tóm tắt luận án tiến sĩ cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.51 MB, 27 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
NGUYỄN THỊ THANH BÌNH
Tên luận án:
CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
CÁC Ổ ĐỠ TỪ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự Động Hóa
Mã số: 62. 52. 02. 16
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. Đỗ Khắc Đức
2. PGS. TS. Nguyễn Như Hiển
Thái Nguyên - 2013
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại
học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. Đỗ Khắc Đức
2. PGS. TS. Nguyễn Như Hiển
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học họp tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học
Thái Nguyên.
1
TÓM TẮT LUẬN ÁN
MỞ ĐẦU
Khái quát chung
Do không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần
tĩnh, cho nên các ổ đỡ từ đã có ứng dụng quan trọng và hiệu quả
trong các thiết bị máy có trục quay với tốc độ cao (từ 5.000 v/ph đến
trên 10.000 v/ph), đòi hỏi độ chính xác lớn, làm việc trong các môi
trường không dùng được chất bôi trơn (nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc
rất thấp).
Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào bốn hướng như sau:
1.1 Nghiên cứu ứng dụng trong các máy công nghiệp và dụng cụ
y sinh học.
1.2. Nghiên cứu thu gọn kích thước của ổ từ.
1.3. Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt như chân
không, nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp,…
1.4. Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại. Nội dung
luận án sẽ định hướng nghiên cứu theo hướng thứ 4.
Tính cấp thiết của đề tài
Khác với các loại ổ trục cơ khí, ổ đỡ từ không có sự tiếp xúc giữa
phần tĩnh và phần động. Do đó, ổ đỡ từ sử dụng trong các loại động
cơ điện đang được coi là một ngành công nghệ tiên tiến và thân thiện
với môi trường. Chúng góp phần mạnh mẽ trong việc nâng cao tốc
độ quay cho động cơ và giúp động cơ có thể được ứng dụng trong
những môi trường đặc biệt mà động cơ sử dụng vòng bi thông dụng
không thể làm việc hoặc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao. Những
nghiên cứu về ổ đỡ từ thường tập trung chủ yếu tại các nước phát
triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Đức và Thụy Sỹ, hiện nay trước khả năng
ứng dụng mạnh mẽ của động cơ điện dùng ổ đỡ từ trong nhiều lĩnh
vực, việc nghiên cứu về chế tạo động cơ điện dùng ổ đỡ từ và các
2
ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển như
Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil,
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, mặc dù có những
hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi do kích thước lớn và giá thành
cao nhưng trong tương lai gần khi các nghiên cứu thành công trong
việc giảm giá thành thì sự thay thế của động cơ điện ổ đỡ từ cho
động cơ điện dùng vòng bi cơ trong các lĩnh vực công nghệ sạch,
thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ, sẽ là điều
tất yếu.
Phần quan trọng của các ổ đỡ từ là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ
điều khiển cho các ổ đỡ từ có chất lượng thấp như không thích nghi,
không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Thực tế này là
do động lực học của các ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao, và các phương
pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các ổ
đỡ từ) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay
đổi trong quá trình hoạt động chưa được nghiên cứu và phát triển
hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển
đảm bảo cho các ổ đỡ từ có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ
làm việc. Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển nhằm nâng
cao chất lượng cho ổ từ là cấp thiết.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Điều khiển ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do, trong hệ truyền
động điện sử dụng động cơ điện đồng bộ, kích thích bằng nam châm
vĩnh cửu có chặn chuyển động dọc trục, làm việc với tốc độ cao.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong việc xây dựng
mô tả toán học có sự tác động của nhiễu và thông số bất định để tổng
hợp hệ điều khiển phi tuyến biểu diễn dưới dạng phương trình Euler
3
– Largrange (EL) đủ cơ cấu chấp hành - tách kênh phi tuyến, nhằm
cải thiện chất lượng điều khiển so với hệ điều khiển tuyến tính kinh điển.
Phương pháp nghiên cứu
- Dựa trên các định luật về cơ, điện và từ để tính toán động lực
học cho một hệ ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do.
- Mô tả toán học cho ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do dưới dạng EL.
- Thiết kế bộ điều khiển PD bù trọng trường.
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm.
Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết
và triển vọng về kết quả đạt được
- Xây dựng mô tả toán học của 4 bậc tự do, chịu lực hướng tâm.
- Thiết kế điều khiển tách kênh phi tuyến cho hệ chịu tác dụng của
nhiễu và có thông số bất định.
- Mô phỏng và thực nghiệm về điều khiển hệ trên thiết bị của
phòng thí nghiệm.
Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
- Đây là vấn đề mới được nghiên cứu ở Việt Nam và là một trong
những công trình khoa học đầu tiên nghiên cứu về ổ đỡ từ được công
bố trong nước và cũng là một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng
ứng dụng cao vào nghiên cứu khoa học trong nước
- Kết quả nghiên cứu sẽ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và
học viên cao học nghiên cứu về ổ từ. Từ kết quả nghiên cứu của đề
tài này sẽ làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo, nhằm đưa ứng
dụng rộng rãi của ổ từ vào các hệ truyền động điện ở Việt Nam, nhất
là hệ có yêu cầu đặc biệt (tốc độ cao, nhiệt độ cao hoặc quá thấp, môi
trường chân không, không được bôi trơn dầu mỡ, ).
Bố cục của luận án
Luận án gồm 4 chương, 97 trang (kể cả tài liệu tham khảo), 61 tài
liệu tham khảo, 64 hình vẽ và đồ thị.
4
Chương 1. Tổng quan về ổ từ
1.1. Khái niệm về ổ trục và ổ đỡ trục
- Trình bày những khái niệm cơ bản về ổ trục và ổ đỡ từ.
- Phân loại ổ đỡ từ và xác định đối tượng nghiên cứu là ổ đỡ từ
chủ động (AMB).
- Trình bày nguyên lý nâng dùng lực từ
1.2. Luận giải, định hướng nghiên cứu của đề tài
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
a)
Cảm biến
khoảng cách
Hệ thống
điều khiển
Nguồn dòng
b)
Hình 1.6: a)Hình dạng; b) Các bộ phận cơ bản của ổ đỡ từ
B
ộ ĐK
Cơ c
ấu chấp h
ành đi
ện từ
Bộ KĐ
CS
Rotor
Rotor
Trọng lượng rotor mg
Lực từ f
m
Cơ cấu điện từ (Stator)
Sensor
Hình 1.7: Cấu trúc AMB một bậc tự do
5
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam hiện nay mới chỉ có ở Đại học Bách Khoa Hà Nội và
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên là đang nghiên cứu.
1.2.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trình bày một số kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu ổ
đỡ từ trên thế giới diễn ra trong những năm gần đây từ 2003 đến 2009.
1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Giới thiệu những nét khái quát nhất về ổ trục và ổ đỡ từ.
- Lựa chọn được loại ổ từ cần nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động.
- Định hướng nghiên cứu ổ đỡ từ chủ động theo hướng ứng dụng
các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển ổ đỡ từ trong các
hệ thống truyền động điện.
- Đề xuất phương pháp điều khiển PD bù trọng trường, tách kênh
phi tuyến dựa trên mô tả EL cho hệ đủ cơ cấu chấp hành để thiết kế
bộ điều khiển hệ thống ổ đỡ từ.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về ổ từ, trong chương 2 sẽ đi
sâu nghiên cứu về động lực học ổ đỡ từ chịu lực hướng tâm để có thể
mô tả toán học được hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ 4 bậc tự do.
Chương 2. Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động
2.1. Giới thiệu chung
Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ như một nam châm điện thay vì
tạo mô men quay cho trục thì nó lại tạo ra các lực chuyển dịch trục
theo phương x và y, các lực này được điều chỉnh tự động nhằm duy
trì khe hở giữa stator và rotor xung quanh giá trị danh định
2.2. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
- Theo tài liệu [1] hệ nâng từ trường được nghiên cứu trên cơ sở
xấp xỉ hoá dựa vào các giả thiết như từ thông khép mạch hoàn toàn
trong lõi sắt từ, chưa xét đến chế độ bão hoà từ v.v
6
- Việc tính toán dựa trên chiều dài trung bình của đường đi từ
trường và chiều dài khe hở không khí thực theo giá trị danh định x
0
.
2.2.1. Mật độ từ thông của mạch từ
Với những giả thiết không có từ thông dò, ta có từ thông:
0
0 I
0
0 0 0
2
1
2
a
C C I
r r a r r
S Ni
Ni
x l l l l
x
S
(2.6)
2.2.2. Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ
Các thành phần sức từ động, từ thông, từ trở và mạch từ không
đổi được xem xét tương ứng như các thành phần điện áp, dòng điện,
điện trở và nguồn một chiều (DC) trong mạch điện. Sự khác biệt
chính đó là từ trở là một thành phần tích trữ năng lượng chứ không
phải là thành phần tiêu tán năng lượng. Nguồn “DC” –
Ni
biểu diễn
cho sức từ động do dòng điện trên cuộn dây sinh ra.
2.2.3. Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép
Lực điện từ khi kể đến từ hoá lõi thép được xác định [1]:
2 2 2 2
a 0 a 0 a
2 2
0
C I C I
0 0
r r r r
W 2 S N i S N i
1
F
x 2
l l l l
2x 2x
(2.16)
2.2.4. Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép
Khi không kể đến sự ảnh hưởng của từ hoá lõi thép, ta được:
2
2 2
2 2
0 a 0 a 0 a
2 2
0 0 0
Ni 1 i i 1
F S N S K ; K N S
2x 4 x x 4
(2.17)
2.2.5. Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB
Khi thay đổi dòng điện i so với dòng điện phân cực danh định i
0
,
thì sẽ làm thay đổi lực điện từ và sau khi biến đổi ta được phương
trình cơ bản để mô tả chuyển động của một vật được nâng bằng lực
điện từ theo một phương cố định [23]:
a n
mx K i K x
(2.24)
7
Hình 2.3: Một số cấu trúc điển hình của ổ từ chủ động
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của ổ đỡ từ
Phần xây dựng mô hình ổ đỡ từ theo một phương như trên sẽ
được tổng quát hóa cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do.
2.3. Xây dựng mô hình toán học của hệ nâng bằng từ trường
dùng ổ từ 4 cực
2.3.1. Các dạng cấu trúc ổ từ hiện nay và hướng nghiên cứu
Ổ từ chủ động 4 cực đang được đẩy mạnh nghiên cứu [5, 6], [14,
15] và hiện đang thu hút sự chú ý của nhiều hãng sản xuất
(Synchrony, Mutecs). Đây cũng chính là hướng nghiên cứu tác giả sẽ
thực hiện.
2.3.2 Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do
8
Hình 2.4 mô tả sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình nâng vật
chuyển động sử dụng ổ từ.
2.3.3 Xây dựng mô hình toán học
Phần này nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của ổ đỡ từ 4
bậc tự do dựa trên phân tích sơ đồ mạch tương đương với các
phương chuyển động x, y. Sau khi phân tích và biến đổi ta được mô
hình toán học mô tả ổ đỡ từ:
Dòng từ thông tổng:
0 1
1
1 1 0
2 2 2
0
0 1 2
0 1
1
1 1 0
2 2 2
0
0 1 2
0 2
2
2 2 0
2 2 2
0
0 1 2
2 2
( )
( )
( )
(2 )
( )
(2 )
p
x
x xc bx
p
x
x xc bx
p
x
x xc bx
x xc bx
H x x
Ni
S
x
x x x
H x x
Ni
S
x
x x x
H x x
Ni
S
x
x x x
0 2
2
0
2 2 2
0
0 1 2
(2.30)
( )
(2 )
p
x
H x x
Ni
S
x
x x x
Và các lực nâng theo phương x:
2
2
2
0 0 0
1
1
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2 2 2
0 0
0 1 2 0 1 2
2
2
2
0 0 0
2
2
2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2
0 0
0 1 2 0 1 2
2 2
2 2
(2 ) (2 )
(2.31 )
2 2
2 2
(2 ) (2 )
p p
x
x
x x x x
p p
x
x
x x x x
SH N SH x
F F F i x
S S
x x x x x x
a
SH N SH x
F F F i x
S S
x x x x x x
Các từ thông và lực nâng theo phương y tương tự như phương x.
2.3.4. Các đặc tính động lực học của ổ từ bốn bậc tự do
Phần này trình bày các quan hệ của các thông số trạng thái trong ổ
đỡ từ thông qua các đặc tính:
- Đặc tính sức từ động và dòng điện stator ( λ = ψ.N hoặc λ = L.i).
- Đặc tính lực với dòng điện điều khiển và chuyển dịch (x, y).
9
2.4. Mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc
Căn cứ vào các dịch chuyển theo phương x và y là rất nhỏ nên có
thể viết 2.31a thành mô hình tuyến tính hoá xung quanh điểm làm
việc theo phương x:
2
0 0
1 1 1 1 1
2 3
0 0
2
0 0
2 2 2 2 2
2 3
0 0
2 2
(2.32 )
2 2
p p
x x a x n
p p
x x a x n
SH N SH
F i x K i K x
x x
a
SH N SH
F i x K i K x
x x
Ta có thể thực hiện chuyển về trọng tâm của trục rô to:
1 2
2 2
1 2
( ) 2 2
(2.32 )
( ) 2( ) 2( )
2 2 2 2
x a x x n a xs n
a a a a
x a x x n x a xd n x
F K i i K x K i K x
b
h h h h
T K i i K K i K
Các lực nâng theo phương y quy về tâm tương tự như phương x.
Vậy ta được hệ phương trình chuyển động trục rô to của ổ từ:
2
2
2
2
2 2
2
2
2 2
x a xs n
a a
x a xd n x x x
y a ys n
a a
y a yd n y y y
F K i K x mx
h h
T K i K J
F K i K y my
h h
T K i K J
(2.34)
2.5. Mô hình tổng quát của hệ AMB 4 DOF dưới dạng Euler –
Lagrange (EL)
2.5.1. Giới thiệu về hệ Euler-Lagrange
Phần này trình bày những nguyên lý cơ bản để một mô hình toán
học thoả mãn là hệ EL.
10
2.5.2. Mô hình tổng quát của hệ AMB 4 DOF dưới dạng EL
Với mô hình tuyến tính hoá (2.34ab), chưa phản ánh đẩy đủ tính
phi tuyến của ổ đỡ từ. Vì vậy ta đưa (2.34ab) về mô hình toán học
tổng quát của ổ đỡ từ AMB 4 DOF như sau:
2 2
2 2
a a
y y rm k x n r yd
a a
x x rm k y n r xd
n xs
n ys
h h
J J K y F
h h
J J K x F
mx K x F
my K y F
(2.41b)
trong đó:
,
r r
x y
: Là độ nghiêng của rotor với trục x và trục y
Jx =Jy =Ji: Moment quán tính trên trục x và trục y
J
k
: Moment quán tính trên trục z
K
a
: Là hệ số tỷ lệ với dòng điện
K
n
: Là hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển
x
,
y
: Là góc lệch theo phương x và theo phương y
F
xs
, F
ys
: Là lực tịnh tiến của rotor theo hai phương x và y
F
xr
, F
yr
: Là lực nghiêng của rotor theo hai phương x và y
h
a
: Khoảng cách giữa 2 tâm rotor của hệ AMB
rm
: Vận tốc góc
rm k x
J
và
rm k y
J
: thành phần độ giật khi nâng trục
Thực hiện chuyển hệ phương trình về dạng ma trận:
u M(q)q+C(q,q)q+g(q)
(2.50)
Sau đó, chứng minh được
0 (*)
T
M q M q
và
(**)
T
M q C q C q
suy ra hệ phương trình mô tả ổ đỡ
từ 4 bậc tự do thoả mãn là hệ Euler - Largrange.
11
2.7. Kết luận chương 2
(1) Xây dựng được mô hình toán học tổng quát của ổ đỡ từ, có
hiện tượng tác động xen kênh và không ổn định.
(2) Từ mô hình toán học được xây dựng tổng quát biểu diễn quá
trình nâng trục của ổ đỡ từ, trong mô hình còn bao gồm cả điện cảm
tản L
se
. Đây chính là đóng góp mới của luận án về lý thuyết khi mô tả
toán học ổ đỡ từ 4 bậc tự do.
(3) Phương trình toán học (2.50) sẽ được sử dụng ở chương 3
trong việc xây dựng hệ điều khiển cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do.
Chương 3. Xây dựng hệ điều khiển cho ổ từ chủ động 4 bậc tự do
3.1. Đặt vấn đề
Ổ từ là một phần tử có tính phi tuyến mạnh, ngoài ra khi nó làm
việc cùng hệ cơ điện thì còn xuất hiện một số hiện tượng như trễ,
lệch trục của lực hướng tâm và sự rung dộng của hệ thống.
3.1.1. Hiện tượng trễ
3.1.2. Sự lệch trục của lực hướng tâm
3.1.3. Sự rung động do tính không cân bằng cơ học trong một hệ
thống quay
3.2. Xây dựng hệ điều khiển sử dụng phương pháp tuyến tính
hóa xung quanh điểm làm việc
3.2.1. Xây dựng hệ điều khiển
Từ mô hình tuyến tính hoá quy về tâm của trục rô to (2.34), tiến
hành xây dựng hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID có cấu
trúc như hình 3.1.
Hình 3.1: Mô hình điều khiển PID cho mô hình tuyến tính
xung quanh điểm làm việc của ổ đỡ từ
12
Với việc điều khiển 2 phương x, y ở 2 ổ đỡ từ thì cần phải có 4 bộ
điều khiển tương ứng là các kênh điều khiển x
1
, x
2
, y
1
, y
2
. Mỗi kênh
điều khiển có 2 mạch vòng điều khiển với mạch điều khiển vòng
trong là dòng điện (tăng cường khả năng mang tải động của ổ từ) và
mạch điều khiển vòng ngoài là vị trí. Từ phân tích trên ta có sơ đồ
cấu trúc điều khiển kênh x
1
như hình 3.2.
Và để điều khiển một ổ đỡ từ, ta cần điều khiển theo 2 phương x,
y do vậy sơ đồ cấu trúc điều khiển ổ từ tại vị trí x
1
và y
1
như hình
3.3.
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương
1
x
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ đỡ từ
13
Do bộ biến đổi công suất có hằng số thời gian rất nhỏ nên với bộ
điều khiển PID của vòng điều khiển dòng (vòng trong) được thiết
theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun [50]. Còn vòng điều khiển vị trí được
thiết kế theo tiêu chuẩn đối xứng [50].
3.2.2. Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink
- Số liệu mô phỏng:
Số vòng dây cho một cuộn 200 turns
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
Mô men quán tính trục theo phương z 0.00241 kgm
2
Mô men quán tính trục theo phương x và y 0.00298 kgm
2
Khe hở giữa stator và rotor tại điểm cân bằng
x
0
1mm
Tiết diện mặt cực từ 525 mm
2
Khoảng cách giữa hai ổ từ 125mm
Khoảng cách giữa hai cảm biến 169mm
- Kết quả mô phỏng
+ Trường hợp không có nhiễu tác động:
14
Hình 3.5ab: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo (y,x)
Hình 3.6ab: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo (y,x)
+ Trường hợp có nhiễu tác động:
Hình 3.9ab: Đáp ứng dịch chuyển
của trục ổ đỡ từ 1 theo (y,x)
Hình 3.10ab: Đáp ứng dịch
chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo
(y,x)
15
+ Xét đến tác động xen kênh giữa phương x và y trong ổ đỡ từ:
3.3. Cải thiện chất lượng điều khiển ổ đỡ từ tích cực (AMB) bằng
điều khiển tuyến tính hóa phản hồi ngược
Hệ EL đủ cơ cấu chấp hành là lớp hệ có mô hình như sau:
( ) ( , ) ( )
M q q C q q q g q u
(3.11)
Sử dụng bộ điều khiển giới thiệu trong tài liệu tham khảo [50,
53]:
( ) ( , ) ( )
u M q v C q q q g q
(3.12)
Hệ sẽ trở thành tuyến tính (hình 3.12) và hệ thành tuyến tính dạng
tích phân bậc 2 (không ổn định):
( ) ( , ) ( ) ( ) ( , ) ( )
M q q C q q q g q u M q v C q q q g q q v
(3.13)
v
Bộ điều
khiển (3.12)
Hệ EL (3.11)
u q
Hình 3.1
2
:
C
ấu trúc điều khiển PD b
ù tr
ọng tr
ư
ờng
Hình 3.11: Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y có tác động
xen kênh với bộ điều khiển PID: a) Ổ đỡ từ 1; b) Ổ đỡ từ 2
16
Hình 3.14: Cấu trúc điều khiển PD bù trọng trường từ (3.15)
AMB 4
DOF
∑
C(q,dq)+g
(q)
K
1
K
2
q
dq
dq
ref
q
-
-
+
+
de
e
+
+
+
v
d
2
q
re
+
+
u
M(q)
∑
∑
∑
Để ổn định hóa bằng cách thiêt kế thêm bộ điều khiển PD bổ sung
ở vòng ngoài:
1 2
ref
v q K e K e
(3.14)
Với K
1
và K
2
là 2 ma trận đối xứng xác định dương tuỳ chọn.
1 1
2 2
1 2
0 0 0 0
0 0 0 0
;
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0
p d
p d
pn dn
k k
k k
K K
k k
Hình 3.13: Điều khiển PD bù trọng trường cho ổ đỡ từ
B
ộ điều
khiển
(3.12)
H
ệ EL
(3.11)
v
u
q
B
ộ điều
khiển
vòng
ngoài
(3.14)
-
q
ref
e
17
2
1
2
1
1
1
1 1
1
0 0 0
2 os
2
0 0 0
0 0 0
0 0 0
2 os
0 0 0
2
0 0 0
0 0 0
2
0 0 0
2
y
a
a y
x
a
a x
a
a
d
d
J
h
K c
k
J
k
h
u
K c
k
k
m
K
m
K
y y
x x
2 1 1 1
1 2 1 1 1
2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
d d
d d
d d d
d d d
k y y y
k x x x
y y k y y y
x x k x x x
Ta có hai bộ điều khiển vòng trong (3.13) và vòng ngoài (3.14),
viết chung lại sẽ có dạng:
1 2
( ) ( , ) ( )
ref
u M q q K e K e C q q q g q
(3.15)
đã làm cho quỹ đạo trạng thái
( )
q t
,
( )
q t
của hệ (3.11) bám ổn
định tiệm cận theo được quỹ đạo đặt mong muốn
ref
q t
,
ref
q t
.
Từ trên ta có sơ đồ chi tiết phương pháp điều khiển như hình 3.14.
3.3.1. Xây dựng hệ điều khiển điều khiển
Theo biểu thức (3.15), ta có bộ điều khiển tuyến tính hóa chính
xác – tách kênh cho hệ AMB 4 DOF được biểu diễn như sau:
1 2
3 2
3
1 2
2 3
3
sin os
0 0
2 os cos
2 2
os
sin
0 0
cos 2 os
2 2
0 0 0 0
0 0 0 0
i y rm k y
a a
a y x a
rm k y
i x n
a a
x a n x
J J c
y y
h h
K c K
J c
J K
x x
h h
K K c
1 1
1 1
2 2
2 2
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
a
n
a
n
a
n
a
n
K
K
y y
K
x x
K
y K y
K
x x
K
K
3.3.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ ABM
- Kết quả mô phỏng
18
+ Trường hợp không có nhiễu:
+ Trường hợp có nhiễu:
+ Kiểm tra khả năng tách kênh (khử tác động xen kênh)
Hình 3.2
1
: Đáp
ứng dịch chuyển
theo phương x và y của ổ đỡ từ 1
Hình 3.2
2
: Đáp
ứng dịch chuyển
theo phương x và y của ổ đỡ từ 2
Hình 3.24
: Đáp
ứng dịch chuyển
theo phương x, y ổ đỡ từ 1
Hình 3.2
5
: Đáp
ứng dịch chuyển
theo phương x, y ổ đỡ từ 2
19
3.4. Đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển
phi tuyến theo tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch
Để đánh giá chất lượng của 2 bộ điều khiển cho hệ thống điều
khiển ổ đỡ từ bốn bậc tự do, ta sử dụng tiêu chuẩn tích phân bình
phương sai lệch.
3.5. Kết luận chương 3
Với phương pháp điều khiển phi tuyến này đã giải quyết được các
vấn đề cơ bản của hệ AMB 4 DOF:
(1) Điều khiển bám ổn định cho hệ với sự thay đổi của tín hiệu
đầu vào với độ chính xác cao, theo tiêu chuẩn tích phân bình phương
sai lệch thì sai số đó nhỏ hơn khi hệ thống làm việc với bộ điều khiển
tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc. Điều này chứng tỏ chất
lượng của hệ thống đã được nâng cao.
(2) Đảm bảo điều khiển tách kênh cho hệ thống.
Hình 3.2
6
a:Tác đ
ộng xen k
ênh
của ổ đỡ từ 1 theo ph
ương x và y
đã bị loại trừ
Hình
3.2
6
b
:Tá
c đ
ộng xen k
ênh
của ổ đỡ từ 2
theo phương x và y
đã bị loại trừ
20
(3) Bộ điều khiển được thiết kế ở chương này sẽ được kiểm
nghiệm bằng thực nghiệm ở chương tiếp theo.
Chương 4. Xây dựng mô hình thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm
4.1. Giới thiệu cấu hình thí nghiệm
Cấu trúc thí nghiệm được minh họa trên hình 4.1:
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 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.
Hình 4.1: Cấu trúc của thí nghiệm điều khiển ổ đỡ từ
hướng kính
21
4.2. Kết quả thí nghiệm
- Đáp ứng của hệ thống:
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 4.14 Đáp ứng của độ dịch chuyển trong trạng thái bắt đầu nâng
22
- Loại bỏ hiện tượng xen kênh:
Nhận xét thí nghiệm:
Thí nghiệm này tiến hành với tốc độ trục quay 5.000 v/ph
cho kết quả tương tự như phần mô phỏng đã nêu.
4.3. Kết luận chương 4
Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho ta thấy:
- Chất lượng điều khiển ổ đỡ từ đã cải thiện hơn từ điều khiển
tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc đến điều khiển tách kênh
phi tuyến (sai số giảm và ít dao động hơn).
- Tuy nhiên, khi làm việc ở chế độ xác lập thì hệ AMB còn ảnh
hưởng bởi nhiễu ngoại sinh, sự sai lệch về kết quả mô phỏng với thí
nghiệm phần nào còn do trong việc xây dựng mô hình còn chưa
chính xác hoàn toàn với thực tế.
Hình 4.15: Chuyển dịch vị trí của trục quay theo phương x và y
của ổ đỡ từ 1 và 2 so với vị trí cân bằng
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:
Các hệ truyền động điện tự động khi sử dụng ổ từ thay cho ổ cơ
khí đã mang đến các tính năng vượt trội cho hệ như: Hệ thống có tốc
độ chuyển động rất lớn, không yêu cầu bôi trơn và làm việc tốt trong
các môi trường nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp,…Nhưng ứng
dụng của nó vẫn chưa có tính phổ biến và thông dụng vì kích thước
còn cồng kềnh, giá thành cao. Các công trình nghiên cứu hiện nay
tập trung vào việc thu nhỏ kích thước, giảm giá thành và bền vững
khi làm việc cho các loại ổ từ. Từ đó, ổ từ không chỉ dừng lại cho các
ứng dụng đặc biệt mà còn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp.
Nội dung nghiên cứu của luận án này tập trung vào nghiên cứu ứng
dụng các bộ điều khiển hiện đại cho ổ đỡ từ nhằm cải thiện chất lượng
điều khiển và bền vững cho các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ.
Nghiên cứu về ổ từ và đi sâu về ổ đỡ từ là một vấn đề còn mới ở
Việt Nam. Do vậy, tài liệu tham khảo về lĩnh vực này còn ít ỏi. Bằng
nỗ lực của bản thân, tác giả cũng đã hết sức cố gắng để đạt được một
số đóng góp mới bước đầu như sau:
- Từ mối quan hệ cơ bản giữa các thông số (từ thông, từ trở, điện
cảm, lực điện từ, năng lượng từ tích lũy, ) của một cơ cấu nâng
bằng từ trường, bản luận án đã xây dựng được mối quan hệ động lực
học cho hệ ổ đỡ từ 4 bậc tự do. Căn cứ vào đó đã tiến hành xây dựng
được mô hình toán học phi tuyến tổng quát dưới dạng EL đủ cơ cấu
chấp hành của hệ ổ đỡ từ 4 bốn bậc tự do.
- Dựa vào mô tả toán học của ổ đỡ từ có thể thấy rằng: Ổ đỡ từ là
một đối tượng phi tuyến và có tác động xen kênh, về động học nó
còn là khâu không ổn định cố hữu. Luận án đã xây dựng thành công
hệ điều khiển PD bù trọng trường, tạo nên mô hình điều khiển tách
kênh trực tiếp, từ đó đã cải thiện được chất lượng điều khiển so với
các bộ điều khiển PID.
