Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động cơ tự nâng sử dụng rô to lồng sóc

Ngày nay, với xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật nói chung và của ngành Điều khiển Tự động hóa nói riêng, việc nghiên cứu, chế tạo những hệ thống, thiết bị mới và hiện đại có ứng dụng vào thực tiễn là một yêu cầu cấp thiết và quan trọng. Hệ truyền động động cơ sử dụng ổ đỡ từ là một trong những hệ thống như vậy, chúng được ra đời từ những nhu cầu cấp thiết khi nảy sinh những vấn đề mà các ổ bi cơ truyền thống gây ra, đó là việc phải thường xuyên bôi trơn dầu mỡ, ma sát do tiếp xúc cơ khí khiến các ổ bi cơ này có những hạn chế lớn trong các ứng dụng yêu cầu môi trường vô trùng, chân không hoặc các môi trường có nhiệt độ quá thấp và quá cao hay các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao của động cơ. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống điều khiển cho các ổ đỡ từ và động cơ tích hợp ổ đỡ từ đã đem lại những kết quả hết sức khả quan, đó cũng là nhân tố giúp cho ổ đỡ từ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, giá thành và độ phức tạp trong cấu trúc cũng như phương pháp điều khiển của các loại ổ đỡ từ này vẫn đang là một bài toán hóc búa làm cản trở việc ứng dụng và phát triển của nó trong công nghiệp. Xuất phát từ thực tiễn đó, cùng với sự hướng dẫn và định hướng của thầy giáo TS. Nguyễn Quang Địch, đề tài “Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động cơ tự nâng sử dụng rô to lồng sóc” đã được tôi lựa chọn làm hướng đi và nghiên cứu chính trong quá trình học tập và làm việc tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Mục đích của luận văn là nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển véc tơ (theo phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to) cho phần động cơ của hệ tích hợp ổ đỡ từ dọc trục động cơ sử dụng rô to lồng sóc, hay còn gọi là động cơ tự nâng rô to lồng sóc kiểu từ trường khe hở dọc trục (AGBM Axial Gap SelfBearing Motor). Ban đầu, một mô hình lý tưởng cho động cơ tự nâng rô to lồng sóc được nêu ra. Đối với phương pháp điều khiển véc tơ, yêu cầu về mô hình động cho động cơ là cần thiết, các đại lượng véc tơ AGBM được trình bày trên hệ tọa độ từ thông rô to (hay còn gọi là hệ trục tọa độ d,q). Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, các phương trình động học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN PHÚ CƯỜNG THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ CHO ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG SỬ DỤNG RƠ TO LỒNG SĨC CHUN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN QUANG ĐỊCH Hà Nội - 2012 Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “ Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rô to lồng sóc ” tơi tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hồn thành đồ án tơi sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Phú Cường Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ QUY ƯỚC iii LỜI NÓI ĐẦU Chương TÌM HIỂU VỀ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG 1.1 Giới thiệu chung ổ đỡ từ động 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguyên lý làm việc 1.1.3 Phân loại ổ đỡ từ 10 1.2 Lịch sử hướng nghiên cứu động sử dụng ổ đỡ từ 11 1.2.1 Lịch sử hướng nghiên cứu 11 1.2.2 Ứng dụng thực tiễn động sử dụng ổ đỡ từ 16 1.3 Động tự nâng 20 1.3.1 Cấu trúc loại động sử dụng ổ đỡ từ 20 1.3.2 Khái niệm “động tự nâng” 22 1.4 Phạm vi nghiên cứu luận văn 22 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG RƠ TO LỒNG SĨC 23 2.1 Cấu trúc chi tiết động 23 2.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho động 25 Chương THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA THEO TỪ THÔNG RÔ TO 34 3.1 Phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to 34 3.1.1 Luật điều khiển 34 3.1.2 Cấu trúc điều khiển 35 3.2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển 37 3.2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện 37 3.2.2 Mạch vòng điều khiển từ thông 40 3.2.3 Mạch vòng điều khiển tốc độ 40 3.2.4 Mạch vịng điều khiển vị trí dọc trục 43 Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK 46 Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc 4.1 Tham số động 46 4.2 Kết mô hệ thống 46 4.2.1 Trường hợp không tải 46 4.2.2 Trường hợp có tải 48 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ổ đỡ kiểu ổ lăn Hình 1.2 Ổ đỡ kiểu ổ trượt Hình 1.3 Ổ đỡ từ Hình 1.4 Cách xác định đường sức từ nam châm dùng mạt sắt Hình 1.5 Đường cong từ trễ Hình 1.6 Cấu tạo mạch từ Hình 1.7 Hệ mạch từ trục Hình 1.8 Sự hình thành lực hướng tâm 12 Hình 1.9 Động kết hợp ổ đỡ từ 14 Hình 1.10 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 16 Hình 1.11 Bơm máu tim nhân tạo 17 Hình 1.12 Bơm tua-bin 17 Hình 1.13 Máy nén dạng ống 18 Hình 1.14 Máy phát tua-bin khí dùng ổ đỡ từ 18 Hình 1.15 Bơm làm mát khí hóa lỏng 18 Hình 1.16 Tủ điện UPS mặt cắt máy phát điện sử dụng ổ đỡ từ 19 Hình 1.17 Cấu trúc chung động dùng ổ đỡ từ 20 Hình 1.18 Cấu trúc hệ tích hợp ổ đỡ từ ngang trục - động 21 Hình 1.19 Cấu trúc hệ tích hợp ổ đỡ từ dọc trục - động 22 Hình 2.1 Cấu trúc chi tiết động tự nâng rô to lồng sóc 23 Hình 2.2 Hình ảnh rơ to lồng sóc động tự nâng thực tế 24 Hình 2.3 Cách bố trí cuộn dây stator 25 Hình 2.4 Biểu diễn đại lượng véc tơ hệ tọa độ d,q 25 i Danh mục hình vẽ Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động AGBM rơ to lồng sóc 36 Hình 3.2 Cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện tách biệt 38 Hình 3.3 Cấu trúc mạch vịng điều khiển từ thơng 40 Hình 3.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ 41 Hình 3.5 Mạch vịng điều khiển vị trí dọc trục 43 Hình 4.1 Đáp ứng độ dịch chuyển tốc độ 46 Hình 4.2 Đáp ứng tốc độ độ dịch chuyển z = 47 Hình 4.3 Ảnh hưởng thay đổi tốc độ lên đáp ứng z 47 Hình 4.4 Ảnh hưởng thay đổi tốc độ lên đáp ứng z 48 Hình 4.5 Đáp ứng tốc độ vị trí dọc trục đóng tải 0.5s 49 Hình 4.6 Đặc tính mơ-men lực hút dọc trục đóng tải 0.5s 50 ii Danh mục từ viết tắt quy ước DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ QUY ƯỚC AGBM Axial Gap Self-Bearing Motor A/D Analog to Digital CD Compact Disk D/A Digital to Analog DSP Digital Signal Processor DVD Digital Video Disk FOC Field Oriented Control IM Induction Machine MIMO Multi Input – Multi Output PMSM Permanent Magnet Excited Synchronous Machine PWM Pulse Width Modulation SISO Single Input – Single Output UPS Uninterruptible Power Supply µC, µP Microcontroller, Microprocessor α,β Hệ trục tọa độ gắn với stator d,q Hệ trục tọa độ gắn với rô to us , ur Véc tơ điện áp stator, rô to is , ir Véc tơ dịng điện stator, rơ to λs Véc tơ từ thơng móc vịng dây quấn stator λr Véc tơ từ thông rô to usd , usq , urd , urq Các thành phần điện áp stator, rô to hệ tọa độ d,q isd , isq , ird , irq Các thành phần dòng điện stator, rô to hệ tọa độ d,q Lsd , Lsq Các thành phần độ tự cảm stator, rô to hệ tọa độ d,q usα , usβ Các thành phần điện áp stator, rô to hệ tọa độ α,β iii Danh mục từ viết tắt quy ước isα , isβ Các thành phần dịng điện stator, rơ to hệ tọa độ α,β isu , isv , isw Các thành phần dòng điện pha stator động u,v,w λsu , λsv , λsw Từ thơng móc vịng pha stator động u,v,w Lm Hỗ cảm stator rô to Rs , Rr Điện trở stator, rô to Ls , Lr Độ tự cảm stator, rô to L’s0 Điện cảm từ trường stator nhân với độ dài khe hở khơng khí Lsl Điện cảm rị L2m σ =1− L s Lr Hệ số từ tản toàn phần P Số đôi cực động Ts , Tr Hằng số thời gian stator, rô to Tsd , Trd Hằng số thời gian stator, rô to hệ tọa độ d,q iv Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, với xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật nói chung ngành Điều khiển - Tự động hóa nói riêng, việc nghiên cứu, chế tạo hệ thống, thiết bị đại có ứng dụng vào thực tiễn yêu cầu cấp thiết quan trọng Hệ truyền động động sử dụng ổ đỡ từ hệ thống vậy, chúng đời từ nhu cầu cấp thiết nảy sinh vấn đề mà ổ bi truyền thống gây ra, việc phải thường xuyên bôi trơn dầu mỡ, ma sát tiếp xúc khí khiến ổ bi có hạn chế lớn ứng dụng yêu cầu môi trường vô trùng, chân không môi trường có nhiệt độ thấp cao hay ứng dụng yêu cầu tốc độ cao động Trong năm gần đây, việc nghiên cứu cải tiến hệ thống điều khiển cho ổ đỡ từ động tích hợp ổ đỡ từ đem lại kết khả quan, nhân tố giúp cho ổ đỡ từ ngày sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng khác Tuy nhiên, giá thành độ phức tạp cấu trúc phương pháp điều khiển loại ổ đỡ từ tốn hóc búa làm cản trở việc ứng dụng phát triển cơng nghiệp Xuất phát từ thực tiễn đó, với hướng dẫn định hướng thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch, đề tài “Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc” tơi lựa chọn làm hướng nghiên cứu trình học tập làm việc trường Đại học Bách khoa Hà Nội Mục đích luận văn nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển véc tơ (theo phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thơng rơ to) cho phần động hệ tích hợp ổ đỡ từ dọc trục - động sử dụng rơ to lồng sóc, hay cịn gọi động tự nâng rơ to lồng sóc kiểu từ trường khe hở dọc trục (AGBM - Axial Gap Self-Bearing Motor) Ban đầu, mơ hình lý tưởng cho động tự nâng rơ to lồng sóc nêu Đối với phương pháp điều khiển véc tơ, yêu cầu mơ hình động cho động cần thiết, đại lượng véc tơ AGBM trình bày hệ tọa độ từ thơng rơ to (hay cịn gọi hệ trục tọa độ d,q) Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, phương trình động học Lời nói đầu AGBM đơn giản trở nên tương tự loại động chiều quen thuộc Các thành phần lực dọc trục mô-men quay rơ to phân tích tính tốn kỹ lưỡng để thiết lập cách xác mơ hình tốn học cho loại động tự nâng Trên sở mơ hình tốn học đó, cấu trúc điều khiển với hai mạch vòng điều khiển gồm mạch vòng dòng điện bên hai mạch vịng tốc độ vị trí bên ngồi xây dựng Dựa kết mô phần mềm Matlab - Simulink ta thu đáp ứng động với điều khiển thiết kế có chất lượng động học tốt Từ mở hướng việc thiết kế loại động tự nâng kiểu thay cho động truyền thống ứng dụng yêu cầu sử dụng mơi trường địi hỏi khắc nhiệt tốc độ cao Đây đề tài mới, cộng thêm kinh nghiệm kiến thức thân cịn nhiều hạn chế nên chắn khơng tránh khỏi sai sót việc nghiên cứu trình bày luận văn Tác giả mong muốn xin chân thành cảm ơn ghi nhận đóng góp, ý kiến đánh giá phê bình thầy cô, hội đồng phản biện hội đồng chấm luận văn để tác giả hồn thiện phát triển nội dung luận văn kiến thức thân Nhân tiện đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo giảng viên mơn Điều khiển - Tự động hóa, khoa Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội; đặc biệt thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt việc định hướng, cung cấp tài liệu trang thiết bị thí nghiệm cần thiết để tác giả hồn thiện luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Phú Cường Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thông rô to Khi (3.6) viết lại dạng sau :   isd  s + Tσ    i  s +  sq  Tσ    u  = A+ σ Ls sd   usq − B =  σ Ls (3.8) Các hệ phương trình (3.7) (3.8) mô tả hệ thống kết hợp Trên thực tế, biến đổi dòng nhanh nhiều so với thay đổi tốc độ từ thông rô to Do đó, việc tách biệt điều khiển dịng thực cách thêm giá trị dòng A B vào đầu điều khiển dòng để bù xen kênh động Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng thể hình 3.2 Vịng điều khiển dịng tách biệt có chứa số thời gian lớn Tσ , số thời gian Ti biến đổi Ti thời gian cần thiết thay đổi điện áp đặt vào tới điện áp đầu biến đổi, phụ thuộc chủ yếu vào thời gian trích mẫu τs tần số PWM tính theo công thức sau : Tần số PWM f PWM = 1/ TPWM (3.9) Và Ti = τ s + TPWM (3.10) Hình 3.2 Cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện tách biệt 38 Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thông rô to Do tương tự cấu trúc điều khiển, ta thiết kế điều khiển dòng dùng cho vòng điều khiển dòng, vòng điều khiển khác thiết lập tương tự Tiếp theo ta tính tham số Tid K pd cho điều khiển PI Bộ điều khiển PI sử dụng cho điều khiển dòng, hàm truyền cho vòng hở trục d trục q là: Tid s + K i Tσ Tid s Ti s + Tσ s + σ Ls G0i = K pd (3.11) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module, số thời gian Tid điều khiển PI hệ thống chọn tối ưu để triệt tiêu số thời gian lớn mạch vòng : (3.12) Tid = Tσ Giá trị tối ưu số khuếch đại chọn sau: K pd = σ LsTid 2KiTσ Ti (3.13) Từ đó, ta có hàm truyền vịng kín vịng điều khiển dịng : Gsi ( s ) = id idref = G0i = 2 G0i + 2Ti s + 2Ti s + (3.14) Do vịng điều khiển vị trí dọc trục nằm ngồi cùng, hàm truyền vịng kín thường đơn giản hóa thành hệ qn tính bậc với số thời gian tương đương Teq = 2Ti Hàm truyền vòng điều khiển dòng là: Gsi = id idref ≈ Teq s + (3.15) Từ (3.12) (3.13) (3.15), ta tổng kết lại tham số điều khiển dòng trục d, trục q sau:  T = T = T σ iq  id  σ Rs LsTid  K pd = K pq = 2KiTσ Ti   Gsi = Teq s +  39 (3.16) Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thơng rơ to 3.2.2 Mạch vịng điều khiển từ thơng Mạch vịng điều chỉnh từ thơng bao gồm điều khiển PI mạch vòng điều chỉnh dòng điện bên trong, mạch vịng điều chỉnh từ thơng minh họa hình 3.3 bên Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mơ-đun tương tự tham số Tid K pd cho điều khiển PI mạch vịng điều khiển từ thơng xác định sau: Tid = TR  Tid   K pd = 2T eq  (3.17) Hình 3.3 Cấu trúc mạch vịng điều khiển từ thơng Hàm truyền vịng điều khiển từ thơng là: Gsλ = λd ≈ λdref Tλeq s + (3.18) 3.2.3 Mạch vòng điều khiển tốc độ Với tất loại động cơ, độ lệch mô-men điện từ T mô-men tải TL tạo nên gia tốc rô to bám theo đặc tính động Hàm chuyển động quay động viết sau : T − TL = J dω Hoặc dạng hàm truyền : dt ω T − TL 40 = Js Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thơng rơ to Mơ-men quay điều khiển dòng trục q (3.4), ta thiết lập mạch vịng điều khiển tốc độ hình 3.4 Vòng điều khiển tốc độ bao gồm mạch vịng điều khiển dịng điện hàm truyền mơ tả động Vì tải quay chưa biết, coi ảnh hưởng nhiễu hệ thống Ảnh hưởng phép đo tốc độ thường kết hợp với số thời gian tương đương điều khiển dịng điện ω Ta có biểu thức: iqref Với K T = KT 1λrd Teq s + Js = KT (3.19) Teq s + Js = KT 1λrd Hình 3.4 Cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ Bộ điều khiển tốc độ đơn giản thực tế điều khiển khuyếch đại (P), biến sai lệch tốc độ thành dòng trục q tham chiếu iqref Giả sử không tải ( TL ), sai lệch tốc độ dương xuất khiến cho mô-men điện từ dương tăng tốc kéo rô to đến hết sai lệch Tương tự, sai số tốc độ âm sinh mô-men điện từ âm kéo rô to đến hết sai lệch (chế độ hãm) Do vậy, sai lệch tĩnh không tải Khi sử dụng điều khiển P, hàm truyền điều khiển là: ω = ωref JTeq 1+ s+ s KT K P 2KT K P J 41 = s  s + 2ξ + ωn  ωn    (3.20) Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thông rô to Với : ωn = ξ= KT K p tần số góc tự nhiên (3.21) hệ số tắt dần (3.22) JTeq J KT K PTeq Từ biểu thức trên, ta thấy đáp ứng tốc độ tới mơ-men ngồi xác định tần số góc tự nhiên Đáp ứng nhanh với nhanh ξ ωn lớn hơn, tắt dần lớn Hệ số khuyếch đại tối ưu chọn : K P = J KT Teq hệ số tắt dần là: ξ =1/2 Tuy nhiên, điều khiển khuyếch đại ln tồn sai lệch tĩnh có tải, sai lệch tính sau : eω = (ωref − ω ) t →∞ = TL KP Thông thường để giải vấn đề này, ta thêm khâu vi phân vào điều khiển tốc độ Hàm truyền điều khiển tốc độ lúc : Gcω ( s ) = K P ( + Tiw s ) (3.21) Tiw s Hàm truyền vòng hở mạch vòng điều khiển tốc độ là: G0ω ( s ) = K P ( + Tiw s Tiw s ) KT Teq s + Js (3.22) Tương tự điều khiển dòng điện, việc tính tốn tham số Tiw K iw phụ thuộc vào hệ thống điều khiển Để đáp ứng tốc độ tối ưu việc tính tốn tham số theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Hằng số thời gian Tiw PI chọn lớn số thời gian lớn mạch vòng Và KP chọn để tần số cắt chọn pha lớn 42 Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thông rô to Ta có : Tiw = 20Teq  J K =  P 2K T T T iw eq  (3.23) 3.2.4 Mạch vịng điều khiển vị trí dọc trục Để cho đơn giản, ta giả thiết vị trí ngang trục rô to giữ ổn định ổ đỡ từ ngang trục Do dịch chuyển dọc trục độc lập với dịch chuyển ngang trục, mô tả sau: (3.24) F − FL = m z Trong m khối lượng phần chuyển động F lực hút dọc trục Thay biểu thức (3.3) vào, biểu thức (3.24) viết lại thành : m z + FL = K F id id { } 2 + K F λrd + K F ( id + id ) + ( id − id ) + 2iq  z (3.25) ⇔ m z + FL + K z z = K m id Trong K z = −2 K F λrd (3.26) 2 − K F ( id + id ) + ( id − id ) + 2iq2  ta gọi độ cứng động K m = K F id hệ số khuếch đại lực hút Hình 3.5 Mạch vịng điều khiển vị trí dọc trục 43 Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thông rô to Dễ dàng nhận thấy K z âm, hệ không ổn định, để ổn định hệ thống, cần hệ điều khiển có chứa thành phần vi phân Sơ đồ khối vòng điều khiển vị trí dọc trục hình 3.3 Vịng điều khiển vị trí dọc trục có chứa hàm truyền vịng hở vịng điều khiển dịng điện bên Vì tải dịch chuyển dọc trục chưa biết, coi nhiễu hệ thống ( FL ) Giả sử ta sử dụng điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD), đầu điều khiển tương ứng với giá trị dòng tham chiếu trục d: id = − K P z − K D z (3.27) Trong K P hệ số khuyếch đại K D số vi phân điều khiển vị trí dọc trục Thay (3.27) vào (3.26) ta : m z+ Km KD z+ (K z + Km K P ) z = (3.28) Hệ ổn định số đa thức phương trình (3.28) dấu Do đó, K D > số đa thức phải thỏa mãn điều kiện : 2 2   K λ + K i + i + i − i + 2iq  ( ) ( ) Kz F rd F4  d0 d d0 d KP > − =  Km K id  KD > F2 (3.29) Sẽ xảy sai lệch tĩnh sử dụng PD, để khử sai lệch tĩnh nên sử dụng PID Hàm truyền PID : GPID ( s ) = K p + KI + KDs s (3.30) Tương tự trình bày trên, hệ thống ổn định tham số hàm truyền thỏa mãn : 2 2  K F λrd + K F ( id + id ) + ( id − id ) + 2iq  K P >  K id  KD (Km K p + K z )  < K < ; KD > I  m  F2 44 (3.31) Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thông rô to Trên thực tế, đầu khâu vi phân có nhược điểm chứa nhiễu đáng kể Nhiễu tần số cao đầu vào khuyếch đại lên đầu Do mà thành phần vi phân lý tưởng nên tránh thực thiết kế thực tế Hàm điều khiển thực tế là: GPID ( s ) = K p + KI K s + D s Tf s + (3.32) Mẫu thức xác định giới hạn tần số cao với tần số cắt 1/ Tf tử số đóng vai trị chức vi phân với dải tần số góc cao 1/ K D , mà điều khiển PID mang vai trò điều khiển PD dải tần số từ 1/ K D đến 1/ Tf Tần số thấp giới hạn dB tần số cao bị giới hạn K D / Tf , Tf chọn từ điều kiện tín hiệu thực tế Trong miền thời gian rời rạc, biểu thức (3.32) biểu diễn sau : GPID ( s ) = K p + K Iτ s ( z + 1) K D ( z − 1) + ( z − 1) ( 2T f + τ s ) z − ( 2T f − τ s ) 45 (3.33) Chương Mô hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm MATLAB - SIMULINK Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK 4.1 Tham số động Tham số động Giá trị Tham số động Giá trị Điện trở stator Rs 2,6 Ω Điện cảm L’s0 9,6 x 10-6 H.m Điện trở rotor Rr 1,62 Ω Điện cảm L’r0 8,2 x 10-6 H.m Khe hở khơng khí g0 1,7 x 10-3 mm Điện cảm rị Lsl x 10-3 H Khối lượng rô to m 0,235 kg Điện cảm rò Lrl 5,1 x 10-3 H Qn tính rơ to 0,000086 kg.m2 4.2 Kết mơ hệ thống 4.2.1 Trường hợp không tải a Đáp ứng z (độ dịch chuyển) tốc độ 0: Ta đặt z = (để vị trí roto stato), đáp ứng hình 4.1 bên Hình 4.1 Đáp ứng độ dịch chuyển tốc độ Từ đồ thị ta thấy thời gian độ khoảng 0.1 giây, độ điều chỉnh 5% 46 Chương Mô hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm MATLAB - SIMULINK b Đáp ứng tốc độ z = 0: Giá trị đặt tốc độ 6000 (vòng/ph) Khởi động sau 0.03s Hình 4.2 Đáp ứng tốc độ độ dịch chuyển z = Nhận thấy đáp ứng tốc độ nhanh sau 0.03s, thời gian độ nhỏ khơng có độ q điều chỉnh c Khảo sát ảnh hưởng việc thay đổi tốc độ đến đáp ứng z: Ta cho khởi động tốc độ sau 0,15s từ lên 6000 vòng/ph Đáp ứng z bị ảnh hưởng hình 4.3 Hình 4.3 Ảnh hưởng thay đổi tốc độ lên đáp ứng z Nhận thấy độ dịch chuyển z có giảm chút, sau trở giá trị đặt khoảng thời gian nhanh 47 Chương Mô hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm MATLAB - SIMULINK Hình 4.4 bên mơ tả rõ ràng ảnh hưởng tốc độ vị trí Hình 4.4 Ảnh hưởng thay đổi tốc độ lên đáp ứng z 4.2.2 Trường hợp có tải Với trường hợp có tải, ta cho đóng tải 0,5s Bắt đầu khởi động hệ thống 0.02s (khởi động đồng thời điều chỉnh tốc độ lẫn điều chỉnh z) Tốc độ đặt 1000 vòng/ph, z đặt mm a Quan sát đồng thời đáp ứng vị trí dọc trục z đáp ứng tốc độ: Ta so sánh trình khởi động thay đổi đóng tải vị trí dọc trục tốc độ Đây trường hợp vận hành phổ biến động 48 Chương Mô hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm MATLAB - SIMULINK Hình 4.5 bên thể trình đáp ứng tốc độ vị trí dọc trục đóng tải 0.5s Nhận thấy, thời gian độ đáp ứng z khoảng 0.21s, dài nhiều so với thời gian độ tốc độ Hơn nữa, trường hợp này, độ điều chỉnh z tương đối lớn (hơn 50%) Điều hạn chế lớn hệ thống thiết kế Khi đóng tải (ở 0,5s), tốc độ giảm đáng kể xong trở lại giá trị đặt Đáp ứng với vị trí dọc trục z chậm có tải Hình 4.5 Đáp ứng tốc độ vị trí dọc trục đóng tải 0.5s 49 Chương Mô hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm MATLAB - SIMULINK b Khảo sát đặc tính momen đầu trục động lực hút dọc trục trường hợp này: Đáp ứng hình 4.6 Trong đó, đặc tính momen trên, đặc tính lực hút dọc trục nằm Hình 4.6 Đặc tính mơ-men lực hút dọc trục đóng tải 0.5s Ta thấy khởi động 0,2s; momen giật mạnh để kéo roto khỏi sức ì (thắng lực ma sát tĩnh) Sau xác lập trạng thái xấp xỉ roto có qn tính Khi đóng tải 0,5s; momen tăng lên giá trị xác lập để bù momen cản Với lực hút dọc trục, ta thấy trình độ diễn lâu với momen, lực hút trở trạng thái xác lập xấp xỉ sau 0,2s Khi đóng tải, lực hút có thay đổi xong trở trạng thái xác lập 50 Kết luận KẾT LUẬN Như xuất phát từ đề suất mơ hình lý tưởng cho động tự nâng rơ to lồng sóc kiểu từ trường khe hở dọc trục, luận văn xây dựng mơ hình tốn học, cấu trúc điều khiển tối ưu cho phần động tích hợp ổ đỡ từ nâng dọc trục Các kết mô cho thấy đáp ứng động với điều khiển thiết kế có chất lượng động học tốt, mở hướng việc thiết kế loại động tự nâng kiểu thay cho động sử dụng ổ đỡ từ truyền thống vốn cồng kềnh mặt cấu trúc lại phức tạp việc điều khiển Tuy nhiên, luận văn giới hạn nghiên cứu cho trường hợp hệ truyền động động tích hợp ổ đỡ từ có bậc tự (z θ), hướng phát triển đề tài nghiên cứu điều khiển hệ truyền động động tích hợp ổ đỡ từ có nhiều bậc tự (tối đa bậc tự x, y, θx, θy, z, θ), đảm bảo đặc tính động tối ưu cho hệ truyền động sử dụng loại động Một lần nữa, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô giáo giảng viên môn Điều khiển - Tự động hóa, khoa Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội; đặc biệt thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt việc định hướng, cung cấp tài liệu trang thiết bị thí nghiệm cần thiết suốt thời gian tác giả thực đề tài luận văn Xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Phú Cường 51 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.Chiba, T.Fukao, O.Ichikawa, M.Oshima, M.Takemoto and D.G.Dorrell (2005), Magnetic Bearings and Bearingless Drives, Newnes, Great Britain, pp 1-15, 251-264, 318-343 [2] Boštjan Polajžer (2010), Magnetic Bearings - Theory and Applications, Janeza Trdine 9, 510000 Rijeka, Croatia, pp 61-83 [3] Gerhard Schweitzer, Eric H.Maslen (2009), Magnetic Bearings - Theory, Design, and Application to Rotating Machinery, Springer, pp 461-485 [4] Nguyen Phung Quang and Jörg-Andreas Dittrich (2008), Véc tơ Control of ThreePhase AC Machines - System Development in the Practice, Springer, pp 1-15, 69-78 [5] Satoshi Ueno and Yohji Okada, Member, IEEE (2000), Characteristics and Control of a Bidirectional Axial Gap Combined Motor-Bearing, IEEE/ASME- Transactions on Mechtronics, Vol.5, No.3, September 2000 [6] Vu Dang Chu, Nguyen Phu Cuong, Luu Minh Tien and Nguyen Quang Dich (2011), Modeling and Control of Single Stator Axial Gap Self-Bearing Motor, Journal of Science and Technology - No 83, Hanoi University of Technology and Science, Hanoi, Vietnam [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ sở Truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, Việt Nam, Tr 159-181 [8] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2008), Điều chỉnh tự động Truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, Việt Nam, Tr 7-24, Tr 259-319 52 .. .Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “ Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rô to lồng. .. Chương Thiết kế hệ điều khiển véc tơ tựa theo từ thông rô to Chương THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA THEO TỪ THÔNG RÔ TO 3.1 Phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to 3.1.1 Luật điều khiển. .. kế hệ điều khiển véc tơ (theo phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông rơ to) cho phần động hệ tích hợp ổ đỡ từ dọc trục - động sử dụng rơ to lồng sóc, hay cịn gọi động tự nâng rơ to lồng sóc