nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ tích cực bốn bậc tự do bằng bộ điều khiển phản hồi đầu ra

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





ĐỖ THỊ PHƢƠNG THẢO



"NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ TÍCH
CỰC BỐN BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIÊN PHẢN HỒI ĐẦU RA "






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự dộng hóa

Thái Nguyên - năm 2014
ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




ĐỖ THỊ PHƢƠNG THẢO


ĐỀ TÀI
" NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ TÍCH
CỰC BỐN BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIÊN PHẢN HỒI ĐẦU RA "


Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 6052 0216


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN



TS. Trần Xuân Minh

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng dẫn
của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên
cứu là trung thực.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014
Học viên


Đỗ Thị Phƣơng Thảo

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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 trƣờng 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 thê hoàn thành bài luận văn của mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cô giáo trong khoa Điện của trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái
Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt dƣới sự hƣớng dẫn và góp ý của thầy TS.
Trần Xuân Minh đã giúp cho đề tài hoàn 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 đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy,
cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong
quá trình công tác sau này.

Học viên



Đỗ Thị Phƣơng Thảo
v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 4
1.1 Giới thiệu chung. 4
1.2 Lịch sử phát triển. 5
1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các ổ đỡ từ 7
1.3.1 Nguyên lý làm việc cơ bản 7
1.3.2 Phân loại ổ đỡ từ 9
1.4 Những đặc trƣng cơ bản và ứng dụng của hệ thống AMB. 15
1.4.1 Những đặc trưng cơ bản của AMB 15
1.4.2 Các ứng dụng của hệ thống AMB. 16
1.5 Các nghiên cứu liên quan. 17
1.5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 17
1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 19
1.5.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 20
1.6 Kết luận chƣơng 1 22
CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA AMB 23
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.1 Giới thiệu chung 23
2.2 Các thành phần của mạch vòng điều khiển 23
2.3 Mạch từ (cơ sở toán học của hệ thống nâng từ trƣờng) 25
2.3.1 Mật độ từ thông của mạch từ: 26
2.3.2 Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ: 27
2.4 Các phƣơng trình điện từ 29
2.4.1 Các lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép 29
2.4.2 Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép. 30
2.4.3 Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB 31
2.5 Các phƣơng trình động lực học của hệ thống AMB 34
2.5.1 Cấu trúc của bộ AMB được khảo sát. 35
2.6 Kết luận chƣơng 2 38
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO Ổ ĐỠ TỪ BỐN BẬC TỰ
DO 40
3.1 Xây dựng mô hình toán học hệ thống tuyến tính dƣới dạng mô hình không gian
trạng thái: 40
3.2 Tính điều khiển đƣợc và tính quan sát đƣợc 42
3.2.1 Tính điều khiển được 43
3.2.2 Tính quan sát được 44
3.3 Mô hình không gian trạng thái của AMB 4 DOF 45
3.3.1 Phép biểu diễn phương trình vi phân ma trận 45
3.3.2 Phép biểu diễn mô hình không gian trạng thái 48
3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống AMB 48
3.4.1 Xây dựng hệ điều khiển 48
3.4.2 Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink 55
vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3.5 Khảo sát chất lƣợng hệ thống bằng thực nghiệm 62
3.5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm 62
3.5.2 Kết quả thí nghiệm 65
3.6 Kết luận chƣơng 3 68
CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ĐẦU RA
LQG CHO Ổ ĐỠ TỪ BỐN BẬC TỰ DO 69
4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi đầu ra 69
4.4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái 69
4.1.2 Thiết kế bộ lọc Kalman 72
4.1.3. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu phản hồi đầu ra Linear Quadratic Gaussian
(LQG) 74
4.2 Tổng hợp bộ điều khiển dựa trên phƣơng pháp phản hồi đầu ra cho hệ thống
AMB 4 DOF. 77
4.2.1 Kiểm tra tính điều khiển được 79
4.2.2 Kiểm tra tính quan sát được 79
4.2.3 Tính ma trận hệ số K của bộ quan sát phản hồi trạng thái LQR 80
4.2.4 Tính ma trận hệ số L của bộ lọc Kalman 81
4.3 Mô phỏng và đánh giá 81
4.4 Kết luận chƣơng 4 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.


viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

F, f
m
Lực điện từ
M
Trọng lƣợng rô to
G
Gia tốc trọng trƣờng
S
a
Tiết diện mặt cắt lõi sắt hình chữ C
S
fe
Tiết diện mặt cắt trong khe hở không khí
I
Dòng điện tức thời
x
0
Khe hở không khí
l
c
Chiều dài trung bình của đƣờng đi từ trƣờng qua lõi sắt chữ C
l
I
Chiều dài trung bình của đƣờng đi từ trƣờng qua lõi sắt chữ I


Từ thông trong mạch vòng khép kín
B
Mật độ từ thông

H
Từ trƣờng mạch từ
L
Độ tự cảm


Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ
0


Độ từ thẩm của môi trƣờng chân không
N
Số vòng dây
W
a
Năng lƣợng tích trữ
V
a
Thể tích khe hở không khí của Hệ thống
R

Tổng trở
i
N

Sức điện động
C
R
,
I

R
,
g
R

Từ trở tƣơng ứng trong lõi thép hình chữ C, hình chữ I, và trong
khe hở không khí
ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


i
0
Dòng điện phân cực
i
x

Dòng điện điều khiển
X
Độ dịch chuyển theo phƣơng x
Y
Độ dịch chuyển theo phƣơng y
,


Góc quay của trục theo phƣơng x, y
F
x
, F

y
Lực nâng trục theo các phƣơng x, y
F
x1
, F
y1
,
F
x2
, F
y2
Lực nâng hƣớng trục theo phƣơng x, phƣơng y của AMB1 và
AMB2
a, b
Khoảng cách trọng tâm của trục đến ổ đỡ AMB1, AMB2
c, d
Khoảng cách trọng tâm của trục đến cảm biến vị trí 1, 2
F
+
, F
-
Lực hấp dẫn giữa rô to và stato theo phƣơng x của AMB1
i
x1
, i
x2,
i
y1
, i
y2

Dòng điện thành phần theo phƣơng x, y của AMB1 và AMB2
K
i
Hệ số tỉ lệ với dòng điện
K
s
Hệ số tỉ lệ với độ dịch chuyển
J
x
=J
y
Mô men quán tính của trục rotor theo phƣơng x và y
J
z
Mô men quán tính của trục rotor
rm


Vận tốc góc
F
x1
, F
x2
, F
y1
,
F
y2

Lực tịnh tiến của rotor theo phƣơng x, y của ổ đỡ từ AMB1,

AMB2
q(t)
Quỹ đạo trạng thái
U
Tín hiệu điều khiển
x
1
, y
1
, x
2
, y
2
Vị trí dịch chuyển của trục tại các điểm đặt cảm biến theo phƣơng
x, y của AMB1, AMB2
x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Biểu diễn
Ghi chú Tiếng Anh
AMB
Ổ đỡ từ chủ động
Magnetic Active Bearing
DOF
Bậc tự do
Degree of Freedom

DC
Nguồn một chiều
Direct Current
MMF
Lực từ động
Magnemotive Force
KĐ
Khuyếch đại

PID
Bộ điều khiển














xi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu
Nội dung
Trang
Hình 1.1
Cấu trúc cơ bản của một ổ đỡ từ
8
Hình 1.2
Chức năng cơ bản của một ổ đỡ từ chủ động treo rotor theo
phƣơng thẳng
8
Hình 1.3
Ổ đỡ từ chủ động theo hai phƣơng
(a) có trục xoay dƣới đáy
(b) không tiếp xúc
10
Hình 1.4
Các kiểu ổ đỡ từ chủ động theo năm phƣơng:
(a) rotor ở bên trong
(b) rotor ở bên ngoài
(c) rotor rỗng
(d) không gian giữa cho máy tải.
11
Hình 1.5
Các dạng kết hợp giữa ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí:
(a) với ổ đỡ từ thông thƣờng
(b) với ổ đỡ cơ khí thông thƣờng
(c) với trục dài
12

Hình 1.6
Động cơ sử dụng AMB
13
Hình 1.7
Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc
15
Hình 2.1
Các phần tử cơ bản của hệ thống AMB
24
Hình 2.2
Mạch từ
25
Hình 2.3
Mạch từ hóa tƣơng đƣơng
27
xii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 2.4
Hệ số lực điện từ dòng điện k
i
và hệ số lực điện từ chuyển dịch
32
Hình 2.5
Chế độ vi sai của AMB
33
Hình 2.6
Hệ thống AMB trục ngang

35
Hình 3.1
Mô hình điều khiển PID cho mô hình tuyến tính xung quanh
điểm làm việc của ổ đỡ từ
49
Hình 3.2
Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phƣơng x
1

53
Hình 3.3
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ đỡ từ
54
Hình 3.4a
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ổ đỡ từ với 2 mạch vòng điều
khiển
54
Hình 3.4b
Bộ điều khiển vị trí
56
Hình 3.4c
Bộ điều khiển dòng điện
56
Hình 3.5
Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo phƣơng x, y
56
Hình 3.6
Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 2 theo phƣơng y, x
57
Hình 3.7

Dòng điện điều khiển đƣợc tính toán từ vòng điều khiển vị
58
Hình 3.8
Điện áp điều khiển đƣợc tính toán từ vòng điều khiển dòng
điện
58
Hình 3.9
Đáp ứng dịch chuyển theo phƣơng x, y của ổ đỡ từ 1
59
Hình 3.10
Đáp ứng dịch chuyển theo phƣơng x, y của ổ đỡ từ 2
60
Hình 3.11
Cấu trúc chung của hệ thí nghiệm cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do
61
Hình 3.12
Động cơ ở giữa và 2 ổ đỡ từ hai bên
61
Hình 3.13
Cạc DSP
62
Hình 3.14
Mạch điều khiển
62
Hình 3.15
Màn hình hiển thị trên phần mềm control desk
63
xiii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 3.16
Đồ thị tốc độ động cơ
63
Hình 3.16
Đồ thị vị trí trục quay của ổ đỡ từ theo trục x và trục y
64
Hình 3.16
Đồ thị tốc độ động cơ
64
Hình 3.16
Đồ thị vị trí trục quay của ổ đỡ từ theo trục x và trục
65
Hình 3.16
Đồ thị tốc độ động cơ
65
Hình 3.16
Đồ thị vị trí trục quay của ổ đỡ từ theo trục x và trục
66
Hình 4.1
Điều khiển sử dụng phản hồi biến trạng thái
68
Hình 4.2
Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng bộ điều khiển phản hồi
đầu ra LQG
74
Hình 4.3
Đáp ứng đầu ra của hệ thống AMB 4 DOF điều khiển phản hồi
trạng thái LQR

79
Hình 4.4
Đáp ứng đầu ra của hệ thống AMB 4 DOF điều khiển phản hồi
đầu ra LQG
80
1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Ổ đỡ từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần có
tiếp xúc cơ học giữa phần tĩnh và phần động. Do đặc điểm treo không tiếp xúc, công
nghệ ổ đỡ mới này đƣa ra một số các ƣu điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông
thƣờng, ví dụ nhƣ ổ đỡ vòng bi hay ổ đỡ chất lỏng. Chúng góp phần mạnh mẽ trong
việc nâng cao tốc độ quay của động cơ và giúp động cơ có thể đƣợc ứng dụng trong
những môi trƣờng khắc nghiệt,đồng thời giảm thiểu đƣợc bảo trì (giảm thiểu chi phí).
Các ứng dụng quan trọng của ổ đỡ từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân
không, các thiết bị y tế công nghệ cao, các ứng dụng cho môi trƣờng sạch tuyệt đối,
công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm việc ngoài không gian, các
hệ thống bánh đà tích trữ năng lƣợng và các bộ cách ly rung động [1, 2].
Sau gần 30 năm kể từ khi bắt đầu đƣợc ứng dụng, ổ đỡ từ chủ động (Active
Magnetic Bearings - AMBs) đƣợc dùng nhiều hơn so với ổ đỡ từ tính thụ động
(Passive Magnetic Bearings - PMBs).
Ổ đỡ từ là một hệ thống mất ổn định cố hữu nên cần thiết phải có một vòng điều
khiển phản hồi để ổn định hóa hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển là công việc quan
trọng trong thiết kế hệ thống AMB do bộ điều khiển có khả năng thay đổi thuộc tính
tắt dần và độ cứng của ổ đỡ từ. Rất nhiều các phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc áp
dụng thành công cho hệ thống AMB khi có kể đến và không kể đến ảnh hƣởng của hồi

chuyển. Từ các giải pháp điều khiển phi tập trung nhƣ PD, PID cho đến các phƣơng
pháp điều khiển phi tuyến nhƣ tuyến tính hóa phản hồi, backstepping…. Một xu hƣớng
mới áp dụng cho các phƣơng pháp điều khiển hiện đại cũng thu hút đƣợc nhiều sự
quan tâm hiện nay. Các giải pháp điều khiển tập trung có thể kể đến gồm: LQR, LQG,
H

, tổng hợp µ…. Xu hƣớng nghiên cứu này ngày càng phát triển mạnh mẽ là do
công nghệ cảm biến tiên tiến hiện nay cho phép thực hiện nhiều phép đo các đại lƣợng
vật lý khác nhau để phục vụ mục đích phản hồi đại lƣợng điều khiển, bên cạnh đó giải
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


pháp điều khiển hệ thống đƣợc tập trung về một mối. Bộ quan sát trạng thái là một ứng
dụng hữu ích trong việc đánh giá động học hệ thống thông qua các tín hiệu đầu ra của
hệ. Ngoài ra, nó khắc phục một số biến trạng thái không thể đo đƣợc của hệ thống.
Chúng ta biết rằng hệ thống luôn chịu tác động của hai loại nhiễu cơ bản: nhiễu đo
lƣờng là sai số từ cảm biến ảnh hƣởng đến tín hiệu cần đo và nhiễu hệ thống, nên để
loai bỏ sự ảnh hƣởng của nhiễu và trạng thái quan sát đƣợc là tối ƣu ta sẽ thiết kế bộ
quan sát trạng thái sau đó kết hợp với việc thiết kế một bộ điều khiển phản hồi trạng
thái tối ƣu nhằm tạo tín hiệu điều khiển hệ thống tối ƣu nhất. Dựa trên nguyên lý tách,
bộ quan sát tối ƣu và bộ điều khiển tối ƣu đƣợc thiết kế độc lập với nhau.
Vì vậy, đề tài nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào xây dựng một mô hình toán
học chặt chẽ cho AMB 4 DOF có kể đến ảnh hƣởng hồi chuyển trong động lực học hệ
thống. Sau đó trình bày một phƣơng pháp thiết kế bô điều kiển tối ƣu phản hồi đầu ra
LQG cho hệ thống điều khiển ổ đỡ từ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu chung:
Đề tài này đặt mục tiêu chính là thiết kế bộ điều khiển tối ƣu phản hồi đầu ra LQG

cho hệ thống điều khiển ổ đỡ từ nhằm tạo ra chất lƣợng làm việc tốt cho hệ thống dựa
trên các tiêu chí về năng lƣợng điều khiển và sai lệch điều khiển.
- Mục tiêu cụ thể:
1. Tìm hiểu, đánh giá tổng quan nghiên cứu về ổ đỡ từ
2. Cơ sở toán học và phƣơng pháp xây dựng mô hình toán học cho ổ đỡ từ
3. Thiết kế bộ điều khiển tối ƣu phản hồi đầu ra LQG cho hệ thống AMB 4 DOF
4. Tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink, thực nghiệm về điều
khiển hệ ổ đỡ từ trên thiết bị thực của phòng thí nghiệm.
3. Nội dung của luận văn
Luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về ổ đỡ từ
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Chƣơng 2: Mô hình toán học của AMB
Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển PID cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do
Chƣơng 4: Đề xuất phƣơng pháp điều khiển phản hồi đầu ra LQG cho ổ đỡ từ bốn
bậc tự do
Kết luận và kiến nghị.
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ
1.1 Giới thiệu chung.
Các ổ đỡ từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần
có tiếp xúc cơ học. Do đặc điểm treo không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ mới này có các

ƣu điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông thƣờng, ví dụ nhƣ ổ đỡ vòng bi hay ổ đỡ
chất lỏng. Những ƣu điểm này bao gồm loại bỏ đƣợc các hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số
ma sát thấp, tốc độ rotor cao, các đặc tính động có thể điều chỉnh đƣợc. Các ổ đỡ từ có
thể cho phép làm việc trong các môi trƣờng khắc nghiệt nhƣ: nhiệt độ cao, nhiệt độ
thấp và chân không. Bên cạnh đó các ổ đỡ từ có thể đáp ứng khả năng chịu tải lớn
bằng cách tối ƣu hóa hệ thống và các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí
của ổ đỡ, từ thông bão hòa của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lƣợng vòng
dây trên các cực từ và công suất bộ khuếch đại. Một hệ thống đo lƣờng (giám sát) tiên
tiến tích hợp trong hệ thống ổ đỡ từ không chỉ giám sát tức thời các thông số của hệ
nhƣ vị trí rotor, dao động nganh trục và dọc trục, dòng điện và tốc độ quay mà còn có
thể phân tích đƣợc sự mất cân bằng bằng cách tính toán đƣợc vị trí và biên độ của nó.
Bộ điều khiển có thể thay đổi các thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ. Điều này cho
phép bộ điều khiển điều chỉnh đƣợc đặc tính động ảnh hƣởng lên các tần số cộng
hƣởng của hệ thống và làm giảm rung động lan truyền [1, 2].
Trong khoảng ba thập kỷ có rất nhiều các nghiên cứu quan trọng đã đƣợc tiến hành
bao trùm lên tất cả các lĩnh vực liên quan đến ổ đỡ từ. Ta có thể kể ra ở đây bao gồm
công nghệ cảm biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu và
các thành phần… Cho đến nay, những nhận thức trọng tâm trong thiết kế các ổ đỡ từ
đã có những bƣớc tiến rõ rệt và việc ứng dụng các ổ đỡ từ vào các ứng dụng thực tiễn
đã vƣợt ra ngoài những mong muốn ban đầu. Các ứng dụng quan trọng của các ổ đỡ từ
gồm có máy gia tốc, máy chân không , máy ly tâm, các thiết bị y tế công nghệ cao, các
thiết bị cho môi trƣờng sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các
thiết bị làm việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng lƣợng và các bộ
cách ly rung động [1, 2]
5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.2 Lịch sử phát triển.

Kể từ những năm 1970s đến nay công nghệ truyền động sử dụng động cơ không
đồng bộ đã đƣợc phát triển và có phạm vi áp dụng rộng bởi những ƣu thế vƣợt trội của
nó so với truyền động động cơ một chiều nhƣ: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo
trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ
không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn
chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dƣỡng đối với truyền động động cơ không
đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các
ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng nhƣ đối với
môi trƣờng có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không
thể dùng đƣợc trong các điều kiện nhƣ chân không, nhiệt độ khí quyển quá thấp hoặc
quá cao, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dƣợc phẩm. Nếu nhƣ trục đƣợc treo
bởi một lực từ, yêu cầu bảo hành này sẽ không cần thiết nữa. Chính xuất phát từ vấn
đề này, rất nhiều các nghiên cứu hƣớng đến mục tiêu thay thế các ổ đỡ truyền thống
bằng các biện pháp mới mà không đòi hỏi nhu cầu bảo trì và bảo dƣỡng, trong đó sử
dụng các ổ đỡ từ là một trong những hƣớng nghiên cứu thành công và mang lại thuận
lợi cho ngƣời sử dụng [1, 2].
Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng ổ đỡ từ là một trong những
bƣớc tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác
(nhờ loại trừ các bào mòn do ma sát) gia công đối với trục chính cao tốc. Tuy nhiên,
các lợi thế này buộc ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phƣơng pháp
điều khiển ổ đỡ phù hợp.
Trên thực tế, phát minh sớm nhất liên quan ổ đỡ từ tích cực đƣợc cấp cho Jesse
Beams tại trƣờng Đại học Virginia trong thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ II [4]. Sáng
chế này ứng dụng cho quá trình siêu ly tâm để phục vụ cho công đoạn tinh luyện trong
sản xuất quả bom nguyên tử đầu tiên. Tuy nhiên, công nghệ lúc đó chƣa đủ lớn mạnh
cho đến khi xuất hiện các công nghệ tiên tiến về điện tử bán dẫn và điều khiển bằng
máy tính, cùng với những nghiên cứu của Habermann và Schweitzer. Sau đó các
nghiên cứu về ổ đỡ từ thuộc chƣơng trình nghiên cứu Máy điện quay và Điều khiển
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


công nghiệp vẫn đƣợc tiếp tục tại Đại học Virginia. Cho đến năm 1988, chỉ có một vài
viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu các ổ đỡ từ. Có thể kể đến ở đây gồm:
phòng thí nghiệm Higuchi, ĐH Tokyo (Nhật Bản), phòng thí nghiệm Schweitzer, Học
viện công nghệ Zurich (Thụy Sỹ), phòng thí nghiệm Allaire, ĐH Virginia (Hoa Kỳ) và
phòng thí nghiệm Matsumura, ĐH Kanazawa (Nhật Bản) [5]. Tại hội nghị khoa học
quốc tế đầu tiên về công nghệ treo từ tính (International Symposium on Magnetic
Bearings - ISMB) đƣợc tổ chức vào tháng 6, 1988 tại Thụy Sỹ, các GS Schweitzer
(Học viện công nghệ Zurich), GS Allaire (ĐH Virginia) và GS Okada (ĐH Ibaraki)
chính là những ngƣời đặt nền móng cho Hiệp hội quốc tế về công nghệ treo từ tính.
Kasarda chỉ ra rằng ứng dụng thƣơng mại đầu tiên của AMB là trong máy gia tốc.
AMB cho phép loại bỏ các bồn chứa dầu trong các máy nén đối với các đƣờng ống
dẫn dầu của công ty truyền tải khí đốt NOVA (NGTL) tại Alberta, Canada. Điều này
làm giảm nguy cơ cháy nổ và cho phép giảm giá thành trong bảo hiểm. Thành công
trong việc ứng dụng công nghệ treo từ tính đã khiến cho NGTL trở thành nơi dẫn đầu
trong nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển số cho treo từ tính và nhƣ là một sự
thay thế cho các hệ thống điều khiển tƣơng tự do công ty Magnetic Bearings Inc.
(MBI), Hoa Kỳ cung cấp.[4]
Đầu năm 1987, Akira Chiba đã đề xuất khái niệm cơ bản về động cơ không ổ đỡ.
Một năm sau đó, năm 1988, một mô hình động cơ không ổ đỡ đã đƣợc xây dựng tại
Trƣờng ĐH Khoa học Tokyo. Mẫu phát minh cho ý tƣởng về động cơ không ổ đỡ cho
các loại máy điện khác nhau, chẳng hạn nhƣ: cảm ứng, kích thích vĩnh cửu, từ trở
đồng bộ… đƣợc đệ trình ngay sau đó một năm [1]. Từ đó đến nay, khái niệm này đã
đƣợc phát triển cho nhiều loại máy điện khác nữa. Kể từ giữa những năm 1990s, máy
điện không ổ đỡ đã đƣợc triển khai nghiên cứu ở Thụy Sỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp,
Canada, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc và các nơi khác.
Sau 20 năm phát triển, những đánh giá khái quát về triển vọng phát triển trong
tƣơng lai của các ổ đỡ từ nói chung và của AMB nói riêng đã đƣợc nhận định. H.

Bleuler [5] chỉ ra rằng xu hƣớng tích hợp hệ thống sẽ không còn phát triển nhanh
chóng nhƣ một số năm trƣớc đây nữa, thay vào đó là sự phát triển các ứng dụng.
7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hƣớng phát triển mới cho các ổ đỡ từ thụ động đang hé mở ra những ứng dụng mới và
hứa hẹn sẽ phát triển nhanh chóng. Ngoài ra, các loại ổ đỡ tự cảm biến đã và đang
nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu để nỗ lực chuyển thể thành
công thành những ứng dụng công nghiệp. Các ổ đỡ từ sẽ tiếp tục là mối quan tâm lớn
của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật. Các ứng dụng sẽ còn phát triển mạnh
trong nhiều các lĩnh vực khác trong vòng 20 năm tới.
1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các ổ đỡ từ
1.3.1 Nguyên lý làm việc cơ bản
Cấu trúc điện - từ cơ bản và một bộ điều khiển phản hồi cho một hệ thống ổ đỡ từ
một bậc tự do đƣợc thể hiện nhƣ trong hình vẽ 1.1. Kích thích của cuộn dây sẽ tạo ra
lực từ để treo đối tƣợng kim loại hình chữ nhật. Khi đó đối tƣợng sẽ đƣợc giữ tự do
theo phƣơng thẳng đứng. Dòng điện i sẽ tạo ra từ thông ψ. Đƣờng đi của từ thông
đƣợc thể hiện bằng đƣờng nét đứt và đi qua khe hở không khí hai lần theo chiều thẳng
đứng. Lực hấp dẫn giữa vật thể treo và lõi sắt từ là một hàm số của dòng điện i, và tỷ
lệ thuận với bình phƣơng với dòng điện i khi lõi sắt từ chƣa bão hòa. Trong các điều
kiện xác lập, lực hấp dẫn này đƣợc điều chỉnh để bằng với tích của trọng lƣợng vật
treo m và gia tốc trọng trƣờng g
a
nhằm thỏa mãn cân bằng lực.
Sensor chuyển vị sẽ đo mức độ dịch chuyển của vật thể treo theo chiều thẳng đứng
so với vị trí chuẩn của nó. Điện áp ra của sensor sẽ là tín hiệu đầu vào cho bộ điều
khiển. Một bộ vi xử lý đóng vai trò nhƣ là một bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển
từ thông tin đo lƣờng, một bộ khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển này

thành dòng điện điều khiển, và dòng điện này sẽ sinh ra từ trƣờng trong mạch từ, nhƣ
vậy các lực từ sẽ đƣợc tạo ra. Bằng cách đó, vật thể sẽ đƣợc treo ở vị trí lơ lửng của
nó. Một lƣợng đặt của lực từ đƣợc tạo ra để treo ổn định vật thể. Lƣợng đặt của lực
này bằng tổng đại lƣợng của lực tắt dần và lực đàn hồi. Lƣợng điều khiển của lực đàn
hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị của vật thể treo. Còn đối với lực tắt dần thì lực này tỷ
lệ thuận với tốc độ dịch chuyển của vật thể treo. Các đại lƣợng này có chiều ngƣợc với
chuyển vị và tốc độ đối với phản hồi âm. Bộ điều khiển tạo ra lƣợng dòng điện điều
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


khiển để nhằm tạo ra lực từ bám sát với lƣợng lực từ đặt. Bộ điều chỉnh dòng điện sẽ
điều khiển dòng điện bằng cách đặt một điện áp lên các đầu cuộn dây.








Hình 1. 1: Cấu trúc cơ bản của một ổ đỡ từ

Hình 1. 2: Chức năng cơ bản của một ổ đỡ từ chủ động treo rotor theo phương thẳng
Dòng điện i chạy trong một cuộn dây, và nếu ta giả thiết rằng cuộn dây có số vòng
dây là N thì khi đó một lực từ động (MMF) đƣợc sinh ra và bằng Ni. Với các vật liệu
sắt từ có độ thẩm từ cao thì từ thông sẽ đi theo đƣờng nhƣ trong hình vẽ và đi qua khe
hở hai lần. Độ tập trung từ thông cực đại trong khe hở không khí sẽ quyết định độ lớn
của lực trong phần điện từ. Độ tập trung từ thông lớn sẽ tạo ra lực từ lớn. Tuy nhiên,

Bộ điều
khiển
Bộ điều
chỉnhdòng
Cơ cấu điện từ
Vật liệu sắt từ
Cảm biến vị trí
Cảm biến
khoảng cách
stator
Rotor
Hệ thống
điều khiển
Nguồn dòng

9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


độ tập trung từ thông cực đại đƣợc giới hạn trong khảng từ 1.7 – 2T đối với thép silic
thông thƣờng. Một lƣu ý quan trọng nữa đó là chiều dài khe hở không khí phải đƣợc
giữ càng nhỏ càng tốt để giảm dòng điện và các tổn thất.
Bằng cách chủ động điều khiển động lực học của phần điện từ để tạo ra các lực
điện từ chính là nguyên lý cơ bản mà trên thực tế đƣợc sử dụng trong hầu hết các ổ đỡ
từ. Hình vẽ 1.2 giới thiệu các thành phần chính và diễn giải chức năng của một ổ đỡ từ
đơn giản để nâng rotor lên trên một hƣớng.
Luật điều khiển phản hồi chịu trách nhiệm duy trì sự ổn định của trạng thái treo
cũng nhƣ là độ cứng và độ tắt dần của quá trình treo này. Độ cứng và độ tắt dần có thể

đƣợc thay đổi rộng trong giới hạn vật lý của hệ thống, và có thể đƣợc điều chỉnh theo
yêu cầu công nghệ. Đồng thời chúng có thể đƣợc thay đổi trong suốt quá trình làm
việc.
1.3.2 Phân loại ổ đỡ từ
Ổ đỡ từ đƣơc chia ra làm 2 nhóm:
- Ổ đỡ từ tính thụ động (Passive Magnetic Bearings - PMBs): các lực đỡ đƣợc tạo
ra bằng các nam châm vĩnh cửu theo nguyên lý hút hoặc đẩy, không cần thiết phải sử
dụng nguồn cấp điện, không cần bộ điều khiển, lực đỡ cố định, nam châm vĩnh cửu đòi
hỏi có độ từ dƣ và độ kháng lớn, điều này phụ thuộc vào vật liệu làm nam châm
- Ổ đỡ từ chủ động hoặc tích cực (Active Magnetic Bearings - AMBs) làm việc
dựa trên nguyên tắc chênh lệch của lực hấp dẫn điện từ, các lực đỡ đƣợc điều khiển
tích cực bằng các phần tử điện từ, một vòng điều khiển phản hồi phù hợp và các thành
phần khác chẳng hạn nhƣ các cảm biến đo khoảng cách và các bộ khuếch đại công
suất
Ƣu điểm chính của ổ đỡ từ chủ động là khả năng điều khiển dễ dàng, trong khi các
ổ đỡ từ thụ động chỉ có những thuộc tính cố định phụ thuộc vào kích cỡ và thiết kế cơ
khí của chúng. Ngoài ra, các ổ đỡ từ thụ động còn có một nhƣợc điểm lớn đó là khả
năng tắt dần thấp. Vậy nên loại này bị hạn chế trong các ứng dụng công nghiệp mà có
sự xuất hiện của nguồn dao động tắt dần [2].
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.3.2.1 Các cấu trúc cơ bản của AMB
Dƣới đây mô tả một số cấu trúc đặc trƣng của máy điện không ổ đỡ. Trong đó, các
cấu trúc ổ đỡ từ chủ động theo hai phƣơng, theo năm phƣơng và sự phối hợp giữa các
ổ đỡ thông thƣờng và các ổ đỡ cơ khí sẽ đƣợc đề cập cụ thể [2].

Hình 1. 3: Ổ đỡ từ chủ động theo hai phương: (a) có trục xoay dưới đáy,(b) không tiếp xúc
Hình 1.3(a, b) trình bày một cấu trúc ổ đỡ từ theo hai phƣơng. Trong hình 1.3(a),
trục động cơ nằm trong lõi của rotor. Ổ đỡ từ theo hai phƣơng đƣợc nhận biết bởi các
lực từ giữa rotor và stator. Tại phía cuối của trục động cơ có bố trí một trục xoay nhằm
định vị hƣớng trục và hƣớng kính cho đầu cuối của trục. Cấu trúc này phù hợp cho các
máy trục đứng. Trong khi tại hình 1.3(b), trục động cơ bị loại bỏ ra khỏi cấu trúc. Định
vị tích cực theo hai phƣơng tạo ra quá trình treo thụ động cho chuyển động hƣớng trục
và nghiêng. Do đó, ta có thể nhận ra đƣợc treo thụ động bởi sự hạn chế về độ dài của
lõi trục. Tuy nhiên, với thiết kế đúng đắn, loại này cho ra các hệ truyền động không ổ
đỡ nhỏ gọn và giá thành thấp.
Hình 1.4(a, b, c và d) thể hiện mặt cắt ngang của một số ổ đỡ từ tính theo năm
phƣơng. Hai ổ đỡ từ đƣợc dùng để tạo ra các lực hƣớng kính theo bốn phƣơng. Một ổ
chặn là để định vị tích cực hƣớng trục trên phƣơng thứ năm. Trong hình 1.4(a), có hai
rotor nằm trên trục theo vị trí cái trƣớc, cái sau. Rotor và trục cùng quay bên trong hai
lõi thép stator. Các tải chẳng hạn nhƣ máy bơm và bộ đẩy máy nén có thể đƣợc gắn
vào đầu cuối của trục. Trong hình 1.4(b), rotor đƣợc đặt phía ngoài của hai stator. Cấu
trúc kiểu này phù hợp với các loại truyền động bánh đà hay là các ổ đĩa video số
(DVD) và ổ đĩa cứng. Cách bố trí nhƣ trong hình 1.4(c) chính là sự biến tấu của hình
11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.3(a). Trong lòng trục rỗng nhằm để cho, chẳng hạn nhƣ dòng chất lỏng chạy qua, và
ổ từ chặn đƣợc đặt ở giữa hai ổ đỡ từ trong trƣờng hợp treo tích cực theo năm phƣơng.
Cấu trúc này thích hợp cho các thiết bị đo lƣu lƣợng, các bơm nguyên liệu đóng hộp,
các trục quay… Trong các hình 1.4(a, b, và c) có sử dụng một ổ từ chặn. Tuy nhiên,
trong một số trƣờng hợp khi lực hƣớng trục thấp hoặc không yêu cầu định vị hƣớng
trục chính xác thì không cần đến kiểu ổ chặn này. Trong những trƣờng hợp này, định
vị hƣớng trục có thể đƣợc xác định bằng định vị thụ động nhƣ trong hình 1.4(d). Trong

trƣờng hợp này, rotor nằm trong các bộ treo không ổ đỡ đƣợc giữ tự nhiên ở vị trí
chính giữa bằng các lực từ. Khi các ổ đỡ từ sinh ra một lƣợng từ thông đáng kể, trục
động cơ sẽ chịu một lực đàn hồi đủ lớn dƣới sự dịch chuyển hƣớng trục để duy trì quá
trình truyền động hƣớng trục ổn định.

Hình 1. 4.Các kiểu ổ đỡ từ chủ động theo năm phương: (a) rotor ở bên trong; (b) rotor ở bên
ngoài; (c) rotor rỗng; (d) không gian giữa cho máy tải
Hình 1.5(a, b và c) biểu diễn mặt cắt ngang của các ổ đỡ không tiếp xúc khác nhau
khi chúng đƣợc phối hợp với các loại ổ đỡ thông thƣờng, cơ khí và từ tính. Trong hình
1.5(a), khối bên trái là một ổ đỡ từ tính hƣớng kính thông thƣờng. Chỉ có khối bên
12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


phải là một ổ đỡ không tiếp xúc. Cách bố trí này phù hợp với tải có lực hƣớng kính lớn
ghép ở đầu trục phía trái. Trong hình 1.5(b), các ổ đỡ cơ khí đƣợc đặt tại hai phía của ổ
đỡ không tiếp xúc. Khi tốc độ quay cực cao, trục sẽ có tốc độ bị giới hạn do tính chất
bị bẻ cong của trục đàn hồi. Rung động sẽ xuất hiện tại tốc độ này. Ổ đỡ không tiếp
xúc có thể ngăn chặn những rung động này và hỗ trợ sức nặng của trục. Trong hình
1.5(c), một phụ tải đƣợc kéo bởi một động cơ thông thƣờng với một trục dài. Ổ đỡ
không tiếp xúc đƣợc đặt gần chính giữa trục này với mục đích để triệt tiêu các rung
động của trục

Hình 1. 5: Các dạng kết hợp giữa ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí: (a) với ổ đỡ từ thông thường;
(b) với ổ đỡ cơ khí thông thường,(c) với trục dài
1.3.2.2 Hệ truyền động sử dụng AMB
Hình 1.6 trình bày cấu trúc căn bản của một hệ thống truyền động động cơ dùng
các ổ đỡ từ. Động cơ đƣợc đặt ở vị trí giữa của hai ổ đỡ từ hƣớng kính. Mỗi một ổ đỡ
từ hƣớng kính tạo ra các lực hƣớng kính theo hai hƣớng trục vuông góc. Các lực

hƣớng kính đƣợc điều khiển bằng các hệ thống điều khiển phản hồi âm sao cho vị trí
của trục đƣợc điều chỉnh ở vị trí chính giữa của khung stator. Ổ đỡ từ bên trái đƣợc
điều chỉnh trong hệ trục tọa độ x
1
và y
1
. Ổ đỡ từ bên phải đƣợc điều chỉnh trong hệ trục
tọa độ x
2
và y
2
. Vị trí của ổ chặn theo trục z (là hƣớng của trục động cơ) đƣợc điều