phát đỡ ổ từ hình 6.7 Ø8 30 Hình 6.7 Bố trí lắp ổ từ ghép nối bánh đà – động cơ/máy phát 6.3.5 Thiết kế khung vỏ hệ bánh đà: Để lắp ráp tồn mơ hình với nam châm bánh đà cần có hệ khung vỏ để lắp ráp chi tiết Cơ cấu khung vỏ thiết kế chi tiết hình 6.8: - Khung ngoài: 137 Phụ lục 160 Lỗ khoét Ø8 325 275 267 Lỗ khoét 80 253 237 160 Hình 6.8 Thiết kế khung vỏ ngồi Ø8 Ø8 172 55 Ø6 172 Ø6 Ø6 48 48 70 Ø6 70 55 48 Ø100 325 300 48 325 275 Hình 6.9 Thiết kế nắp nắp 138 Phụ lục Khung vỏ ngồi dạng ống tròn với bích ghép để ghép với nắp Khung thép dày 8mm lốc hàn thành ống - Nắp trên: Nắp để gắn nam châm kéo - Nắp dưới: Nắp để gắn nam châm kéo động cơ/máy phát Thiết kế nắp trên, nắp hình 6.9 6.3.6 Cơ cấu lắp cảm biến Với cảm biến chọn bánh đà, bệ đỡ thiết, cấu gắn cảm biến để đo vị trị bánh đà thiết kế hình 6.10 Cảm biến Bánh đà Hình 6.10 Thiết kế cấu lắp cảm biến 6.3.7 Chế tạo, lắp ráp bánh đà, nam châm cảm biến vị trí Tồn phần tử sau thiết kế chế tạo theo yêu cầu Sau chế tạo, phần tử lắp ráp theo tình tự: 6.3.8 Lắp ráp cụm nắp dưới: Cụm nắp gắn động nam châm lắp ráp hình 6.11 139 Phụ lục Hình 6.11 Cụm nắp lắp ráp 6.3.9 Lắp ráp cụm nắp trên: Cụm nắp gắn nam châm lắp ráp hình 6.12 Hình 6.12 Cụm nắp lắp ráp 140 Phụ lục 6.3.10 Lắp ráp bánh đà Bánh đà đặt vào hệ bệ đỡ hình 6.13 Hình 6.13 Hệ ổ từ - bánh đà – đông lắp ráp 6.3.11 Lắp ráp khung vỏ cảm biến Sau lắp đặt phận chính, khung vỏ cảm biến lắp ráp hình 6.14 Hình 6.14 Lắp đặt khung vỏ cảm biến 141 Phụ lục 6.4 Thiết kế chế tạo biến đổi công suất, đo lường điều khiển cho ổ từ 6.4.1 Thiết kế mạch khuyếch đại cơng suất Tính chọn mạch lực van công suất Mặc dù nam châm điện ổ từ nam châm điện chiều lực từ tỷ lệ bậc hai với dòng điện nên lý thuyết khơng cần đảo chiều dòng điện để lực từ đáp dứng nhanh theo tín hiệu điều khiển, nên băm xung chiều có đảo đảo chiều dùng làm mạch lực Các van công suất dùng Mosfet chọn theo thông số: - Dòng điện: Với nguồn chiều cấp cho mạch lực 100VDC, điện trở tính tốn nam châm 0,97, Tuy nhiên, tham khảo kết mô thử nghiệm điều khiển chương chương dòng trung bình qua cuộn dây nam châm dòng trung bình qua van khoảng 6A Ta chọn hệ số dự trữ dòng điện 1,5 Vậy ta có: I van  1,5.I tb  1,5   9( A) (6.11) - Điện áp: Với điện áp nguồn cấp 100VDC, điện áp ngược mà van phải chịu 50VDC, chọn hệ số dự trữ điện áp 2,5 Ta có: U van  2,5.U nguoc  2,5  50  125(V ) (6.12) Từ tính tốn trên, chọn Mosfet IRFP250 Chọn phần tử điều khiển cho Mosfet Chọn vi mạch IR2110 đáp ứng u cầu tính tốn có cơng suất PD  1W làm điều khiển cho van công suất Đặc điểm IR2110: - Cung cấp nguồn điều khiển cực Gate từ 10 đến 20V - Bảo vệ thấp áp cho hai kênh - Tương thích logic 3.3V Cung cấp mức logic riêng biệt từ 3.3V đến 20V - Lơgíc nguồn có mức lệch ± 5V - Đầu vào CMOS Schmitt theo sườn xuống - Chu kỳ logic chu trình tắt máy theo chu kỳ 142 Phụ lục - Có trễ chuyển kênh phù hợp cho hai kênh - Đầu pha với đầu vào IR2110 / IR2113 vi mạch điều khiển Mosfet IGBT công suất với điện áp cao, tốc độ cao Với kênh điểu khiển độc lập nửa cao nửa thấp cầu H Công nghệ HVIC chốt bảo vệ CMOS cho phép lam việc tin cậy ổn định Logic đầu vào tương thích với tiêu chuẩn CMOS LSTTL đầu ra, cho phép thấp đến 3.3V logic Đầu diều khiển có đặ tính phát dòng xung cao để giảm thiếu trạng thái crossconduction van công suất Mức trễ điều khiển thiết kế phù hợp để dễ dàng điều khiển cho ứng dụng tần số cao Kênh điều khiển nửa cao thiết kế kiểu thả nối với tụ bootstrap cho phép điều khiển MOSFET kênh N IGBT phía cao cầu H hoạt động điện áp lên đến 500 600 volts Hình 6.15 Sơ đồ nguyên lý ghép nối IR2110 cho mạch lực 143 Phụ lục Tính toán mạch đệm bảo vệ Trong thiết kế sử dụng mạch đệm bảo vệ mạch RC Trong đó: Cp Lp tụ điện điện cảm kí sinh Mosfet Đối với van chọn IRFP250 có giá trị Cp =300 pF Lp=12.5nF Thiết kế mạch đo dòng điện Để đo dòng điện nam châm lựa chọn cảm biến Hall để đảm bảo đo dòng điện hai chiều cách ly với mạch điều khiển Với thơng só dòng điện có chọn cảm biến Hall LA25NP có dải đo tới 25A thay đổi thang đo hình 6.16 Hình 6.16 Cảm biến đo dòng Hall cách kết nối Hình 6.17 Mạch cơng suất với đo dòng dùng LA25P Thiết kế ngun lý mạch cơng suất Sau tính toán thiết kế chọn phần tử, sơ đồ nguyển lý tổng thể mạch lực hình 6.19: 144 Phụ lục Hình 6.18 Sơ đồ mạch lực biến đổi 145 Phụ lục Thiết kế lắp ráp mạch công suất Sau thiết kế kiểm tả mạch nguyên lý, mạch thiết kế, lắp ráp hiệu chỉnh Hình ảnh mạch lực sau thiết kế: Hình 6.19 Mạch lực băm xung lắp ráp 146 Phụ lục 6.4.2 Thiết kế mạch điều khiển dòng điện Phương án mạch điều khiển dòng điện Với yêu cầu dòng điện cuộn dây (tải R-L) đáp ứng nhanh với tín hiệu điều khiển, mạch cơng suất xung áp đảo chiều thiết kế điều khiển phương pháp điều khiển đối xứng Theo [57], với điều khiển đối xứng, dòng điện qua tải R-L biến thiên nhanh so với phương pháp điều khiển khác Ngoài ổ từ làm việc, thơng số R-L cuộn dây thay đổi Điện trở thay đổi nhiệt độ thay đổi, đặc biệt điện cảm thay đổi nhiều khe hở ổ từ bánh đà thay đổi Do để đảm bảo dòng điện qua cuộn dây ln bám theo dòng điện mong muốn, cần có mạch vòng điều chỉnh dòng điện Xác định thơng số điện từ nam châm: Để thiết kế mạch điều chỉnh dòng điện, cần xác định thông số R-L cuộn dây Việc xác định thơng số thực tính tốn từ thiết kế, đo trực tiếp thực nghiệm Điện trở cuộn dây đo trực tiếp đồng hồ đo có giá trị Rc  0,97 Điện cảm cuộn dây đo thiết bị đo R-L-C giá trị bánh đà gần tiếp xúc với ổ từ (e = 0,1mm) Lcmax  0,542 H khe hở lớn (e=1,9mm) LCmi n  0,028 H Tuy nhiên thơng số mạch vòng dòng điện cố định (mạch analog) nên thiết kế điều chỉnh dòng điện với thông số điện cảm bánh đà điểm ổ từ (e=1mm) với LCcb  0, 054 H Thiết kế điều chỉnh dòng điện  Mơ hình hóa nam châm điện:  G ( s)  Trong đó: TC  / RC I (s)   U ( s ) RC  LC s  TC s (6.13) LC số thời gian điện từ nam châm RC  Mơ hình hóa mạch băm xung: Mạch băm xung mơ hình hóa khâu qn tính bậc có hệ số khuếch đại Kbx số thời gian Tbx 147 Phụ lục Gbx  K bx  Tbx s (6.14)  Mơ hình hóa khâu đo dòng: Với mạch đo dòng dùng cảm biến Hall LA-25P mạch phụ trợ thiết kế với dòng tải 1A điện áp tương ứng 1V Ngồi mạch lọc có hệ số lọc nhỏ nên ta có hàm truyền khâu đo dòng biểu thức 6.15 với hệ số khuếch đại K i  Vậy hàm truyền khâu đo dòng điện là: Gdd  Ki  Ti s (6.15)  Tổng hợp mạch vòng dòng điện Cấu trúc mạch vòng dòng điện cho cuộn dây nam châm điện sau mơ hình hóa khâu: Uiđ Ri Uiph R1 Tbx.s+1 Băm xung 1/R1 TI1.s+1 Cuộn dây i Ki Ti.s+1 Đo dòng Hình 6.20 Mạch vòng dòng điện điều khiển nam châm điện Đối tượng điều khiển mạch vòng dòng điện là: Gi1  Gbx  GCoil  K bx 1/ R1  Tbx s  TI 1.s (6.16) Thiết kế điều khiển dòng điện Ri theo chuẩn tối ưu đối xứng với dạng hàm chuẩn: Fc  1  2 s  2 s2 (6.17) Ta có điều chỉnh dòng điện: Ri  (1  TI 1s ) R1 ; 2Tbx K bx s (6.18) 148 Phụ lục Thiết kế mạch điều khiển Sơ đồ nguyển lý tổng thể mạch điều khiển dòng điện hình 6.23: Hình 6.21 Mạch điều khiển dòng điện 149 Phụ lục Mạch điều khiển thiết kế lắp ráp Hình 6.22 Mạch điều khiển lắp ráp 6.4.3 Hiệu chỉnh điều chỉnh dòng điện Từ thơng số thiết kế, chế tạo mạch vòng dòng điện phần phụ lục, kết sử dụng để thiết kế điều khiển vị trí chương Để đảm bảo tin cậy chất lượng thí nghiệm, cần hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện để đạt thông số tiêu đề Hiệu chỉnh tĩnh dòng điện Trong phần phụ lục tổng hợp mạch vòng dòng điện tính tốn thơng số điều khiển dòng điện thiết kế phép hiệu chỉnh tham số điều chỉnh dòng điện Theo sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh dòng điện thiết kế hình 6.24, thơng số điều chỉnh dòng điện (PI) cần chỉnh mạch: Kp  R42  P09 TI R   2860,58 R41 2Tbx Kbx (6.19)  P09  K p R41  R42  2860,58.470  1000  1343, 4726(k Ω) L 0,9726   0,1397 R 6,96 Ti 0,1397  P08   R43   1000  3883,62Ω K p C5 2860,58.108 Ti  K p ( R43  P08 )C5  (6.20) Các bước hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện sau:  Bước 1: Chỉnh hệ số phản hồi khâu đo dòng điện 150 Phụ lục  Bước 2: Chỉnh điều khiển dòng điện Để chỉnh hệ số khuyếch đại khâu dòng điện trước tiên đưa mạch vòng dòng điện hở Sau điều chỉnh lượng đặt đo tín hiệu phản hồi dòng để kiểm tra mạch phản hồi theo dõi dòng phản hồi có tăng hay giảm theo lượng đặt hay khơng Các bước làm cụ thể sau: Cấp nguồn điều khiển, nguồn cho mạch lực, nối tải cuộn nam châm vào mạch lực Trên mạch điều khiển chuyển chân jump JP1 sang vị trí để tín hiệu đặt lượng đặt dòng điện cho mạch vòng dòng điện chiết áp P02 Thiết lập lượng đặt 2.5V điểm T03 Dùng đồng hồ đo dòng để đo dòng điện thực qua cuộn dây nam châm chỉnh hệ số khuyếch đại dòng điện Việc chỉnh mạch vòng dòng điện kín quan trọng định chất lượng mạch vòng dòng điện Như tính tốn trên, ta chọn linh kiện để phù hợp với điều chỉnh PI mạch vòng dòng điện Kiểm nghiệm khả điều khiển ổn định dòng điện Để kiểm nghiệm chất lượng điều khiển mạch vòng dòng điện tín hiệu thay đổi, tiến hành thử nghiệm với số kiểu tín hiệu đặt biến thiên Sử dụng máy phát tín hiệu tạo lượng đặt thay đổi tín hiệu điện áp sóng vng, sóng tam giác sóng sin với tần số khác nhau, biên độ khác đối chiếu tín hiệu đặt tín hiệu phản hồi máy sóng hình 6.28 Hình 6.23 Đáp ứng điều khiển dòng điện Có thể thấy đáp ứng tín hiệu dòng điện thực (đường màu vàng) bám sát theo tín hiệu dòng điện đặt (đường màu xanh) mà máy phát xung tạo Do điều khiển PI thiết kế hồn tồn có khả đáp ứng tín hiệu mà điều chỉnh vị trí tạo 151 ... lắp đặt ổ từ - Nghiên cứu điều khiển hệ bánh đà - ổ từ: gồm điều khiển cấu nam châm điện ổ từ, điều khiển hệ bánh đà ổ từ … Khác với hệ dùng ổ đỡ mà cấu quay hoạt động lúc hệ có tích hợp ổ từ, cấu... đối tượng nghiên cứu luận án hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp hệ truyền động động – bánh đà b Phạm vi nghiên cứu: Với hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ, đối tượng chủ đạo cần điều khiển ổ từ với... nghiên cứu hệ truyền động bánh đà có tích hợp ổ từ với ba cụm ổ từ mơ hình điều khiển ổ từ ba bậc tự Chương 2: Xây dựng mơ hình động lực học hệ truyền động động cơ- bánh đà có tích hợp ổ từ chủ