6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài 1. Về kinh tế xã hội
1.2. Luận giải, định hướng nghiên cứu của đề tài
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Khi ứng dụng ổ đỡ từ vào truyền động cho các máy bơm, tuốc bin khí, máy khí nén, máy công cụ sẽ có hiệu suất cao do ít tổn hao. Chính vì vậy trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả như trong hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW với tốc độ quay là 12.000 vòng /phút sử dụng động cơ điện dùng ổ đỡ từ được thay thế cho động cơ sử dụng ổ thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700.000 kWh/năm [2].
Với ưu điểm này, động cơ điện dùng ổ đỡ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, công nghệ sinh học (bơm hóa chất [3], bơm máu trong tim nhân tạo [4], [5]…).
Việc giảm kích thước và giá thành cho động cơ ổ bi từ thông qua việc tích hợp chức năng của ổ đỡ từ vào động cơ là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm. Thành công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A. Chiba tại Đại học Tokyo – Nhật Bản. Bằng cách tích hợp chức năng của ổ đỡ từ ngang trục vào động cơ điện, kích thước của động cơ điện dùng ổ đỡ từ đã được giảm đáng kể (giảm khoảng 25%) tuy nhiên cấu trúc của động cơ phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ khí (cuộn dây ổ đỡ từ được quấn cạnh cuộn dây động cơ) và số bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng cho động cơ vẫn giữ nguyên. Do đó giá thành của động cơ kiểu này vẫn cao.
Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ đỡ từ dọc trục vào động cơ [1]-[2]. Thông qua phương pháp điều khiển mới, động cơ có
thêm chức năng sinh ra lực nâng dọc trục mà không cần bổ sung thêm dây quấn phụ. Bằng cách này phần cứng của ổ đỡ từ dọc trục được loại bỏ hoàn toàn, kết quả là kích thước và giá thành của động cơ điện dùng ổ đỡ từ sẽ giảm được đáng kể.
Tuy nhiên, những nghiên cứu này mới chỉ thành công trong thí nghiệm hai bậc tự do (chuyển động quay và dịch chuyển theo trục z) khi các chuyển động ngang trục của động cơ bị chặn. Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồng bộ động cơ điện dùng ổ đỡ từ theo một khối thống nhất sẽ thành công trong việc giảm kích thước và giá thành, góp phần nhanh chóng đưa động cơ điện dùng ổ đỡ từ vào ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Có các hướng nghiên cứu sử dụng động cơ với ổ đỡ từ làm việc trong môi trường sạch tuyệt đối, môi trường có nhiệt độ rất cao và rất thấp,…Trong các môi trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn, động cơ điện dùng ổ đỡ từ còn được nghiên cứu ứng dụng trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng, -1760C [7]) hoặc rất nóng (5500C [6]).
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Mặc dù khái niệm về động cơ điện dùng ổ đỡ từ mới xuất hiện trong thời gian gần đây nhưng đã thu hút mạnh mẽ nghiên cứu của các nhà khoa học và nghiên cứu sinh. Trong đó nổi bật là hai trung tâm nghiên cứu về ổ đỡ từ và động cơ điện dùng ổ đỡ từ thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên.
Tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bộ môn Tự động hóa của Trường thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản, mô hình động cơ điện tự nâng với từ thông dọc trục tích hợp sử dụng ổ đỡ từ dọc trục đã được nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công, các phương pháp điều khiển cơ bản đã được phát triển và ứng dụng cho động cơ, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới về Kỹ thuật điện. [7- 9]
Thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu sinh tại bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên với các Giáo sư ở Trường Đại học Tây Úc (The University of Western Australia, Australia), các thuật toán điều khiển nâng cao cho ổ đỡ từ đã được nghiên cứu. GS.TS Đỗ Khắc Đức và GS J. Pan là các chuyên gia được các nhà khoa học trên thế giới biết đến về điều khiển và rung động, đã có nhiều công trình về điều khiển các hệ cơ - điện phi tuyến cao đăng trên các tạp chí khoa học hàng đầu trong lĩnh vực này, "xem tài liệu tham khảo trong sách chuyên khảo". Các
phương pháp thiết kế bộ điều khiển được phát triển bởi các tác giả GS. Do.KD và GS J. Pan có thể ứng dụng vào điều khiển động cơ điện dùng ổ từ, xem các tài liệu [10-19].
1.2.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Nghiên cứu về sử dụng các bộ điều khiển hiện đại
Từ năm 2003 đến năm 2009, có thể quan tâm đến một số nghiên cứu điển hình sau:
(1). Trong nghiên cứu được công bố gần đây nhất (2009) [26], Chen và cộng sự đề xuất thay thế bộ điều khiển PID truyền thống bằng độ điều khiển PID tự điều hướng mờ (self-tuning fuzzy PID - type controller), nhằm giải quyết vấn đề rung động không cân bằng trong hệ thống ổ đỡ từ tích cực. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc giảm rung động cho hệ thống ổ đỡ từ tích cực cũng như giảm dịch chuyển của trục rotor.
(2). Trong một công trình công bố năm 2008 [27], B. Lu và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tham số tuyến tính cho hệ thống ổ đỡ từ tích cực. Mô hình các thông số không ổn định được xác định nhờ mạng nơron nhân tạo. Một hàm trọng số không ổn định được gần đúng hóa phục vụ cho việc điều khiển LPV. Các thí nghiệm được tiến hành để kiểm chứng tính bền vững của các hệ điều khiển LPV làm việc với dải tốc độ quay khá rộng. Cách điều khiển này loại bỏ được đòi hỏi về tuyến tính mở rộng (gain scheduling), đồng thời cho thấy kết quả tốt hơn so với điều khiển PID truyền thống ở tốc độ cao.
(3). Cũng trong năm 2008 [28], Z. Gosiewski và A. Mystkowski công bố nghiên cứu điều khiển bền vững ổ đỡ từ đơn cực. Hệ điều khiển bền vững của rung động rotor cứng được thiết kế và kiểm chứng bằng thí nghiệm. Một bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) được sử dụng để thực thi giải thuật điều khiển.
Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ điều khiển cũng như tính bền vững của bộ điều khiển được thiết kế.
(4). Trong một nghiên cứu khác, T.M. Lim và D. Zhang (2008) [29] phát triển hệ thống điều khiển lai, kết hợp PID và điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình mẫu (RMRAC) để điều khiển lực nâng của động cơ không dùng ổ. Công trình này khai thác quan hệ Lorentz để sản sinh cả lực nâng roto và momen quay.
Kết quả thí nghiệm cho thấy đáp ứng động học của mô hình mới tốt hơn hệ điều khiển PID truyền thống. Hướng nghiên cứu khai thác lực Lorentz cũng đã được H.Y- Kim và C-W. Lee đặt ra trong công trình công bố năm 2006 [30] thiết kế mới
ổ đỡ từ và hệ thống điều khiển tích hợp dựa trên nguyên lý lực Lorentz và Maxwell.
Hệ thống điều khiển tối ưu và giải thuật điều khiển Feed - Forward đã được sử dụng trong mô hình thí nghiệm này. Kết quả cho thấy tính khả thi của thiết kế mới.
(5). I.S.Cade và cộng sự (2007) [31] đề xuất một phương pháp mới để dự đoán biên độ dao động ở trạng thái ổn định từ các đáp ứng quá độ đo được tại các kênh vào, kênh ra của hệ thống ổ đỡ từ rotor mềm. Kỹ thuật này dựa trên phân tích hệ số Wavelet nhiều cấp và động lực học quá độ hệ thống. Một bộ điều khiển được thiết lập trong hệ tọa độ hệ số wavelet, các lực điều khiển được xác định từ các hệ số Wavelet phản hồi tỷ lệ. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự điều hướng dao động quá độ có thể được cải thiện.
(6). Năm 2004 [32], M.O.T. Cole và các cộng sự đã đề xuất thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ ổ đỡ từ, trong đó tích hợp các phương pháp điều khiển kháng lỗi (fault-tolerant). Kết quả thí nghiệm thu được trên hệ ổ đỡ từ- rotor mềm cho thấy hiệu quả của hệ thống điều khiển này. Một giải thuật điều khiển rung động thích nghi nhằm tối thiểu hóa các thao tác đo rung động bằng cách điều chỉnh biên độ và pha của tín hiệu đồng bộ đi vào điểm nút cộng của vòng lặp điều khiển phản hồi cũng đã được J. Shi và các cộng sự phát triển và công bố trong năm này [33].
(7). Năm 2003 [34], J.Y. Hung và cộng sự đã thiết kế hệ điều khiển phi tuyến cho ổ đỡ từ, sử dụng kết hợp các khái niệm tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization) và lùi theo bước (backstep), triển khai với bộ xử lý tín hiệu số dấu chấm động (floating point). Kết quả cho thấy đáp ứng phản hồi vòng kín (closed- loop response) dễ dàng tinh chỉnh hơn và bộ phản hồi sử dụng dòng điện nhỏ hơn các bộ điều khiển tuyến tính. Trong khi đó, M. Golob và B. Tovornik (2003) [35]
ứng dụng bộ điều khiển lôgic mờ cho một hệ thống từ treo đơn giản. Bộ điều khiển phân tách PID mờ bao gồm các phần tỷ lệ, tích phân, vi phân riêng biệt và được tinh chỉnh một cách độc lập. Kiểm nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ PID phân tách thực thi tốt hơn bộ điều khiển PID tuyến tính truyền thống.
Từ những phân tích ở trên cho thấy có thể ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển ổ đỡ từ nhằm mang lại những kết quả đáng mong đợi.
Có nhiều phương pháp điều khiển phi tuyến đã được đề xuất theo các tài liệu [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]. Nếu coi ổ đỡ từ là đối tượng điều khiển thì bản thân nó là phần tử động học không ổn định và mang tính phi tuyến cao. Khi xét hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện có tích hợp hai ổ đỡ từ hướng tâm hai đầu trục thì cần quan tâm đến hiện tượng xen kênh của ổ từ 4 bậc tự do.
Do đó, trong luận án này tác giả đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển PD bù trọng trường, tách kênh phi tuyến dựa trên hệ EL đủ cơ cấu chấp hành, áp dụng để điều khiển ổ đỡ từ bốn bậc tự do nhằm cải thiện chất lượng cho hệ thống so với phương pháp điều khiển PID kinh điển.