Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Ổ TỪ KIỂU LAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Ổ TỪ KIỂU LAI Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Quang Địch PGS.TS Nguyễn Huy Phương Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn tập thể hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 16 tháng 12 năm 2021 Thay mặt tập thể hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Quang Địch Nghiên cứu sinh Vũ Đình Đạt LỜI CẢM ƠN Trải qua thời gian dài, khó khăn nhiều thử thách tác giả hồn thành luận án Trong suốt q trình đó, tác giả ln nhận giúp đỡ hỗ trợ đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, nhà khoa học, gia đình đồng nghiệp Qua tác giả muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Quang Địch, PGS.TS Nguyễn Huy Phương, người định hướng, tận tình hướng dẫn chun mơn bổ sung kịp thời kiến thức liên quan Xin chân thành cảm ơn giảng viên, nhà khoa học thuộc viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, mơn Tự động hóa cơng nghiệp (viện Điện) trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, có đóng góp chun mơn q báu cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin cảm ơn Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả hồn thành số quy trình thực nghiệm luận án Tác giả xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu đồng nghiệp trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đồng ý chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chun mơn vừa hồn thành luận án Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới vợ, hai tồn thể gia đình, bạn bè hết lòng ủng hộ, chia sẻ tinh thần vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu Tác giả luận án MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DANH MỤC BẢNG BIỂU 11 DANH MỤC HÌNH VẼ 11 MỞ ĐẦU 14 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 14 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 15 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 15 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 15 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 16 BỐ CỤC VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN 16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI 18 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ Ổ TỪ 18 1.1.1 Ổ từ bị động (PMB) 19 1.1.2 Ổ từ chủ động (AMB) 20 1.1.3 Ổ từ kiểu lai (HMB) 20 1.2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Ổ TỪ KIỂU LAI 21 1.2.1 Nghiên cứu cấu trúc ổ từ kiểu lai 21 1.2.2 Nguyên cứu phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai 25 1.3 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 27 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC MỚI Ổ TỪ KIỂU LAI 28 2.1 Ổ TỪ KIỂU LAI KHƠNG CĨ KHE HỞ PHỤ 28 2.1.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khơng có khe hở phụ 28 2.1.2 Phân tích mơ hình phương pháp mơ phần tử hữu hạn 30 2.1.3 Phân tích so sánh kết 34 2.2 Ổ TỪ KIỂU LAI KHE HỞ PHỤ 36 2.2.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe hở phụ 36 2.2.2 Phương pháp tính tốn mạch từ tương đương 37 2.2.3 Phương pháp mô phần tử hữu hạn 39 2.2.4 Phân tích đánh giá kết 40 2.3 Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH 42 2.3.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách 43 2.3.2 Phương pháp tính tốn mạch từ tương đương 45 2.3.3 Phương pháp mô phần tử hữu hạn 51 2.3.4 So sánh ổ từ kiểu lai khe phân cách ổ từ kiểu lai khe hở phụ 55 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 58 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH 59 3.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC 59 3.1.1 Mô tả hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 59 3.1.2 Xây dựng mơ hình toán học hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 60 3.2 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TẬP TRUNG PD 65 3.2.1 Thiết kế hệ điều khiển PD 65 3.2.2 Mô đánh giá hệ điều khiển PD 71 3.3 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN DỰA TRÊN BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 75 3.3.1 Thiết kế hệ điều khiển trượt 75 3.3.2 Mô đánh giá hệ điều khiển trượt 81 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 87 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 88 4.1 GIỚI THIỆU MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 88 4.2 CƠ CẤU CHẤP HÀNH CỦA HỆ THỐNG Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH .89 4.2.1 Stator ổ từ kiểu lai khe phân cách 89 4.2.2 Rotor ổ từ kiểu lai khe phân cách 90 4.3 PHẦN CỨNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH 92 4.3.1 Mô tả phần cứng hệ điều khiển ổ từ kiểu lai khe phân cách 92 4.3.2 Bộ biến đổi công suất 93 4.3.3 Cảm biến khoảng cách 95 4.3.4 Mô hình hồn thiện hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 97 4.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 98 4.4.1 Rotor trạng thái tĩnh không quay 98 4.4.2 Rotor trạng thái quay 99 4.4.3 Khi rotor thay đổi tải trọng có tác động nhiễu lực bên ngồi 100 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 114 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Danh mục từ viết tắt Ý STT nghĩa tiếng Việt Ổ từ chủ động Khối tâm rotor Bậc tự Phương pháp mạch từ tương đương Phương pháp phần tử hữu hạn Ổ từ kiểu lai Nhiều đầu vào nhiều đầu Ổ từ bị động Điều chỉnh độ rộng xung Một đầu vào đầu 10 Danh mục ký hiệu STT 5 Rrt 1/H Rt1 1/H Rt2 1/H Rsa 1/H 10 11 Wb Wb 12 13 F1 N F2 N F N H/m 14 15 16 17 u 18 NI A N vòng Ag m 19 20 21 A i 22 x0 Lượng thay đổi dòng điện điều khiển rotor i 23 A x dịch chuyển khoảng x x m Khe hở khơng khí cực từ phía rotor x m Khe hở khơng khí cực từ phía rotor 24 25 A NIx Sức từ động cuộn dây điều khiển cực từ phía rotor 26 R Từ trở 1/H (phần cực Từ trở R 1/H (phần cực 27 28 29 30 R 1/H si R 1/H so R 1/H rt A 31 32 33 35 36 Tiết diện m2 Tiết diện m2 k i ko R 1/H R co 38 1/H R xi 39 R 1/H xo 40 41 42 xi 1/H xo Wb F x 43 F Wb x 44 45 Fx K ix x0 châm Hệ số diện châm so vớ từ Hệ số tiết d châm với t Từ trở xác chứa nam Từ trở xác không ch Từ trở mạc phía Từ trở mạc (cực từ p Từ thơng m từ phía tr Từ thơng châm (cự Lực từ củ N Lực từ củ N Tổng lực từ tác dụng lên rotor theo phương trục x x Tiết diện c N 46 K Từ trở củ Ao ci 37 (phần cực Từ trở (phần cực vĩnh cửu m Ai 34 Từ trở N/A Hệ số độ cứng dòng điện N/m Hệ số độ cứng dịch chuyển 108 [21] Xu Yanliang, Dun Yueqin, Wang Xiuhe, et al., Analysis of hybrid magnetic bearing with a permanent magnet in the rotor by FEM, IEEE Transactions on Magnetics 42 (4) (2006) 1363–1366.Humberto Ferreira Vinhais, Paulo Henrique de Godoy, Emilio Carlos Nelli Silva (2006), “Optimized design of an electrostatic side-drive micromotor”, ABCM Symposium Series in Mechatronics, 2, pp 433-450 [22] Wei-Yu Zhang and Huang-Qiu Zhu, Accurate Parameter Design for Radial AC Hybrid Magnetic Bearing, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing Vol 15, No 4, pp 661-669 [23] Cheol Hoon Park, Sang Kyu Choi, Jun Young Park and Dong Won Yun , Design and control for hybrid magnetic thrust bearing for turbo refrigerant compressor, Automation Science and Engineering (CASE), 2011 IEEE Conference [24] Shanbao Cheng and Steven W.day, Design and control of hybrid magnetic bearings for maglev axial flow blood pump, Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2010 IEEE/ASME International Conference) [25] R.B Zmood, L.J Qin, J.A Kirk, et al., A magnetic bearing system design methodology and its application to a 50Wh open core composite flywheel, in: Proceedings of the Energy Conversion Engineering Conference 32nd Intersociety, vol 27 (4), August 1997, pp 2306–2311 [26] Alexei V Filatov, Patrick T McMullen, Lanvence A Hawking, et al., Magnetic bearing actuator design for a gas expander generator, in: Proceedings of the Ninth International Symposium on Magnetic Bearings, Lexington Kentucky, USA, pp 81–86, August 3–6, 2004 [27] Hiroyuki Onuma, Iruma (JP); Toru MasuzaWa, Hitachi (JP); Yohji Okada, Hitachi (JP), Hybrid Magnetic Bearing ( United States Patent Patent - No: US 7,683,514 B2 -Date of Patent: Mar 23, 2010) [28] POLAJŽER, B., et al Decentralized PI/PD position control for active magnetic bearings Electrical Engineering, 2006, 89.1: 5359 [29] YANG, Guang; ZHANG, Jian Min Pd control strategy design and simulation of magnetic bearing with single freedom of degree In: Advanced Materials Research Trans Tech Publications Ltd, 2013 p 1207-1211 109 Kascak A F., Brown G V., Jansen R H., Dever T P Stability [30] limits of a PD controller for a flywheel supported on rigid rotor and magnetic bearings Proceedings of AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, San Francisco, USA, 2005, p 1144-1155 PSONIS, Theodore K.; NIKOLAKOPOULOS, Pantelis G.; [31] MITRONIKAS, Epaminondas Design of a PID controller for a linearized magnetic bearing International Journal of Rotating Machinery, 2015 Okada Y., Nagai B., Shimane T Cross-feedback stabilization [32] of the digitally controlled magnetic bearing Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design, Vol 114, Issue 1, 1992, p Shimane T., Nagai B., Okada Y High-speed gyroscopic [33] instability and cross-feedback compensation of a digitally controlled magnetic bearing Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C, Vol 56, Issue 528, 1990, p 2079-2084, (in Japanese) Brown G V., Kascak A., Jansen R H., Dever T P., Duffy K P [34] Stability gyroscopic modes in magnetic bearing supported flywheels by using cross-axis proportional gains Proceedings of AIAA Guidance, Navigation and Controls Conference, San Francisco, USA, 2005, p 11321143 Fang, Jiancheng, and Yuan Ren High-precision control for a single- [35] gimbal magnetically suspended control moment gyro based on inverse system method IEEE Transactions on Industrial Electronics 58.9 (2010): 4331-4342 Ren, Yuan, and Jiancheng Fang Modified cross feedback [36] control for a magnetically suspended flywheel rotor with significant gyroscopic effects Mathematical Problems in Engineering 2014 (2014) [37] PID TSHIZUBU, Christian; SANTISTEBAN, José Andrés A simple controller for a magnetic bearing with four poles and interconnected magnetic flux In: 2017 6th International Symposium on Advanced Control of Industrial Processes (AdCONIP) IEEE, 2017 p 430-435 [38] Dever, Timothy, et al Modeling and development of magnetic bearing controller for high speed flywheel system 2nd International Energy Conversion Engineering Conference 2004 110 [39] Dimond, Timothy, et al Modal tilt/translate control and stability of a rigid rotor with gyroscopics on active magnetic bearings International Journal of Rotating Machinery 2012 (2012) [40] Chen, Liangliang, et al Vibration control for active magnetic bearing high-speed flywheel rotor system with modal separation and velocity estimation strategy Journal of Vibroengineering 17.2 (2015): 757-775 [41] Wei, Chunsheng, and Dirk Söffker Optimization strategy for PID-controller design of AMB rotor systems IEEE transactions on control systems technology 24.3 (2015): 788-803 [42] Shata, Ahmed, et al A particle swarm optimization for optimum design of fractional order PID Controller in Active Magnetic Bearing systems 2016 Eighteenth International Middle East Power Systems Conference (MEPCON) IEEE, 2016 [43] Shata, Ahmed Mohamed Abdel-Hafez, et al A fractional order PID control strategy in active magnetic bearing systems Alexandria engineering journal 57.4 (2018): 3985-3993 [44] J.C Doyle., Guaranteed margins for LQG regulators, in: IEEE Transactions on Automatic Control, AC-23(4):756–757, August 1978 [45] Zhang K., Zhao L., Zhao H B LQR method research on control of the flywheel system suspended by AMBs Journal of Mechanical Engineering, Vol 40, Issue 2, 2004, p 127-131 [46] Tian Ye, Sun Yanhua, Yu Lie., LQG Control of Hybrid Foil- Magnetic Bearing, in: 12th International Symposium on Magnetic Bearings, 2010 [47] G J Balas, J C Doyle, K Glover, A K Packard, and R Smith., μ Analysis and Synthesis Toolbox User’s Guide, in: The MathWorks, Natick, MA, 1995 [48] F Matsumura, T Namerikawa, K Hagiwara and M Fujita., Application of Gain Scheduled H∞ Robust Controllers to a Magnetic Bearing, in: IEEE Trans Control Systems Technology, vol 4, no 5, pp 484-493, 1996 [49] Amin Noshadi, Juan Shi, WeeSit Lee, Peng Shi, Akhtar Kalam., High performance H∞ control of non-minimum phase Active Magnetic Bearing system, in: IECON 2014 - 40th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society 111 [50] bearing Nonami K., Ito T µ-synthesis of flexible rotor-magnetic systems IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol 4, Issue 5, 1996, p 503-512 [51] Lanzon A., Tsiotras P A combined application of H∞ loop shaping and μ-synthesis to control high-speed flywheels IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol 13, Issue 5, 2005, p 766-777 [52] [56] Sivrioglu S., Nonami K LMI approach to gain scheduled H∞ control beyond PID control for gyroscopic rotor magnetic bearing system Proceedings of the 35th IEEE Conference on Decision and Control, Kobe, Japan, 1996, p 3694-3699 [53] Duan G., Howe D Robust magnetic bearing control via eigenstructure assignment dynamical compensation IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol 11, Issue 2, 2003, p 204-215 [54] Dever T P., Brown G V., Duffy K P., Jansen R H Modeling and development of a magnetic bearing controller for a high speed flywheel system Proceedings of 2nd International Energy Conversion Engineering Conference, Providence, RI, United states, 2004, p 888-899 [55] Sivrioglu S., Nonami K Sliding mode control with time- varying hyper-plane for AMB systems IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, Vol 3, Issue 1, 1998, p 51-59 [56] Rundell A E., Drakunov S V., DeCarlo R A A sliding mode observer and controller for stabilization of rotational motion of a vertical shaft magnetic bearing IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol 4, Issue 5, 1996, p 598-608 [57] CHEN, Syuan-Yi; LIN, Faa-Jeng Robust nonsingular terminal sliding-mode control for nonlinear magnetic bearing system IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2010, 19.3: 636-643 [58] LIN, F.-J.; CHEN, S.-Y.; HUANG, M.-S Intelligent double integral sliding-mode control for five-degree-of-freedom active magnetic bearing system IET control Theory & applications, 2011, 5.11: 1287-1303 112 [59] Kang, Min Sig, Joon Lyou, and Jong Kwang Lee Sliding mode control for an active magnetic bearing system subject to base motion Mechatronics 20.1 (2010): 171-178 [60] Mao, Jing Feng, et al Sliding mode control of magnetic bearing system based on variable rate reaching law Key Engineering Materials Vol 460 Trans Tech Publications Ltd, 2011 [61] Tsai, Yao-Wen, and Viet Anh Duong Sliding mode control for active magnetic bearings of a flywheel energy storage system 2016 IEEE International Conference on Control and Robotics Engineering (ICCRE) IEEE, 2016 [62] mode Utkin, Vadim, and Hoon Lee Chattering problem in sliding control systems International Workshop on Variable Structure Systems, 2006 VSS'06 IEEE, 2006 [63] Tang, Jiqiang, Jiancheng Fang, and Shuzhi Sam Ge Roles of superconducting magnetic bearings and active magnetic bearings in attitude control and energy storage flywheel Physica C: Superconductivity 483 (2012): 178-185 [64] Yoon, Se Young, Zongli Lin, and Paul E Allaire Control of surge in centrifugal compressors by active magnetic bearings: Theory and implementation Springer Science & Business Media, 2012 [65] Yao, Xuan, and Zhaobo Chen Sliding mode control with deep learning method for rotor trajectory control of active magnetic bearing system Transactions of the Institute of Measurement and Control 41.5 (2019): 1383-1394 113 PHỤ LỤC 1- Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách 114 2- Cực từ kiểu lai khe phân cách 115 3- Nam châm rotor ổ từ kiểu lai khe phân cách 116 4- Lõi cực từ kiểu lai khe phân cách 117 ... loại ổ từ chủ động ổ từ bị động, ổ từ kiểu lai đối tượng nghiên cứu đề tài Trong phần trình bày nghiên cứu tổng quan ổ từ kiểu lai Hình 1.5 Cấu tạo ổ từ kiểu lai 1.2 Nghiên cứu tổng quan ổ từ kiểu. .. kiểu lai Nghiên cứu ổ từ kiểu lai thường tập trung vào hai hướng nghiên cứu chính, nghiên cứu cấu trúc ổ từ kiểu lai nghiên cứu phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai 1.2.1 Nghiên cứu cấu trúc ổ từ. .. từ) rotor Do nghiên cứu cấu trúc ổ từ kiểu lai nghiên cứu số lượng cực từ cách bố trí nam châm điện nam châm vĩnh cửu cực từ ổ từ kiểu lai 1.2.1.1 Số lượng cực từ Theo số lượng cực từ, ổ từ kiểu