Nghiên cứu về động cơ không lõi thép là một vấn đề đang được quan tâm ở trong nước cũng như trên thế giới. Đã có rất nhiều các nghiên cứu cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển cho động cơ không lõi thép. Thông qua việc mô tả mô hình toán học cho động cơ không lõi thép, từ đó nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển cho hệ thống truyền động trên nền tảng công cụ mô phỏng Typhoon HIL.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9615 NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG KHÔNG LÕI THÉP TRÊN NỀN TẢNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG TYPHOON HIL STUDY THE CONTROL MODEL FOR SELF - BEARING SLOTLESS MOTOR SYSTEM ON TYPHOON HIL SOFTWARE Nguyễn Đức Dương TÓM TẮT Nghiên cứu động không lõi thép vấn đề quan tâm nước giới Đã có nhiều nghiên cứu cải thiện nâng cao chất lượng điều khiển cho động không lõi thép Tác giả tiếp thu theo số hướng đi, đóng góp thêm lý luận động khơng lõi thép làm sở cho nghiên cứu Thơng qua việc mơ tả mơ hình tốn học cho động khơng lõi thép, từ nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển cho hệ thống truyền động tảng công cụ mô Typhoon HIL Với nghiên cứu góp phần thúc đẩy phát triển động tự nâng không lõi thép nước Tiến dần tới việc ứng dụng động tự nâng không lõi thép thiết bị máy móc lĩnh vực khoa học kỹ thuật Từ khóa: Động tự nâng khơng lõi thép, phần mềm Typhoon HIL ABSTRACT Study on Self-Bearing Slotless Motor is an issue that is of interest both domestically and internationally There have been many studies to improve and improve the quality of control for Self-Bearing Slotless Motor The author acquires a number of directions, contributing more theories about Self-Bearing Slotless Motor as a basis for further study Through the description of the mathematical model for Self-Bearing Slotless Motor, then research to build a control model for magnetic drive system on Typhoon HIL software With these studies, will contribute to promoting the development of Self-Bearing Slotless Motor in the country Moving forward to the application of Self-Bearing Slotless Motor in machinery equipment and in the fields of science and technology Keywords: Self-Bearing Slotless Motor, Typhoon HIL software sử phát triển có nhiều nghiên cứu quan trọng việc cải thiện chất lượng điều khiển, thay động ổ đỡ bi động tự nâng khơng lõi thép Tại phòng thí nghiệm Cơ điện tử, Trường Đại học Kentucky (Hoa Kỳ), phân tích đánh giá động tự nâng không lõi thép cho thấy: mơ men lực nâng thực với số lượng cực nam châm lớn, độ lớn mơ men lực nâng gia tăng theo chiều dày nam châm, động hoạt động ổn định sai lệch dòng điện từ trường nam châm nhỏ [1] Nhóm tác giả S Ueno chế tạo thử nghiệm động với thông số: đường kính 152mm, chiều dài 25,4mm, lực đỉnh lên tới 213,6N mơ men đỉnh đạt 24Nm [2] Tại phòng thí nghiệm điện tử công suất Viện Công nghệ Liên bang Thụy sỹ, nhà nghiên cứu thực chế tạo động loại đạt tốc độ 500.000 rpm [3] điều mà động thông thường chưa thực Tại trường Đại học Ritsumeikan (Nhật Bản) cấu trúc động nghiên cứu cách thay đổi cách thức chế tạo đơn giản hóa phương pháp điều khiển [4] Ngồi số nghiên cứu bổ sung hồn thiện thiết kế công bố [5, 6, 7] Tại Việt Nam loại động tương đối nên cơng trình nghiên cứu chủ yếu thực phòng thí nghiệm, cơng bố cho thấy khả làm việc chúng chưa ứng dụng rộng rãi Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp Email: ndduong.ddt@uneti.edu.vn Ngày nhận bài: 25/4/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 29/5/2019 Ngày chấp nhận đăng: 15/8/2019 MỞ ĐẦU Động tự nâng không lõi thép phát minh quan trọng với mục đích giảm thiểu tối đa lực ma sát trục quay chi tiết máy, giúp chuyển động dễ dàng hơn, cho hiệu suất cao ứng dụng chuyển động ngành kỹ thuật Trong lịch 20 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 53.2019 Hình Động tự nâng không lõi thép Đối tượng cụ thể nghiên cứu động tự nâng không lõi thép sử dụng pha miêu tả cụ thể SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9615 phần sau Mục đích tác giả tìm hiểu động tự nâng không lõi thép, nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định vị trí cấu trúc động cụ thể Mơ hình hóa động tự nâng không lõi thép kiểm chứng kết tảng công cụ mô Typhoon HIL [9] tạo tiền đề cho nghiên cứu mở rộng sau Hình Cấu tạo Rotor Hình Thiết bị mơ Typhoon HIL CẤU TẠO VÀ MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG KHÔNG LÕI THÉP 2.1 Cấu tạo Cấu tạo động tự nâng không lõi thép bao gồm rotor cố định theo phương z stator mang cuộn dây không sử dụng lõi thép (hình 3) Hình Cấu tạo Stator 2.2 Mơ hình tốn học động tự nâng khơng lõi thép Bài báo nghiên cứu phát triển dựa kết công bố [1,2,3,4,5,6], vậy, để tránh lặp lại, việc xây dựng bước mơ hình đối tượng lược bỏ Trong báo tác giả đưa mơ hình đối tượng, chi tiết q trình mơ hình hóa tham khảo [1, 2, 3, 4, 5, 6] Ta có phương trình dòng điện cho pha stator (1) phương trình tổng qt mơ tả động tự nâng không lõi thép (2) sau: ia,d id cos(ψ) iq sin(ψ) Am cos( ) ib,e id cos(ψ 2π / 3) iq sin(ψ 2π / 3) Am cos( 4π / 3) (1) ic,f id cos(ψ 4π / 3) iq sin(ψ 4π / 3) Am cos( 2π / 3) τ k k A sin( ψ θ π / 4) nm m m m fx k nbk b id sin(2θ0 ) iq cos(2θ0 ) fy k nbk b id cos(2θ0 ) iq sin(2θ0 ) (2) Trong đó: - ia,b,c,d,e,f giá trị dòng điện pha a, b, c, d, e, f; - Am cường độ dòng điện stator; Hình Cấu tạo động a) Cấu tạo rotor gồm: - Nam châm hai cực hình trụ - Vỏ sắt bao quanh - Trục quay - Đế nhôm kết nối thành phần động Khoảng cách khe hở khơng khí nam châm vỏ sắt không đổi nhằm đảm bảo từ trường ổn định động Các đường sức từ khỏi bề mặt nam châm có xu hướng quay vòng phía cực nam Vì vỏ sắt có vai trò định hướng khép mạch từ, hay nói cách khác đường sức từ vng góc với tiếp tuyến điểm đó, tạo phân bố cho từ trường nằm rotor stator (hình 4) b) Stator Stator (hình 5) bao gồm cuộn dây sáu pha đặt khung nhựa, cuộn dây thiết kế đặc biệt với dây quấn trải theo hình lục giác sau quấn quanh lõi nhựa hình trụ - m góc pha tương ứng với Am; - ψ góc quay roto; - id dòng điện hướng dọc trục; - iq dòng điện hướng vng góc với trục; - Am cường độ dòng điện motor; - τ mơ men động cơ; - fx lực nâng theo phương x; - fy lực nâng theo phương y Và π 2π (n 1)π k nm 1 2cos 2cos 2cos 3n 3n 6n 2π 4π (n 1)π k nb 2cos 2cos 2cos 3n 3n 3n (3) Từ phương trình này, giải pháp điều khiển động đề xuất cho phần CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG KHƠNG LÕI THÉP Theo phân tích mơ hình tốn học động tự nâng khơng lõi thép (2) ta có đánh giá phương pháp điều khiển: No 53.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 21 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9615 - Lực nâng phụ thuộc vào hai thành phần điều khiển dòng điện id iq Nó hồn tồn độc lập mặt tốn với mơ men quay động Do đó, điều khiển vị trí điều khiển độc lập - Trong trường hợp thiết lập để đưa động vị trí lý tưởng góc θ = 00 phương trình lực trở thành: Fx k nbk biq Fy k nbk bid (4) Dễ dàng điều khiển vị trí đối tượng điều khiển khâu tích phân bậc - Đối với phương trình mơ men có thành phần ψ vận góc từ thơng rotor ϕm vận tốc góc dòng điện Để mơ men sinh độc lập khơng phụ thuộc vào vị trí rotor tổng: π m ψ θ 4 (5) phải số khác Tuy nhiên, góc rotor quay hàm phụ thuộc thời gian với tham số vận tốc góc động Do đó, góc pha ϕm phải hàm số ψ Ta có biểu thức sau: ψ = ωt ωt θ phương y, giá trị dòng điện pha abcdef tính tốn từ dq thơng qua 2/3 cách sử dụng công thức: iaf ,d id cos( ) iq sin( ) f ib,e id cos( 2 / 3) iq sin( 2 / 3) f ic ,f id cos( / 3) iq sin( / 3) (11) Với góc ψ lấy từ phản hồi vị trí Bộ điều khiển PI cho mạch vòng tốc độ điều chỉnh sai lệch tốc độ cách điều khiển biên độ thành phần dòng điện tạo mơ men Am Kết hợp cơng thức (8) ta có thành phần dòng điện tạo mơ men tính tốn dựa cơng thức sau: τ ia,d A m cos(ψ π / 4) τ ib,e A m cos(ψ 13π / 3) τ ic,f Am cos( 5π / 3) (12) Hai thành phần dòng điện cộng lại với tạo thành dòng điện stator: (6) với ω vận tốc góc động Hay ta phát biểu: ψ θ (7) Nếu điều khiển thỏa mãn biểu thức với Δθ≠0 mô men động không đổi phụ thuộc vào biến điều khiển Am Từ tác giả đề xuất việc thiết kế điều khiển vòng kín cho vị trí tốc độ động 3.1 Thiết kế điều khiển Như miêu tả công thức (7) điều khiển vòng kín xác định góc dòng điện thơng qua xác định giá trị thực vị trí rotor từ xác định giá trị dòng điện cách xác Để đơn giản ta giả sử góc ban đầu θ0 = giá trị ϕm thỏa mãn biểu thức: π ψ Thay vào (5) ta có: m (8) π π (9) Như vậy, phương trình mơ tả động lúc viết lại: m ψ θ τ k nmk m Am Fx k nbk biq Fy k nbk bid (10) Do đó, mơ men điều khiển Am, lực nâng điều khiển id iq Sơ đồ điều khiển miêu tả hình Trong cấu trúc điều khiển PID cho mạch vòng vị trí tạo luật điều khiển dòng điện id iq tương ứng với vị trí động theo phương x 22 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 53.2019 Hình Bộ điều khiển vòng kín Các tín hiệu đo bao gồm giá trị vị trí động theo trục x y, vận tốc góc rotor ω vị trí góc rotor ψ phương pháp có ưu điểm độ xác cao 3.2 Tính tốn tham số điều khiển PI PID cho mạch vòng tốc độ vị trí Đối tượng hệ thống mơ tả phương trình (10) Nhận thấy với cấu trúc điều khiển trình bày, điều khiển hoạt động độc lập, điều khiển vị trí phụ thuộc vào giá trị x y, điều khiển tốc độ phụ thuộc vào tốc độ phản hồi tốc độ đặt Gọi giá trị tham số mơ hình đối tượng KT, Kfx, Kfy ta có mơ hình chung cho hai điều khiển sau: τ K T Am Fx K fx iq Fy K fy id Trong đó: - K T k nmk m - K fx k nbkb - K fy k nb k b (13) SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9615 Nhận thấy mơ hình đối tượng lúc bao gồm biến độc lập vào điều khiển đơn lẻ đại lượng nên ta có mơ hình đối tượng trình bày hình 7, Tham số lựa chọn cho điều khiển tốc độ PI: 2s0 K Tω kPω 2s0 kPω K Tω K TωkPω s T TI Iω s0 (19) MÔ PHỎNG BẰNG CÔNG CỤ TYPHOON HIL Để thực nghiên cứu mặt lý thuyết ta sử dụng công cụ mô tảng Typhoon HIL Với phân tích nêu miêu tả hệ thống sơ đồ khối hình Hình Mơ hình đối tượng điều khiển vị trí Hình Mơ hình đối tượng cho điều khiển mạch vòng tốc độ Trong hai mơ hình này, giá trị m khối lượng rotor, J mô men quán tính rotor Để xấp xỉ mơ hình dạng hàm truyền ta coi chuyển động xung quanh gốc tọa độ O chuyển động tịnh tiến, ảnh hưởng khớp nối động không đáng kể với góc dao động nhỏ: Lúc ta thu hàm truyền động sau: - Hàm truyền dòng điện id với vị trí x: G x ( s) K x (s) K fx 2f id (s) ms s (14) ia ib ic id ie if - Hàm truyền dòng điện iq với vị trí y: G y (s ) K y(s) K fy 2f iq ( s) ms s (15) ω(s) K T K Tω Am (s) Js s (16) Trong đó, hệ số Kf ký hiệu chung cho hai trường hợp điều khiển vị trí: k nbk n (17) m Các đối tượng hàm truyền vị trí khâu tích phân bậc hai cần sử dụng điều khiển PID lựa chọn Bộ điều khiển tốc độ khâu tích phân bậc cần điều khiển PI đủ Tham số lựa chọn cho điều khiển vị trí PID: Kf 3s20 k P Kf K k T 3s f P D K f k P 3s0 TI s0 K k f P s30 TI TD s0 (20) Thành phần dòng điện tạo mô men quay cân độ lớn ngược pha có nghĩa là: ia ib ic id ie if - Hàm truyền biên độ Am tốc độ ω: Gω (s ) Hình Cấu trúc điều khiển động tự nâng không lõi thép Giá trị đặt cho điều khiển vị trí x, y mục tiêu cho điều khiển giữ trục động vị trí cân Thành phần dòng điện tạo lực nâng cân pha độ lớn có nghĩa là: (21) Do dòng điện pha abc tổng hai thành phần tạo lực nâng mô men, dòng điện def hiệu hai thành phần Bộ driver có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện cách xác, mơ hình sử dụng khuếch đại nguồn dòng Do đặc tính động học khâu driver tác động nhanh nên bỏ qua q trình xây dựng mơ hình 4.1 Xây dựng mơ hình Typhoon HIL (18) Hình 10 Mơ hình động Typhoon HIL No 53.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 23 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9615 Mơ hình động xây dựng biểu thức (2) sử dụng công cụ Typhoon HIL ta xây dựng cấu trúc động hình 10 Tham số động đặt bảng Bảng Tham số động STT Tham số Ký hiệu Giá trị Khối lượng động m 0,5 [kg] Bán kính rotor r 0,019[m] Góc pha ban đầu ϴ0 00 Từ trường cực đại rotor B0 0,59[T] Chiều dài đoạn lp lp 0,008[m] Chiều dài đoạn lt lt 0,006[m] 4.2 Kết mô Ta mô kiểm chứng với kịch để kiểm tra đáp ứng điều khiển vị trí tốc độ: - Kịch 1: vị trí ban đầu rotor điểm x0 = -0,5mm y0 = 0,5mm - Kịch 2: có lực tác động vào rotor thời điểm t = 0,2s, tác dụng lục có độ lớn 1N - Kịch 3: mô men cản 0Nm - Kịch 4: mô men cản 1Nm thời điểm t = 0,2s * Kịch 1: Mô với vị trí ban đầu x = -0,5mm, y = 0,5mm so với trục tọa độ Oxy kết hình 12 Tham số mơ tính tốn công thức (3) thông số điều khiển vị trí tốc độ vòng kín tính theo công thức (18) (19) bảng Bảng Tham số mô STT Tham số Giá trị Hệ số khuếch đại điều khiển tốc độ kpω 0,1713 Hệ số tích phân điều khiển tốc độ kIω 0,04 Hệ số khuếch đại điều khiển vị trí kpf 2,546 Hệ số tích phân điều khiển vị trí kIf 0,0052 Hệ số vi phân điều khiển vị trí kDf 0,0174 Vị trí ban đầu rotor theo phương x x0 5e-4 Vị trí ban đầu rotor theo phương y y0 -5e-4 Hệ số mô men động km -5,7x10-4 Hệ số mô men động knm 92,4 10 11 Hệ số lực nâng động Hệ số lực nâng động kb Knb -0,0277 45,979 Trong hình 11 động đóng gói Subsystem ký hiệu “Mo hinh dong co” điều khiển PI, PID tương ứng với mạch vòng vị trí mạch vòng tốc độ bố trí bên ngồi Hình 11 Mơ hình mơ mạch vòng kín Typhoon HIL 24 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 53.2019 Hình 12 Kết mơ trường hợp vị trí ban đầu x = 0,5mm, y = -0,5mm * Kịch 2: Mơ với vị trí ban đầu x = -0,5mm, y = 0,5mm so với trục tọa độ Oxy Tại thời điểm t = 0,2s, tác dụng lực theo phương x phương y có độ lớn 1N kết hình 13 Hình 13 Kết mơ trường hợp vị trí ban đầu x = -0,5mm, y = 0,5mm tác dụng lực 1N t = 0,2s P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9615 * Kịch 3: Mô với mô men cản kết hình 14 Hình 14 Kết mô với momen cản * Kịch 4: Mô với vận tốc ban đầu thời điểm t = 0,2s tác dụng mơ men cản có độ lớn 1Nm kết hình 15 SCIENCE - TECHNOLOGY KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả nghiên cứu thành công cấu tạo, đặc điểm động tự nâng khơng lõi thép Bằng việc xây dựng mơ hình tốn học, cấu trúc điều khiển, mơ hình điều khiển vị trí, mơ men, tốc độ cho động Tác giả mơ hình hóa mơ kiểm chứng tảng Typhoon HIL, kết cho thấy phương pháp thực mô kiểm chứng cho kết hoàn toàn khả thi để chế tạo điều khiển mơ hình thực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y Okada et al., 1995 Magnetic Bearing - Fundamental Design and Applications (in Japanese) JSME Publiccation on New Technology Series, No 1, Yokendo Ltd Tokyo [2] S Ueno et al, 2004 Development of the Miniture AMB with Concentated Wound Poles Proceedings of 9th International Symposium on Magnetic Bearings, CD-ROM [3] T Baumgartner, R Burkart, J W Kolar, 2014 Analysis and Design of a 300-W 500 000-r/min Slotless Self-Bearing Permanent-Magnet Motor IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 61, No 8, pp 4326-4336 [4] L Li et al, 2002 A Simple an Miniaturized Magnetic Bearing for CostSensitive Applications Proceedings of 9th International Symposium on Magnetic Bearings, pp 561-565 [5] S Ueno et al, 2006 Development of a Lorentz-force-type Slotless Active Magnetic Bearing Proceedings of 9th International Symposium on Magnetic Bearings, CD-ROM [6] D Q Nguyen and S Ueno, 2008 A study on axial gap self bearing motor drives in Proc Int Symp Micro/Nano System Technol., Hanoi, Veitnam, CD-ROM [7] D Q Nguyen and S Ueno, 2008 Sensorless speed control of a permanent magnet type axial gap self bearing motor in Proc 11th Int Symp Magn Bearings, Nara, Japan, Aug, CD-Rom [8] Nguyễn Phùng Quang, 1998 Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha NXB Giáo dục [9] https://www.typhoon-hil.com AUTHOR INFORMATION Nguyen Duc Duong University of Economics - Technology for Industries Hình 15 Kết mơ với mô men cản 1Nm thời điểm t = 0,2s Kết mô cho thấy, khả điều khiển PID PI hoàn toàn thực đồng thời kiểm nghiệm phương pháp điều khiển việc tách mơ hình thành hai thành phần khả thi Các đặc tính động học hệ thống cho phép việc chế tạo thử nghiệm No 53.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 25 ... tìm hiểu động tự nâng không lõi thép, nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định vị trí cấu trúc động cụ thể Mơ hình hóa động tự nâng không lõi thép kiểm chứng kết tảng công cụ mô Typhoon HIL [9]... pháp điều khiển động đề xuất cho phần CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG KHƠNG LÕI THÉP Theo phân tích mơ hình tốn học động tự nâng khơng lõi thép (2) ta có đánh giá phương pháp điều khiển: ... (19) MÔ PHỎNG BẰNG CÔNG CỤ TYPHOON HIL Để thực nghiên cứu mặt lý thuyết ta sử dụng công cụ mô tảng Typhoon HIL Với phân tích nêu miêu tả hệ thống sơ đồ khối hình Hình Mơ hình đối tượng điều khiển