Cấu trúc thí nghiệm được minh họa trên hình 4.1. Mô hình thí nghiệm sử dụng hai ổ đỡ từ đặt hai bên đầu trục quay của động cơ dẫn động. Các cuộn dây stator của ổ đỡ từ được cung cấp dòng từ bộ khuếch đại tuyến tính (KĐ Dòng), động cơ điện được cung cấp nguồn từ biến tần ba pha (BT3F), đo khoảng cách (x, y và z) bằng các sensor hướng trục và hướng kính.
Cụ thể như sau:
4.1.1. Động cơ đồng bộ ba pha có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục
Công suất định mức 300W, tốc độ động cơ là 10.000 vòng phút. Do hai đầu trục động cơ là hai ổ đỡ từ hướng kính không có tiếp xúc giữa phần tĩnh và phần quay như các lại vòng bi cơ thông thường, nên động cơ phải tích hợp thêm một ổ đỡ từ dọc trục (giữ cho trục quay không có chuyển động dọc trục – trong luận án không
Hình 4.1: Cấu trúc của thí nghiệm điều khiển ổ đỡ từ hướng kính
KĐ Dòng BT3F KĐ Dòng
đề cập sâu về loại động cơ này). Sơ đồ cấu trúc của loại động cơ điện này được mô tả như trong Hình 4.2 sau đây:
- Cấu tạo: Động cơ bao gồm một rotor dạng đĩa và hai stator bố trí hai bên (kiểu bánh sandwich).
Rotor: Thường được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện và có dạng hình đĩa, kích thước của rotor cần được xác định tối ưu với công suất thiết kế để đảm bảo tính động học tốt nhất cho động cơ. Trong thực tế ở dải công suất nhỏ, rotor của động cơ thường được chế tạo ở dạng nam châm vĩnh cửu để giảm kích thước cũng như tăng cường mật độ công suất cho động cơ. Kích thước và vị trí của các phiến nam châm vĩnh cửu có ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh mô men, lực nâng và chất lượng của chúng.
Stator: Bao gồm lừi thộp kỹ thuật điện và cỏc cuộn dõy ba pha. Để đảm bảo khả năng thu nhỏ kích thước của động cơ mà không gây ra bão hòa mạch từ, loại thộp silicon thường được sử dụng để chế tạo lừi stator. Lừi stator cú thể được chế tạo ở dạng 3, 6, 9 hay 12 cực, khi số cực càng lớn thì chất lượng của mô men và lực nâng càng cao, tuy nhiên việc gia công sẽ đòi hỏi chi phí cao hơn. Các cuộn dây stator sử dụng dây đồng và cuốn ở dạng tập trung. Số lượng cuộn dây sẽ tương đương với số cực của lừi stator.
Khung động cơ cố định stator: do động cơ bao gồm 2 stator riêng biệt do đó khung động cơ có nhiệm vụ gắn kết các stator thành một khối để đảm bảo khả năng làm việc ổn định ở tốc độ cao.
- Nguyên lý làm việc:
Khi điện áp ba pha được cấp cho các cuộn dây stator thì chúng sẽ sinh ra từ
Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục tích hợp chức năng ổ đỡ từ dọc trục
trường quay ở khe hở không khí giữa stator và rotor, từ trường này sẽ tương tác với từ trường của rotor để tạo ra các mô men quay và các lực hấp dẫn. Mô men quay tổng của động cơ sẽ bao gồm các thành phần do các stator gây ra, còn lực chuyển động dọc trục chính là sai lệch giữa các lực hấp dẫn. Cụ thể như hình 4.2: Hai stator ở hai bên của rotor, có cuộn dây ba pha tạo ra từ trường quay trong khe hở không khí. Từ trường quay sinh ra mômen quay trên rotor và tạo ra lực hút giữa rotor và stator.
4.1.2. Ổ đỡ từ hướng kính: Được minh họa trên hình 4.3.
Các bộ phận chính của cơ cấu chấp hành ổ đỡ từ ngang trục gồm có:
- Stator: Bao gồm nhiều nam châm điện (chế tạo loại có 4 cực) được bố trí sao cho phân bố lực nâng rotor là đều, đảm
bảo độ ổn định của rotor đặc biệt khi làm việc ở tốc độ quay rất cao. Lừi stator của ổ đỡ từ ngang trục cũng được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện để tránh tổn hao do dòng Fuco gây ra, các cuộn dây của các nam châm điện là dây quấn tập trung. Kích thước, hình dáng và số lượng nam châm điện cần được tính toán thiết kế sao cho phù
hợp nhất đối với yêu cầu công nghệ đề ra, do đó việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng tối ưu cấu trúc là rất cần thiết.
- Rotor: Thường được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện để tránh tổn hao sắt từ và có dạng hình trụ, kích thước của rotor cần được xác định tối ưu với công suất thiết kế để đảm bảo tính động học tốt nhất cho động cơ.
Số liệu ổ đỡ từ chủ động 4 bậc tự do (AMB 4 DOF) trong thí nghiệm như sau:
Số vòng dây cho một cuộn 200 vòng
Điện trở cuộn dây 3.1 Ω
Điện cảm cuộn dây 12.61 mH
Từ thông phân cực 0.058 T
Trọng lượng rotor 1 Kg
Hình 4.3: Cấu trúc ổ đỡ từ hướng kính
Mô men quán tính trục theo phương z 0.00241 kgm2 Mô men quán tính trục theo phương x và y 0.00298 kgm2 Khe hở giữa stator và rotor tại điểm cân bằng x0 1mm
Tiết diện mặt cực từ 525 mm2
Khoảng cách giữa hai ổ đỡ từ 125mm
Khoảng cách giữa hai cảm biến 169mm
4.1.3. Bộ biến đổi điện tử công suất cấp nguồn ba pha (biến tần ba pha) cho động cơ đồng bộ có tần số là 40 kHz, biến tần có khả năng đáp ứng tốt các dạng điều khiển khác nhau cho động cơ đồng bộ có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục:
- Phía lưới điện xoay chiều: Để cho đơn giản và phù hợp với các modul lực có sẵn, dự kiến sẽ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu không điều khiển.
- Phía động cơ: Phương án lựa chọn là mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha, đây là bộ phận quan trọng nhất để thực hiện các yêu cầu công nghệ của động cơ tích hợp ổ đỡ từ, thông qua việc điều chỉnh dòng năng lượng cấp cho động cơ.
- Mạch trung gian giữa hai phía: Là mạch áp một chiều trung gian. Tại đây sẽ lắp đặt mạch điện trở hãm (chopper or dynamic braking resistor) và tụ lọc DC.
- Thiết kế mạch điều khiển mở cho các van của mạch nghịch lưu: đảm bảo khả năng đáp ứng nhanh của các van động lực theo các thuật toán điều khiển biến tần.
4.1.4. Mỗi stator của ổ đỡ từ có 4 cuộn dây quấn tập trung, mỗi cuộn dây có 200 vòng và được cấp dòng bởi một bộ khuếch đại tuyến tính. Theo cách này thì một ổ đỡ từ 4 cực cần sử dụng 4 bộ khuếch đại tuyến tính. Bộ khuếch đại tuyến tính cấp nguồn dòng cho các cuộn dây stator của ổ đỡ từ hướng kính để tạo lực nâng rotor theo hướng ngang trục.
4.1.5. Các cảm biến đo khoảng cách kiểu dòng xoáy 2mm, 5VDC: Tương tự như tất cả các hệ thống nâng bằng từ trường, cơ cấu chấp hành của động cơ điện sử dụng ổ đỡ từ là các hệ không bền vững, vì vậy để đảm bảo tính ổn định của hệ thống, trong hệ này sử dụng điều khiển theo mạch vòng kín. Các mạch vòng này cần có các thông tin về vị trí trục động cơ, do vậy việc tích hợp các cảm biến vị trí (gap sensors) trong động cơ sử dụng ổ đỡ từ ngay từ bước đầu thiết kế là rất cần thiết. Các loại cảm biến vị trí thường được sử dụng trong hệ thống nâng bằng từ
trường thường là cảm biến vị trí kiểu la ze (laser gap sensor) hay cảm biến vị trí kiểu dòng xoáy (eddy current type gap sensor), yêu cầu chung đổi với các loại cảm biến này là:
- Khả năng đáp ứng vùng tần số rộng: Dải đáp ứng tần số phải đủ lớn sao cho biên độ pha của mạch vòng nâng từ trường không cần phải điều chỉnh giảm. Ví dụ, nếu tần số cắt của mạch vòng nâng từ trường là 100 Hz thì đáp ứng của sensor phải cao hơn ít nhất 5kHz.
- Ít gây nhiễu: Nếu cảm biến vị trí gây ra các nhiễu ở tần số cao, chúng sẽ bị khuyếch đại bởi thành phần vi phân trong bộ điều chỉnh PID, kết quả sẽ gây ra nhiễu rất mạnh đổi với hệ thống nâng từ trường và có thể làm cho hệ trở nên mất ổn định.
- Ít ảnh hưởng lẫn nhau: Trong một số trường hợp sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các cảm biến xẩy ra khi hai hoặc nhiều cảm biến được lắp đặt. Điều này thường xảy ra với các ổ đỡ từ khi mà các vị trí theo phương x,y và z của trục cần được xác định.
Ảnh hưởng của các cảm biến đổi với nhau có thể tạo ra các tín hiệu có điện áp cỡ vài mV và tần số cỡ vài kHz. Điều này có thể gây ra các vấn đề như đã mô tả ở mục trước.
4.1.6. Nguồn một chiều 10A, 36V cung cấp nguồn nuôi cho hệ thống.
4.1.7. Bộ xử lý tín hiệu số sử dụng TMS320, với 8 cổng vào A/D và 8 cổng ra D/A, 2 cổng vào cho encoder, cổng ra PWM. Phần mềm giao diện ControlDesk.
Sử dụng Board R&D DS1104 để nâng cấp khả năng cho máy tính trong việc điều khiển hệ thống. Phần cứng thời gian thực dựa trên công nghệ PowerPC cùng với giao diện vào/ra được thiết kế hợp lý khiến cho Board DS1104 trở thành một giải pháp lý tưởng cho việc phát triển các thuật toán điều khiển trong rất nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp. Board R&D DS1104 là một bằng chứng kinh điển chỉ cho ta thấy rằng có thể thay cho hệ thống thực với chi phí không cao.
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 được sử dụng trong Simulink để xây dựng sơ đồ.
- Khởi động chương trình Control Desk.
- Kết nối.
- Sau khi kết nối với mô hình Simulink, Matlab sẽ chuyển đổi mô hình Simulink sang dạng sdf (file mô tả hệ thống) và lưu trữ nó trong bộ vi xử lý của DS1104.
- File .sdf sẽ tự động được chuyển tới môi trường Control Desk, file này gồm thông tin về các biến được sử dụng trong mô hình Simulink.
Hình 4.4: Cấu trúc R&D DS1104
Hình 4.5: Giao diện điển hình dùng DS1104
Các thông số kỹ thuật chính:
Parameter Characteristics
Processor MPC8240 processor with PPC603e core and on- chip peripherals
64-bit floating-point processor
250 MHz CPU
2 x 16 KB cache; on-chip
On-chip PCI bridge (33 MHz)
Memory Global memory: 32 MB SDRAM
Flash memory: 8 MB
Timer 1 sample rate timer (decrementer):
32-bit down counter, reload by software, 40 ns resolution
4 general purpose timer:
32-bit down counter, reload by hardware, 80 ns resolution
1 time base counter:
64-bit up counter, 40 ns resolution, range 23400 years
Interrupt controller 5 timer interrupts
2 incremental encoder index line interrupts
1 UART interrupt
1 slave DSP interrupt
1 slave DSP PWM interrupt
5 ADC end of conversion interrupts
1 host interrupt
4 user interrupts from the I/O connector ADC
1 x 16-bit ADC with mux
4 muxed channels equipped with one 16-bit sample & hold ADC
Note: 5 ADC channels (1 x 16-bit + 4 x 12-bit)
can be sampled simultaneous
16-bit resolution
±10 V input voltage range
2 ms conversion time
±5 mV offset error
±0.25 % gain error
4 ppm/K offset drift
25 ppm/K gain drift
>80 dB signal-to-noise ratio (SNR) ADC
4 x 12-bit ADC
4 channels each equipped with one 12-bit sample & hold ADC
Note: 5 ADC channels (1 x 16-bit + 4 x 12-bit) can be sampled simultaneous
12-bit resolution
±10 V input voltage range
800 ns conversion time
±5 mV offset error
±0.5 % gain error
4 ppm/K offset drift
25 ppm/K gain drift
>65 dB signal-to-noise ratio (SNR) DACs
8 x 16-bit DAC
16-bit resolution
±10 V output voltage range
±5 mA maximum output current
Max. 10 ms settling time (full scale, accuracy 1/2 LSB)
±1 mV offset error
±0.1 % gain error
13 ppm/K offset drift
25 ppm/K gain drift
>80 dB signal-to-noise ratio (SNR) Digital I/O 20-bit parallel I/O
Single bit selectable for input or output
±5 mA maximum output current
TTL output/input levels Digital Incremental
Encoder Interface (2 x 24 bit)
2 channels
Selectable single-ended (TTL) or differential (RS422) input
Fourfold line subdivision
Max. 1.65 MHz input frequency, i.e. fourfold pulse counts up to 6.6 MHz
24-bit loadable position counter
Reset on index
5 V/0.5 A sensor supply voltage
Serial interface 1 serial UART (universal asynchronous receiver and transmitter)
Selectable transceiver mode:
RS232/RS422/RS485
Max. baudrate RS232: 115.2 kBaud
Max. baudrate RS422/RS485: 1 MBaud Slave DSP subsystem Texas Instruments TMS320F240 DSP
16-bit fixed-point processor
20 MHz clock frequency
64 K x 16 external program memory
28 K x 16 external data memory
4 K x 16 dual-port memory for communication
16 K x 16 flash memory
1 x 3-phase PWM output
4 x 1-phase PWM output
4 capture inputs
SPI (serial peripheral interface)
Max. 14-bit digital I/O
TTL output/input levels for all digital I/O pins
±13 mA maximum output current Host interface 32-bit PCI host interface
5 V PCI slot
33 MHz ±5 %
Physical size PCI 185 x 106.68 mm (7.28 x 4.2 in)
Ambient temperature 0 ... 55 ºC (32 ... 131 ºF)
Cooling Active cooling by fan
Power supply +5 V ±5 %, 2.5 A
+12 V ±5 %, 0.3 A
–12 V ±5 %, 0.2 A Power consumption 18.5 W
4.1.8. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm
Cấu hình tổng thể thiết bị thí nghiệm như Hình 4.6. Bao gồm hợp bộ động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục. Hai đầu trục của động cơ là hai ổ đỡ từ hướng kớnh. Rotor của ổ đỡ từ bao gồm phần lừi là trục thộp dẫn động, phần bao quanh trục nằm trong phạm vi staotor của ổ đỡ từ là vật liệu sắt từ. Biến tần làm nguồn cấp cho động cơ và bộ nguồn PMW cung cấp cho ổ đỡ từ được bố trí trong tủ điện.
Trên Hình 4.7 là ảnh chụp phần động cơ có hai ổ đỡ từ hai đầu. Do có cấu trúc đặc biệt nên cả động cơ và ổ đỡ từ đều sử dụng các giá đỡ cho phần tĩnh.
Trên Hình 4.8 là ảnh chụp tổng thể nguồn cấp cho động cơ và ổ đỡ từ. Nguồn cấp cho động cơ là biến tần nguồn áp bap ha, điều khiển tốc độ quay của động cơ sử dụng điều khiển vectơ. Do động cơ có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục để trục quay không bị chuyển động tịnh tiến dọc trọc (vì hai đầu là hai ổ đỡ từ) nên phải thêm một kênh điều khiển lực của ổ đỡ từ dọc trục này (phương z). Đối với ổ đỡ từ hướng kính, nguồn cấp cho các cuộn dây stator là một chiều từ PWM.
Hình 4.6: Cấu trúc chung của hệ thí nghiệm cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do.
Stator của động cơ
Hình 4.7: Động cơ ở giữa và hai ổ đỡ từ hai đầu trục Rotor của động cơ
Ổ đỡ từ Ổ đỡ từ
Hình 4.9 và 4.10 là ảnh chụp của ổ đỡ từ trái và phải cùng sensor đo vị tró của khe hở giữa trục quay và stator của ổ đỡ từ.
Hình 4.8: Nguồn cung cấp và điều khiển cho động cơ và ổ đỡ từ
Hình 4. 9: Ổ đỡ từ trái và các cảm biến Hình 4.10:. Ổ đỡ từ phải và các cảm biến
Giao diện thí nghiệm của phần mềm chuyên dụng được biểu diễn trên màn hình máy tính.
Trên Hình 4.11 là giao diện về kết quả thí nghiệm