Luận văn thạc sĩ: Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HIỀN

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ
4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH
ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN, 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HIỀN

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ
4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH
ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. ĐẶNG DANH HOẰNG

PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUYÊN, 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Hiền
Sinh ngày: 17 tháng 7 năm 1979
Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công
Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Đại học Công nghiệp Việt Hung.
Tôi cam đoan tồn bộ nội dung trong luận văn do tơi làm theo định hướng của
giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hiền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau
đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo,
các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng
cho tác giả để tác giả có thể hồn thành bản luận văn của mình.
Trong q trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cơ giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái
Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy
TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin
chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề
tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các
thầy, cơ giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện hơn nữa
trong q trình cơng tác sau này.
Học viên

Nguyễn Thị Hiền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Mở đầu
Chƣơng.1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ
1.1. Khái niệm về ổ đỡ từ
1.1.1. Khái niệm ổ trục
1.1.2. Ổ đỡ từ
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ổ đỡ từ
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
1.2.3. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
1.3. Kết luận chƣơng 1
Chƣơng 2. MƠ TẢ TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO
2.1. Đặt vấn đề
2.2. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
2.2.1. Mật độ từ thông của mạch từ
2.2.2. Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ
2.2.3. Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép
2.2.4. Lực điện từ khi khơng kể đến từ hóa lõi thép
2.2.5. Mối quan hệ giữa lực điện từ và dịng điện trong các bộ AMB
2.3. Xây dựng mơ hình toán của hệ nâng bằng từ trường dùng ổ đỡ từ 4 cực
2.3.1. Các dạng cấu trúc ổ đỡ từ hiện nay và hướng nghiên cứu
2.3.2. Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do
2.3.3. Xây dựng mô hình tốn học
2.3.4. Các đặc tính động lực học của ổ từ bốn bậc tự do
2.4. Mơ hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
Trang
i
ii
iii
v
vi
1
2
2
2
4
11
11
12
13
15
16
16
17
18
19
20
21
21
22
22
23

25
30
33


iv

2.5. Kết luận chương 2

34

Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC
TỰ - MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID
3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
3.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số
3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID
3.2.1. Xây dựng hệ điều khiển
3.2.2. Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink
3.3. Khảo sát chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm
3.3.1. Cấu trúc hệ thống thí nghiệm
3.3.2. Kết quả thí nghiệm
34. Kết luận chương 3

35

Chƣơng 4. NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4
BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ
PID
4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ

4.1.1. Hệ Logic mờ
4.1.2. Bộ điều khiển mờ
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
4.2.1. Phương pháp thiết kế
4.2.2. Nhận xét
4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink
4.3.1. Sơ đồ mô phỏng
4.3.2. Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định
tham số bộ điều khiển PID
4.3.3. Nhận xét
4.4. Kết luận chƣơng 4
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
35
36
38
41
41
48
52
52
53
55

57
58
64
67
67
70
70
70
71
73
74
75
76


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

AMB

Ổ đỡ từ động

2

PMB

Ổ đỡ từ bị động

3

SMB

Ổ đỡ từ siêu dẫn

4

PID

Bộ điều khiển

5

DC

Một chiều

6

FLC

Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ mờ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Hình dạng ổ bi đỡ một dãy

2

Hình 1.2

Hình ảnh một số loại ổ lăn điển hình

2

Hình 1.3

Kiểu dáng ổ đỡ trượt

3

Hình 1.4

Hình ảnh một số loại ổ trượt điển hình

3

Hình 1.5

Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ

4

Hình 1.6

Ổ đỡ từ ngang trục (a) và ổ đỡ từ dọc trục (b)

5

Hình 1.7

Ổ đỡ từ thụ động

6

Hình 1.8

Ổ đỡ từ thụ động

7

Hình 1.9

Ổ đỡ từ siêu dẫn

7

Hình 1.10

a)Hình dạng; b) Các bộ phận cơ bản của ổ đỡ từ

8

Hình 1.11

Cấu trúc AMB một bậc tự do

9

Hình 2.1

Mạch từ lõi thép

17

Hình 2.2

Mạch từ hố tương đương

19

Hình 2.3

Một số cấu trúc điển hình của ổ đỡ từ chủ động

23

Hình 2.4

Sơ đồ cấu trúc tổng quát của ổ đỡ từ

24

Hình 2.5

Sơ đồ mặt cắt của ổ đỡ từ bốn cực có dùng nam châm vĩnh cửu 25

Hình 2.6

Định nghĩa các hệ tọa độ cho ổ đỡ từ

25

Hình 2.7

Sơ đồ chi tiết theo phương x-z cho ổ đỡ từ

26

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vii

Hình 2.8

Sơ đồ mạch từ tương đương với từ thơng phân cực cho ổ đỡ từ

27

Hình 2.9

λ = f(i) ở các khe hở khơng khí khác nhau

31

Hình 2.10

Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện

32

Quan hệ giữa lực hướng tâm với dịng điện ib trong cuộn stator

32

Hình 2.11

và chuyển dịch x của rotor

Hình 3.1

Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)

35

Hình 3.2

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID

35

Hình 3.3

Đồ thị quá độ

37

Hình 3.4

Sơ đồ hệ thống điều khiển

38

Hình 3.5

Mơ hình điều khiển PID cho mơ hình tuyến tính xung quanh điểm
làm việc của ổ đỡ từ

45

Hình 3.6

Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương x 1

47

Hình 3.7

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ đỡ từ

47

Hình 3.8

Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ổ đỡ từ với 2 mạch vịng điều

48

khiển
Hình 3.9

Bộ điều khiển vị trí

49

Hình 3.10

Bộ điều khiển dịng điện

49

Hình 3.11a Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo phương y

49

Hình 3.11b Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo phương x

50

Hình 3.12a Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 2 theo phương y

50

Hình 3.12b Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 2 theo phương x

50

Hình 3.13:

Đáp ứng dịch chuyển theo phương y, x của ổ đỡ từ 1

51

Hình 3.14

Đáp ứng dịch chuyển theo phương y, x của ổ đỡ từ 2

51

Hình 3.15

Mơ hình thí nghiệm truyền động với ổ đỡ từ

52

Hình 3.16

Card DSP 1104

52

Hình 3.17

Mạch điều khiển

53

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

viii

Hình 3.18

Khối kết nối tín hiệu vào ra

53

Hình 3.19

Màn hình hiển thị trên phần mềm control desk

53

Hình 3.20

Đồ thị tốc độ động cơ

53

Hình 3.21

Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x

54

Hình 3.22

Đồ thị tốc độ động cơ

55

Hình 3.23

Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x

54

Hình 3.24

Đồ thị tốc độ động cơ

55

Hình 3.25

Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x

55

Hình 4.1

Hàm thuộc biến ngơn ngữ

58

Hình 4.2

Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

58

Hình 4.3:

Luật hợp thành

59

Hình 4.5:

Thực hiện phép suy diễn mờ

61

Hình 4.6:

Thực hiện phép hợp mờ

62

Hình 4.7

Những nguyên lý giải mờ.

63

Hình 4.8

Cấu trúc một hệ logic mờ

64

Hình 4.9:

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD

65

Hình 4.10

Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1)

65

Hình 4.11

Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2)

65

Hình 4.12

Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

66

Hình 4.13

Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp

66

Hình 4.14

Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào

66

Hình 4.15

Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID

67

Hình 4.16

Bên trong bộ điều chỉnh mờ

67

Hình 4.17

Tập mờ e và e’

68

Hình 4.18

Tập mờ

68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ix

Hình 4.19

Tập mờ Kp và KD

68

Hình 4.20

Sơ đồ mơ phỏng ổ đỡ từ với bộ điều khiển mờ chỉnh định và

70

PID
Hình 4.21

Sơ đồ mơ phỏng ổ đỡ từ với cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh

71

định tham số bộ điều khiển PID
Hình 4.22a Đáp ứng theo trục y của ổ đỡ từ 1

71

Hình 4.22b Đáp ứng theo trục x của ổ đỡ từ 1

72

Hình 4.23

Đáp ứng theo trục y và x của ổ đỡ từ 2

72

Hình 4.24a Đáp ứng theo trục y của ổ đỡ từ 1

72

Hình 4.24b Đáp ứng theo trục x của ổ đỡ từ 1

73

Hình 4.25

Đáp ứng theo trục y và x của ổ đỡ từ 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
73


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm
công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm
công nghệ xanh mới. Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do kích

thước lớn và giá thành cao. Nhưng trong tương lai gần (5 năm) khi các nghiên cứu
thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế
vịng bi cơ khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc
phịng và cơng nghiệp vũ trụ,... sẽ là điều tất yếu. Hơn nữa hiện nay, tôi đang công tác
tại Khoa Điện - Trường Đại học Công nghiệp Việt Hung. Trong tương lai trường sẽ
xây dựng một số hệ thống điều khiển hiện đại trong đó có hệ thống điều khiển ổ đỡ từ.
Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển ổ đỡ từ tại trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp
Thái Ngun sẽ giúp tơi có có sở để xây dựng hệ thống thí nghiệm điều khiển ổ đỡ từ
tại Trường Đại học Cơng nghiệp Việt Hung. Vì vậy tôi chọn đề tài: "Nâng cao chất
lƣợng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số
bộ điều khiển PID".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về mơ tả tốn học cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do, sau đó đưa mơ hình đó
về dạng mơ hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc.
- Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bằng bộ điều khiển PID bằng mô
phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
- Đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID nhằm
nâng cao chất lượng điều khiển so với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng.
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ
Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng ổ đỡ từ 4 bậc tự do
Chương 3: Thiết kế điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển PID
Chương 4: Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều
khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
Kết luận và kiến nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ
1.1. Khái niệm về ổ đỡ từ
1.1.1. khái niệm ổ trục
Ổ trục là một chi tiết máy thuộc lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Nó có 2 dạng chính là
ổ lăn (vịng bi, ổ bi) và ổ trượt.
- Ổ lăn là một dạng của ổ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát
bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành ma
sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung hình khuyên. Ổ
lăn ở một số thiết bị khác còn được gọi là vòng bi hay ổ bi. Dựa vào khả năng chịu lực
hướng tâm hay hướng trục hoặc cả hai, mà ổ bi chia ra gồm: Ổ bi đỡ một dãy; ổ bi đỡ
chặn; ổ bi chặn đỡ; ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy; ổ đũa đỡ trụ ngắn; ổ đũa côn; ổ đũa đỡ
lịng cầu hai dãy,... (Ví dụ ổ bi đỡ một dãy được thể hiện như hình 1.1).

Hình 1.1: Hình dạng ổ bi đỡ một dãy

Một số loại ổ lăn điển hình được thể hiện trên hình 1.2.

Hình 1.2: Hình ảnh một số loại ổ lăn điển hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

- Ổ trượt là một dạng ổ đỡ trục dùng ma sát trượt (Hình 1.3). Giữa ngõng trục
và thành ổ là dầu ngăn cách tránh cho thành ổ tiếp xúc trực tiếp với ngõng trục. Bao

gồm các loại: Ổ trượt đỡ chỉ chịu lực hướng tâm, ổ trượt chặn chỉ chịu lực dọc trục,
còn ổ trượt đỡ chặn chịu được cả lực hướng tâm và lực dọc trục. Khi trục quay với vận
tốc rất cao và khi kích thước trục khá lớn khơng dùng được ổ lăn vì khó tìm được ổ lăn
thỏa mãn nên phải dùng ổ trượt. Trong các mơi trường đặc biệt (trong nước, mơi
trường ăn mịn,...) ổ lăn thường làm bằng kim loại nên dễ bị mịn. Khi đó có thể chế
tạo ổ trượt bằng gỗ, cao su,... để phù hợp với mơi trường.

Hình 1.3: Kiểu dáng ổ đỡ trượt

Một số loại ổ trượt điển hình được thể hiện trên hình 1.4:

Hình 1.4: Hình ảnh một số loại ổ trượt điển hình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

1.1.2. Ổ đỡ từ
Sơ lược sự phát triển ổ đỡ từ
Xuất phát từ ý tưởng về việc treo một vật bằng từ trường đã được đặt ra từ giữa
những năm 1842 trong bài báo của Earnshaw (On the nature of molecular forces), cho
đến năm 1934 Braunbeck mới đề cập sử dụng lực nâng bằng từ trường, những hoạt
động sản xuất cơng nghiệp tại thời điểm đó về ổ đỡ từ được thực hiện bởi tập đoàn
S2M ở Vernon, Pháp. Sau đó đã có rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế của ổ
từ đã trở thành hiện thực từ những năm 1960. Tuy nhiên, giá thành và độ phức tạp của
nó đã cản trở việc ứng dụng và phát triển trong sản xuất công nghiệp. Từ những năm
1988 trở lại đây, d

mạnh mẽ trong công nghệ điều khiển, cả về phần

cứng lẫn phần mềm cũng như những đột phá về kỹ thuật vật liệu và công nghệ chế tạo
cơ khí,... góp phần làm giảm kích thước, độ phức tạp cũng như giá thành của ổ từ.
Điều đó,

phát triển

các dụng cụ cao cấp của y sinh học. Tính

đỡ

và trong

2010, đã tổ chức được 12 hội nghị

khoa học quốc tế về ổ đỡ từ [18].
Định nghĩa
Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng khơng tiếp xúc các trục chuyển
động nhờ vào lực từ trường, được thể hiện trên như hình 1.5.

Hình 1.5: Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ

Khi chuyển động do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc với nhau, cho
nên ổ đỡ từ đang được coi là một ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21 cũng như

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

trong tương lai, có thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo
và sản xuất nhờ những ưu điểm nổi bật như sau mà ổ đỡ cơ khơng có được:
- Khơng có hao mịn khi vận hành do phần quay của động cơ không tiếp xúc
với bất kỳ bộ phận nào;
- Tăng hiệu suất của động cơ nhờ chuyển động khơng có ma sát;
- Thân thiện với mơi trường: Khơng có bộ phận bơi trơn;
- Khả năng làm việc với tốc độ cao;
- Khả năng loại bỏ các rung động khi chuyển động;
- Khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt.
Tuy nhiên ổ đỡ từ vẫn tồn tại một số nhược điểm:
- Giá thành cao;
- Cần có phần điều khiển cho ổ đỡ từ.
Phân loại ổ đỡ từ [8]
- Theo chức năng: Ổ đỡ từ ngang trục và ổ đỡ từ dọc trục như hình 1.6.

a)

b)
a
a
Hình 1.6: Ổ đỡ) từ ngang trục (a) và ổ đỡ từ dọc trục (b)

+ Ổ đỡ từ ngang trục: Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục
chuyển động theo hướng ngang trục (hướng x và y).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

+ Ổ đỡ từ dọc trục: Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục chuyển
động theo hướng dọc trục.
- Theo cấu tạo: Có nhiều kiểu cấu tạo khác nhau và trong thực tế hiện nay có
một số kiểu cấu tạo ổ đỡ từ điển hình như ổ đỡ từ chủ động và ổ đỡ từ bị động và ổ đỡ
từ siêu dẫn.
+ Ổ đỡ từ chủ động (Active Magnetic Bearing - AMB): Làm việc dựa trên
nguyên tắc chênh lệch của lực hấp dẫn điện từ. Ổ đỡ từ chủ động bao gồm nhiều bộ
phận như nam châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách. AMB có
đặc điểm:
- Kích thước lớn
- Cấu trúc phức tạp
- Có đặc tính động tốt
- Lực nâng có thể điều chỉnh
- Giá thành cao
Ổ đỡ từ chủ động có cấu tạo như hình 1.7

Hình 1.7: Ổ đỡ từ chủ động

+ Ổ đỡ từ thụ động (Passive Magnetic Bearing - PMB): Được chế tạo từ các
nam châm vĩnh cửu để tạo ra lực nâng theo nguyên lý hút hoặc đẩy. PMB có đặc điểm:
- Kích thuớc nhỏ gọn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

- Không cần bộ điều khiển
- Lực nâng cố định
- Dễ chế tạo
- Giá thành cao
Ổ đỡ từ thụ động có cấu tạo
như hình 1.8.
Hình 1.8: Ổ đỡ từ thụ động

+ Ổ đỡ từ siêu dẫn (Sctive Magnetic Bearing - SMB): Được chế tạo từ các nam
châm vĩnh cửu và chất siêu dẫn, lực nâng được tạo ra theo nguyên lý đẩy. SMB có đặc
điểm:
- Kích thuớc nhỏ gọn
- Khơng cần bộ điều khiển
- Lực nâng cố định
- Làm việc ở môi trường nhiệt độ thấp
- Giá thành cao
Ổ đỡ từ siêu dẫn có cấu tạo như hình 1.9
Superconductor

PM

Hình 1.9: Ổ đỡ từ siêu dẫn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

8

Ngồi ra cũng cịn một số cách phân loại ổ đỡ từ khác như: Theo lực từ, theo

cảm biến, theo tải trọng, theo từ trường (hiệu ứng từ), theo ứng dụng,…
Vậy với việc phân loại các ổ đỡ từ như trên đề tài lựa chọn nghiên cứu điều
khiển ổ đỡ từ chủ động (AMB).
Ổ đỡ từ chủ động AMB hướng tâm [8]
4 cực
(AMB) hướng tâm như hình 1.10.
Ổ đỡ từ có cấu tạo tương tự như một động cơ điện, tuy nhiên thay vì tạo ra mơ
men xoắn để quay rotor, nó lại tạo ra một lực để nâng rotor quay trong lòng ổ (stator),
khi nâng khoảng cách giữa rotor và stator rất nhỏ (0,5÷2mm) [9].
Một ổ đỡ từ bao gồm có 3 bộ phận chính:
- Ổ đỡ từ và trục được treo trong lòng nhờ từ trường.
- Các cảm biến.
- Hệ thống điều khiển.

Cảm biến
khoảng cách

Hệ thống
điều khiển

Nguồn dịng

a)

b)

Hình 1.10: a)Hình dạng; b) Các bộ phận cơ bản của ổ đỡ từ

Nguyên tắc làm việc của ổ đỡ từ tương tự như một nam châm điện, nghĩa là, có
thể tạo nên chuyển dịch cơ học theo một phương nào đó bằng các lực (hút hoặc đẩy)

điện từ.
Nguyên lý nâng dùng lực từ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

Cơ cấu chấp hành điện từ

Biến tần
một pha

Cơ cấu điện từ (Stator)

Bộ ĐK

Lực từ fm

Rotor
Rotor

Trọng lượng rotor mg

Sensor

Hình 1.11: Cấu trúc AMB một bậc tự do

Trước hết, ta xem xét một cấu trúc mô tả cho AMB tối giản trong hình 1.11 là

một bậc tự do. Từ việc phân tích và hiểu rõ các thuộc tính cơ bản của một hệ thống với
một bậc tự do (Degree of Freedom - DOF), thì việc phân tích và xây dựng một mơ
hình toán học cho một hệ thống nhiều hơn một bậc tự do sẽ dễ dàng và thuận lợi hơn.
Hình 1.11 mơ tả cấu trúc cơ bản của một vịng điều khiển kín cho AMB với các thành
phần cần thiết để cấu thành nên một hệ thống AMB theo một phương (x). Các thành
phần này và chức năng của chúng sẽ được mô tả sơ bộ dưới đây.
Đây là một hệ thống không ổn định cố hữu. Sự mất ổn định này là do lực hấp
dẫn của cơ cấu điện từ. Do đó, cần thiết phải có một giải pháp điều khiển tích cực đối
với mạch từ.
Cơ cấu điện từ bao gồm một rotor được treo tự do tại một khoảng cách danh
định so với cơ cấu điện từ. Cảm biến vị trí khơng tiếp xúc (thường là kiểu cảm biến
dịng điện xoáy hoặc cảm biến điện cảm) sẽ đo độ sai lệch x giữa vị trí mà ta mong
muốn x0 với vị trí thực của rotor và cung cấp thơng tin này đến bộ điều khiển. Mục tiêu
chính của bộ điều khiển là nhằm duy trì vị trí của rotor tại giá trị mong muốn của nó.
Điều này khơng chỉ làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực hấp dẫn fm được tạo ra bởi mg
(tích của trọng lượng rotor với gia tốc trọng trường) tại điểm làm việc tĩnh mà cịn
nhằm đạt được sự ổn định hóa, chính là chất lượng quan trọng nhất của quá trình điều
khiển. Khi rotor chuyển dịch vượt quá giá trị x0, cảm biến vị trí sẽ cung cấp một tín

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

hiệu đến bộ điều khiển, kết quả bộ điều khiển sẽ gửi một tín hiệu đến một bộ biến tần
một pha, làm thay đổi biên độ của dòng điện tần số cao cung cấp cho cuộn dây của cơ
cấu điện từ và sau đó, sẽ tạo ra được lực điện từ fm như mong muốn và đưa rotor trở về
giá trị cân bằng (vị trí danh định). Về cơ bản, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách
thức: khi rotor dịch chuyển đi xuống, cảm biến sẽ cung cấp một tín hiệu chuyển dịch

để làm tăng dịng điện điều khiển, lực điện từ gia tăng khi đó sẽ kéo rotor quay trở lại
vị trí danh định của nó.
Bộ biến tần một pha và cơ cấu điện từ của AMB là các thành phần phụ thuộc
chặt chẽ với nhau. Các thuộc tính quan trọng của AMB, chẳng hạn như động lực học
của lực phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế của cả bộ biến tần và cơ cấu điện từ của AMB,
bao gồm dòng điện và điện áp bộ khuếch đại, hình dạng của ổ đỡ từ, số vịng dây và
điện cảm của cuộn dây [8].
Ứng dụng của ổ đỡ từ
Ổ đỡ từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:
(1). Trong lĩnh vực Công nghệ bán dẫn
(2). Trong lĩnh vực Công nghệ sinh học
(3). Trong lĩnh vực Công nghệ chân khơng
(4). Trong lĩnh vực kỹ thuật cơng nghệ chính xác
(5). Trong lĩnh vực kỹ thuật năng lượng
(6). Trong lĩnh vực kỹ thuật hàng không
(7). Trong lĩnh vực động lực học (máy nổ, máy phát, turbin).
Các hệ truyền động và máy phát điện tốc độ cao có yêu cầu bảo dưỡng ổ đỡ
thường xuyên; truyền động bánh đà và máy phát được sử dụng trong tích trữ năng
lượng cần có ổ đỡ có ma sát nhỏ; vơ lăng phản lực vệ tinh cần 1 vô lăng quay cho việc
điều chỉnh cao độ; trong các dây chuyền chế biến thực phẩm và dược phẩm, các dụng
cụ y sinh học (bơm máu, bơm helium lỏng,...) việc rò rỉ dầu do nắp của các ổ đỡ cơ khí
bị vỡ phải được loại trừ; các thiết bị làm việc trong các điều kiện môi trường đặc biệt
như là nhiệt độ rất cao và rất thấp cũng như là trong điều kiện chân không, bôi trơn ổ
đỡ cơ khí của trục ln ln là vấn đề khó khăn; bơm và quạt gió cho chất lỏng hoặc
chất khí độc hại, dễ cháy nổ hoặc có tính axit,… cũng có yêu cầu cao về ổ trục đặc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

11

biệt. Những khó khăn trên nếu sử dụng các ổ đỡ từ thì sẽ giải quyết được căn bản, hơn
nữa ổ đỡ từ cho tuổi thọ dài và không cần bảo dưỡng.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ổ đỡ từ
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Khi ứng dụng ổ đỡ từ vào truyền động cho các máy bơm, tuốc bin khí, máy khí
nén, máy cơng 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 cơng suất 12MW với tốc độ quay là 12.000 vịng /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 [9].
Với ưu điểm này, động cơ điện dùng ổ đỡ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu
ứng dụng trong các ngành cơng nghệ vật liệu, cơng nghệ hóa học, cơng nghệ sinh học
(bơm hóa chất [10], bơm máu trong tim nhân tạo [11]…).
Việc giảm kích thước và giá thành cho động cơ ổ bi từ thơng 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 [8], [9]. 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 cơng 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12

nhất sẽ thành cơng 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, mơi trường có nhiệt độ rất cao và rất thấp,…Trong các môi
trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bơi trơn, động cơ điện dùng ổ đỡ
từ cịn được nghiên cứu ứng dụng trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng,
-1760C [14]) hoặc rất nóng (5500C [12]).
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 mơn Tự động hóa của Trường
thơng qua chương trình phối hợp nghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật
Bản, mơ hình động cơ điện tự nâng với từ thơng 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 cơng
bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới về Kỹ thuật điện. [14-16]
Thơng qua chương trình phối hợp nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu sinh tại bộ
mơn 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 cơng 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 [17-19].
1.2.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Nghiên cứu về sử dụng các bộ điều khiển hiện đại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13

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) [21], 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 cơng trình cơng bố năm 2008 [22], 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. Mơ hình các thơng số khơng 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 địi 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 [23], 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) [24] phát triển
hệ thống điều khiển lai, kết hợp PID và điều khiển thích nghi bền vững theo mơ hình
mẫu (RMRAC) để điều khiển lực nâng của động cơ khơng dùng ổ. Cơng 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 mơ 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 cơng trình công bố năm 2006 [25] 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 mơ hình thí nghiệm
này. Kết quả cho thấy tính khả thi của thiết kế mới.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14

(5). I.S.Cade và cộng sự (2007) [26] 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 [27], 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 [28].
(7). Năm 2003 [29], 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 vịng 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) [30] 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 đã được đề xuất theo các tài liệu [21-30]. Nếu
coi ổ đỡ từ là đối tượng điều khiển thì bản thân nó là phần tử động học khơng ổn định
và khó mơ hình hố.
Do đó, trong luận văn này tác giả đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển mờ
chỉnh định tham số bộ điều khiển PID, 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>