1. CHƯƠN G1
1.4. Tổng quan các phương pháp điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động
được cấp nguồn để tác động ngược lại với lực và giữ vật đứng yên. Ngược lại, nếu ngoại lực tác động theo chiều âm của trục, nam châm phía dưới sẽ được cấp nguồn để cân bằng.
Với hệ nâng từ như hình 1.11, để điều khiển lực tổng hợp của cặp nam châm tác động với 1 dòng điện và dịch khỏi điểm phi tuyến của đặc tính lực điện từ Fem theo dòng điện I, một thành phần dòng điện cố định I0 được cấp cho cả hai cuộn dây nam
châm Z+ và Z- gọi là dòng điện dịch (còn gọi là dòng điện tiền từ hóa). Nếu đối tượng ở vị trí giữa hai nam châm và cả hai cùng được cấp một dòng điện bằng nhau, lực tổng tạo bởi hai nam châm lên vật là bằng không (nam châm ở dưới sẽ kéo vật xuống còn nam châm ở trên sẽ kéo vật lên với cùng một lực). Như vậy, chỉ với một dịng điện dịch tự nó khơng điều khiển được lực tác động lên vật. Để tạo ra một lực theo chiều nào đó, một thành phần dịng điều khiển Ic được đưa vào cả hai cuộn dây nhưng với chiều sao cho cùng chiều với dòng điện dịch I0 (cộng thêm) trong một cuộn dây và ngược chiều với I0 (giảm bớt) trong cuộn dây cịn lại.
Ví dụ, để tạo lực theo chiều dương trục z, dòng điều khiển Ic sẽ cùng chiều với
I0 trong cuộn dây phía trên và ngược chiều với I0 trong cuộn dây phía dưới.
1.4. Tổng quan các phương pháp điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ-bánh đà. động động cơ-bánh đà.
Ổ đỡ từ chủ động (Active magnetic bearings -AMB) là kỹ thuật được phát triển để khắc phục các vấn đề của ổ trục và vịng bi thơng thường. AMB dùng các nam châm điện để giữ các phần tử hay trục quay của máy nên khơng có tiếp xúc và ma sát. Ban đầu, AMB chủ yếu dùng cho các lĩnh vực đặc biệt trong hàng không, vũ trụ như là thiết bị quay với tốc độ cao, trong môi trường chân không, không thể bôi trơn [3], [22]. Tuy nhiên, ngày nay ABM được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như tàu đệm từ, thiết bị cách ly chống rung, thiết bị y tế ... Từ các kiểu AMB ban đầu có chức năng thay thế riêng rẽ cho từng ổ bi thông thường trong thiết bị, AMB liên tục được nghiên cứu cải tiến, tổ hợp vào trong thiết bị để làm thiết bị nhỏ gọn hơn, giảm kích thước, giá thành cũng như nâng cao chất lượng thiết bị [23].
[24] đã thử nghiệm với một hệ bánh đà cỡ nhỏ gồm một rơto hình đĩa treo bởi ba ổ đỡ từ chủ động (AMB). Phương pháp điều khiển PID được sử dụng rộng rãi
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
trong hệ thống điều khiển với những ưu điểm như nguyên tắc đơn giản, dễ thực hiện. Nghiên cứu này sử dụng ba mạch vòng điều khiển PID riêng biệt cho 3 ổ đỡ từ. Một vùng giới hạn sai lệch được dùng để áp dụng điều khiển thích nghi đơn giản, khi sai lệch lớn hơn mức giới hạn thì sử dụng bộ điều khiển PD, khi sai lệch nhỏ hơn giới hạn thì sử dụng bộ điều khiển PID để đảm bảo độ chính xác. Điều khiển PID trong trường hợp này đã được áp dụng khá thành công để ổn định bánh đà khi có nhiễu ngồi, có các đặc tính động và tĩnh tốt. Mơ hình tốn học đã được phản ánh chính xác bởi đặc tính điều khiển. Thử nghiệm cho thấy hiệu suất của hệ thống để ngăn chặn hiệu ứng nhiễu trực tiếp là tốt.
[25] áp dụng điều khiển PID mờ để cải thiện chất lượng điều khiển PID. Với phương pháp mờ khơng cần mơ hình tốn học chính xác của đối tượng, có độ bền vững cao và không nhạy với sự biến đổi tham số hệ thống. Kết quả thử nghiệm trên mơ hình giống như [26] cho thấy chất lượng của hệ thống bộ điều khiển PID mờ tốt hơn so với bộ điều khiển PID thông thường.
Tuy vậy, ổ đỡ từ là một đối tượng phi tuyến điển hình, vì vậy điều khiển PID có nhiều hạn chế [27]. Nhiều nghiên cứu tập trung vào các giải pháp điều khiển phi tuyến giải quyết các vấn đề của ổ đỡ từ tích cực.
Để áp dụng điều khiển tuyến tính cho hệ ổ từ chủ động, nguyên lý chung là phải tuyến tính hóa hệ thống với dịng điện tiền từ hóa I0 [22]. Dòng I0 này gây ra một số
vấn đề như [21] đã nêu. [28] đưa ra phương án dùng bộ điều khiển phi tuyến theo luật tuyến tính hóa vào - ra để loại bỏ dịng điện I0 mà vẫn làm cho quan hệ giữa đầu ra vị trí và tín hiệu vào là tuyến tính. Nhược điểm của phương pháp tuyến tính hóa vào-ra là nhạy với sự sai khác giữa mơ hình và đối tượng thực. Vấn đề này được khắc phục bằng bộ điều khiển trượt. Mô phỏng đã cho thấy độ bền vững của điều khiển trượt. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng điều khiển phi tuyến cho chất lượng tốt hơn so với điều khiển tuyến tính để loại bỏ phản ứng mất cân đối và giảm đáng kể tiêu hao năng lượng.
Thông thường, trong các hệ dùng ổ đỡ từ tích cực, bộ điều khiển được thiết kế cho điều kiện vận hành bình thường để giảm chi phí và độ phức tạp. Ngoài sự ổn định của hệ thống, các cách thức phản ứng cũng được xét cho điều kiện bình thường. Tuy nhiên, trong trường hợp khẩn cấp, nhiệm vụ của hệ điều khiển là phải ưu tiên duy trì
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
sự ổn định. [29] đặt mục tiêu kiểm soát sự ổn định của hệ thống AMB khi có nhiễu loạn gia tốc tối đa. Phương pháp điều khiển phi tuyến được đề ra nhằm đóng ngắt dịng điều khiển của nam châm điện theo vị trí rơto, khi rơto tiếp cận một nam châm, dịng điện cuộn trong nam châm đó bị tắt, cịn dịng điện trong nam châm phía đối diện được bật để hút rotor ngược lại. Quá trình chuyển đổi tiếp tục cho đến khi rotor trở về vị trí cân bằng và ổn định.
Một số điều kiện được áp dụng để mơ hình tốn học của hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ tích cực có các trục độc lập với nhau. Cấu trúc của điều khiển chuyển mạch phi tuyến khi đó được áp dụng cho riêng từng trục. Bộ điều khiển cho hệ chuyển mạch phi tuyến là bộ điều khiển thích nghi đầu ra backstepping và bộ quan sát phi tuyến được dùng để ước lượng trạng thái không đo được với sai lệch hội tụ để làm tín hiệu phản hồi. Thực nghiệm với nhiễu loạn gia tốc ở các tốc độ quay khác nhau cho thấy khả năng chống nhiễu của điều khiển thích nghi cao gấp hai so với điều khiển PID.
[30] nghiên cứu trên một hệ dùng ổ đỡ từ 5 bậc tự do điển hình với hai ổ từ ngang trục cho mỗi đầu và một ổ từ dọc trục, mỗi ổ từ ngang trục gồm hai cặp nam châm điện. Hệ bánh đà – ổ đỡ từ gồm 4 bậc x1, y1, x2, y2 ngang trục và bậc z dọc trục. Động cơ/máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu truyền động bánh đà quay quanh trục z. Chuyển động quay này chính là nguồn gốc gây ra nhiễu loạn tác động lên các trục
xi, yi. Do tồn tại đồng thời các chuyển động dịch chuyển và chuyển động quay so với các trục điều khiển nên có sự xen kênh điều khiển giữa các ổ đỡ từ. Mơ hình phi tuyến cho hệ bánh đà – ổ đỡ này được xây dựng bằng phương trình Lagrange và áp dụng phương pháp điều khiển PID không tập trung. Mỗi bậc tự do (mỗi cặp nam châm) được điều khiển bởi một bộ PID riêng rẽ và có một dòng điện I0 cấp cho cả hai cuộn
dây của hai nam châm đối xứng. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển PID có thể duy trì rơto ở sát vị trí mong muốn ngay cả khi có nhiễu.
Phương pháp điều khiển trượt (SMC – Sliding Mode Control) cũng được áp dụng trên mơ hình tương tự và kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp điều khiển SMC rất phù hợp để thiết kế điều khiển cho hệ [31]. Khả năng ổn định, đáp ứng nhanh của phương pháp SMC vượt trội hơn so với điều khiển PID. Đặc biệt, ở tốc độ rất cao
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
của bánh đà, SMC vẫn đảm bảo rotor được điều khiển bám sát vị trí mong muốn ngay cả khi có nhiễu và hiệu ứng động [32].
[33] thiết kế hệ điều khiển phản hồi phi tuyến vị trí cho một bậc tự do và cả hệ ổ đỡ từ, theo hướng loại dịng tiền từ hóa. Sử dụng tính chất phẳng, Levine và cộng sự đã đưa ra giải pháp đơn giản cho việc lập qũy đạo chuyển động và ổn định theo điều kiện liên kết dòng điện hoặc điều kiện gần liên kết dòng điện để đảm bảo rằng chỉ có một nam châm điện trong mỗi cặp hoạt động tại một thời điểm. Thiết kế phi tuyến được thực hiện cho cả điều khiển dòng điện và điện áp, đồng thời thiết kế bộ điều khiển phản hồi nối tầng để bù sai lệch so với quỹ đạo đặt.
Các kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt giữa các phương pháp dựa trên điều kiện liên kết dòng điện và điều kiện gần liên kết dòng điện hầu như không đáng kể. Việc thiết lập quỹ đạo đặt rất hữu ích vì phương pháp điều khiển tuyến tính khơng có quỹ đạo đặt nên khơng có động học bám so với điều khiển phi tuyến, bất kể mức dịng điện tiền từ hóa. So với quỹ đạo đặt, điều khiển tuyến tính bám tốt hơn khi dịng điện tiền từ hóa tương đối nhỏ, nhưng độ nhạy với nhiễu loạn lại quá cao. Khi tăng dòng điện tiền từ hóa, độ bền vững với nhiễu được cải thiện nhưng đáp ứng hệ thống với sai lệch lớn bị giảm dần, làm bão hòa dòng điện và điện áp.
Cả hai phương pháp phi tuyến (điều khiển theo điện áp và dòng điện) đều đảm bảo độ bám tốt và độ bền vững với nhiễu chấp nhận được. Điểm đáng lưu ý là để làm giảm nhiễu, bộ điều khiển phi tuyến phẳng lại tạo dòng điện và điện áp lớn hơn bộ điều khiển tuyến tính có dịng điện tiền từ hóa (dịng điện lệch – bias current) lớn.