nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ thích nghi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
DƯƠNG QUỲNH NHẬT
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ HAI BẬC
TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
THÁI NGUYÊN, 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
DƯƠNG QUỲNH NHẬT
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ HAI BẬC
TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
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
PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUYÊN, 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
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, khi các nghiên cứu thành công
trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế vòng bi cơ
khí để làm việc ở 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 phần động lực học của các ổ đỡ từ có
tính phi tuyến cao, mà thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các ổ
đỡ từ) chịu tác dụng của nhiễu 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 bộ
điều khiển đảm bảo cho các ổ đỡ từ có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm
việc.
Mặt khác, hiện tại tôi là giảng viên của trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp –
Đại học Thái Nguyên, ngôi trường với thiết bị hiện đại có sẵn trên các phòng thí
nghiệm, tôi mong muốn tìm hiểu, nâng cao chất lượng của ổ đỡ từ và nâng cao tri thức
bản thân, từ đó giảng dạy, hướng dẫn cho sinh viên học tập và nghiên cứu khoa học tốt
hơn. Vì vậy tôi chọn đề tài: "Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do
bằng bộ điều khiển mờ thích nghi"
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về mô tả toán học cho ổ đỡ từ hai bậc tự do.
- 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 thích nghi nhằm nâng cao chất lượng điều
khiển so với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />1
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: Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động 2 bậc tự do
Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do sử dụng bộ điều
khiển PID bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Chương 4: Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do bằng bộ
điều khiển mờ thích nghi

Kết luận và kiến nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />2
Hình 1.1: Hình dạng một số loại ổ lăn
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ
1.1. Khái niệm về ổ đỡ từ
1.1.1. Ổ trục
Ổ trục là một chi tiết máy thuộc lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Nó có 2 dạng chính là
ổ lăn (vòng bi, ổ bi) và ổ trượt.
- Ổ lăn là một dạng của ổ đỡ 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 lòng cầu hai dãy
Một số loại ổ lăn có dạng như hình vẽ (hình 1.1)
- Ổ trượt là một dạng ổ đỡ trục dùng ma sát trượt. 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />3
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 không dùng
được ổ lăn vì khó tìm được ổ lăn thỏa mãn nên phải dùng ổ trượt. Trong các môi
trường đặc biệt (nước, môi trường ăn mòn, ) ổ lăn thường làm bằng kim loại nên dễ
bị mòn. Khi đó có thể chế tạo ổ trượt bằng gỗ, cao su, để phù hợp với môi trường.
1.1.2. Ổ đỡ từ
* Vài nét về lịch sử phát triển ổ đỡ từ
Ý tưởng về việc treo một đối tượng bằng từ trường đã được đặt ra từ giữa
những năm 1842 trong bài báo của Earnshaw (On the nature of molecular forces), mãi

đến năm 1934 Braunbeck mới đề cập sử dụng lực nâng bằng từ trường, những hoạt
động sản xuất công nghiệp tại thời điểm đó về ổ đỡ từ được thực hiện bởi tập đoàn
S2M ở Vernon, Pháp.
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 công nghiệp.
Từ những năm 1988 trở lại đây, do sự phát triển trong công nghệ điều khiển, cả
về phần cứng lẫn phần mềm cũng như 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, đã
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />4
Hình 1.2: Hình dạng một số loại ổ trượt
tạo cơ hội cho việc phát triển sử dụng ổ từ trong công nghiệp và trong các dụng cụ cao
cấp của y sinh học. Cho đến năm 2010, đã tổ chức được 12 hội nghị quốc tế về ổ từ
[19].
* Định nghĩa ổ đỡ từ
Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển
động nhờ vào lực từ trường (Hình 1.3).
Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc với nhau, cho nên ổ đỡ từ hiện
nay đang được coi là một ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21, 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 cơ không có được:
- Không có hao mòn khi vận hành;
- Tăng hiệu suất của động cơ nhờ chuyển động không có ma sát;
- Thân thiện với môi trường: Không có bộ phận bôi 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.
Nhưng nhược điểm là: Giá thành cao và cần có điều khiển cho ổ đỡ từ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />5
Hình 1.3: Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ.

* Phân loại ổ đỡ từ [9]
a. Theo chức năng: Gồm có ổ đỡ từ ngang trục và ổ đỡ từ dọc trục (hình 1.4)
+ 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).
+ Ổ đỡ từ dọc trục: Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục chuyển
động theo hướng dọc trục
b. Theo cấu tạo: Gồm có ổ đỡ từ thụ động (hình 1.5), ổ đở từ chủ động (hình
1.7) và ổ đỡ từ siêu dẫn (hình 1.6).
+ Ổ đỡ từ thụ động (PMB – Passive Magnetic Bearing) : 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 thước nhỏ gọn, không cần bộ điều khiển, lực nâng cố định, dễ chế tạo nhưng giá
thành cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />6
a)
b)
Hình 1.4: Ổ đỡ từ ngang trục (a) và ổ đỡ từ dọc trục (b).
+ Ổ đỡ từ siêu dẫn (SMB – Sctive Magnetic Bearing): 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 thước nhỏ gọn, không cần bộ điều khiển, có lực nâng cố định, làm việc ở
môi trường nhiệt độ thấp nhưng giá thành cao.
+ Ổ đỡ từ chủ động (AMB – Active Magnetic Bearing): Làm việc dựa theo
nguyên tắc chênh lệch của lực hấp dẫn điện từ. AMB có đặc điểm: Các đặc tính động
tốt, lực nâng có thể điều chỉnh, tuy nhiên kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá
thành cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />7
Hình 1.5: Ổ đỡ từ thụ động
Hình 1.6: Ổ đỡ từ siêu dẫn
Ngoài ra cũng còn 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,…
Trong luận văn lựa chọn nghiên cứu điều khiển ổ đỡ từ chủ động (AMB) 2

bậc tự do
1.1.3. Nguyên lý làm việc cơ bản của ổ đỡ từ
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống treo từ tính (một AMB 1 bậc tự do) như hình
vẽ:
Từ hình 1.8 cho ta nguyên lý cơ bản của ổ đỡ từ treo một vật bằng từ trường.
Kích thích của cuộn dây sẽ tạo ra lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật. Khi
đó đối tượng sẽ được giữ tự do theo phương thẳng đứng. Dòng điện i sẽ tạo ra từ thông
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />8
Hình 1.7: Ổ đỡ từ chủ động
Hình 1.8: Cấu trúc cơ bản của AMB 1 bậc tự do
Bộ ĐK
Cơ cấu chấp hành điện từ
Rotor
Rotor
Trọng lượng rotor mg
Lực từ f
m
Cơ cấu điện từ (Stator)
Sensor
Bộ biến
đổi
∼
ψ đi qua cuộn dây và đi qua khe hở không khí theo phương 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
phương với dòng điện i khi lõi sắt từ chưa bão hòa. Trong các điều kiện xác lập, lực
hấp dẫn này được điều chỉnh để bằng với tích của trọng lượng vật treo m và gia tốc
trọng trường g
a
nhằm thỏa mãn cân bằng lực.
Ngoài ra Sensor chuyển vị sẽ đo mức độ dịch chuyển của vật thể treo theo chiều

thẳng đứng so với vị trí chuẩn của nó. Một bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển từ
thông tin đo lường, 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 trường trong mạch từ, như vậy
các lực từ sẽ được tạo ra. Bằng cách đó, vật thể sẽ được treo ở vị trí lơ lửng của nó.
Vật thể sẽ được treo ổn định nhờ một lượng đặt của lực từ. Lượng đặt của lực này
bằng tổng đại lượng của lực tắt dần và lực đàn hồi. Lượng 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 lượng này có chiều ngược với
chuyển vị và tốc độ đối với phản hồi âm
Bộ điều khiển tạo ra lượng dòng điện điều khiển để nhằm tạo ra lực từ bám sát
với lượng lực từ đặt. Bộ điều chỉnh dòng điện sẽ điều khiển dòng điện bằng cách đặt
một điện áp lên các đầu cuộn dây.
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) được sinh ra và bằng Ni. Với các vật
liệu sắt từ có độ thẩm từ cao thì từ thông sẽ đi theo đường như 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, độ tập trung từ thông cực đại được giới hạn trong khảng từ 1.7 – 2T đối với
thép silic thông thường. Một lưu ý quan trọng nữa đó là chiều dài khe hở không khí
phải được 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 được sử dụng trong hầu hết các vòng
bi từ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />9
Hình vẽ 1.9 giới thiệu các thành phần chính và diễn giải chức năng của một vòng bi từ
đơn giản để nâng rotor lên trên một hướng.
Luật điều khiển phản hồi chịu trách nhiệm duy trì sự ổn định của trạng thái treo
cũng như là độ cứng và độ tắt dần của quá trình treo này. Độ cứng và độ tắt dần có thể
được thay đổi rộng trong giới hạn vật lý của hệ thống, và có thể được điều chỉnh theo
yêu cầu công nghệ. Đồng thời chúng có thể được thay đổi trong suốt quá trình làm

việc.
1.1.1 1.1.4. Phân loại các kiểu treo từ tính
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra nhiều cách để treo một vật bằng lực từ mà không
chịu bất kỳ một tiếp xúc nào. Thậm chí vật thể đó không thể treo ở trạng thái ổn định
và tự do thì ít nhất cũng có thể đạt được trong một vài bậc tự do.
Theo cách mà các lực từ được tính toán và biểu diễn thì ta có thể chia ra làm hai
nhóm chính, đó là lực từ trở và lực Lorentz
Lực từ trở có 4 loại:
- Loại 1 được gọi là các bộ treo lực từ trở tích cực.
- Loại 2 là các bộ treo dùng mạch LC.
- Loại 3 là loại từ trường vĩnh cửu (μ
r
>> 1) có cấu trúc tĩnh và không thể ổn
định hóa vị trí của vật thể treo .
- Loại 4 dựa vào thuộc tính rất đặc biệt của vật liệu, μ
r
= 0. Chỉ có những vật
liệu có thuộc tính như vậy mới được gọi là vật liệu siêu dẫn.
Lực từ trở được sinh ra từ năng lượng tích trữ trong từ trường và có thể chuyển
đổi sang dạng cơ năng. Do vậy, lực từ trở thu được từ công thức sau:
f = ∂W/∂ (1.1)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />10
Hình 1.9: Chức năng cơ bản của một vòng bi từ chủ động
Treo rotor theo phương thẳng đứng
Trong đó: W là năng lượng từ trường
∂s là độ dịch chuyển của vật thể treo.
Lực từ của dạng này luôn gia tăng tại bề mặt giữa các độ thẩm từ tương đối
khác nhau μ
r
, ví dụ như giữa thép và không khí. Hướng của lực vuông góc với bề mặt

của các lớp vật liệu khác nhau. Sai lệch tương đối của độ thẩm từ càng lớn thì lực f
càng lớn. Với các vật liệu sắt từ có μ
r
>> 1 thì các lực này có thể rất lớn, do vậy mà nó
có thể đáp ứng được những yêu cầu trong các ứng dụng kỹ thuật.
Từ trở tỷ lệ nghịch với độ thẩm từ μ
r
. Lực tác động theo cách này thường có xu
hướng làm giảm độ từ trở. Các động cơ điện khai thác thuộc tính này được gọi là động
cơ từ trở.
Một yêu cầu đặt ra là khi treo thì vật thể phải ở trạng thái ổn định. Yêu cầu này
dẫn đến khái niệm các vòng bi từ tích cực.
Trường hợp thứ hai trong phân loại các kiểu treo từ tính được gọi là lực điện từ
(hay là lực Lorentz). Lực này do trường điện từ tác động lên các hạt mang điện tích
gây nên.
f = Q(E + v x B) (1.2)
Với: E là vector cường độ điện trường tại vị trí của hạt;
Q là điện tích của hạt;
v là vector vận tốc chuyển động của hạt
B là mật độ từ thông
Khi không quan tâm đến khái niệm tĩnh điện, ta bỏ qua E tại (1.2) và (Q.v)
được thay thế bằng dòng điện i, Từ đây dẫn đến công thức sau:
f = i x B (1.3)
Lực tạo ra vuông góc với các đường từ thông, độc lập với khe hở không khí và
phụ thuộc tuyến tính với dòng điện.
Dựa trên lực Lorentz, các kiểu treo từ tính lại được chia ra làm 4 loại khác nhau
dựa trên dòng điện i.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />11
- Đối với dòng điện cảm ứng thì ta có hai cơ chế có thể xảy ra: Hoặc là có sự
tương tác giữa một từ trường vĩnh cửu với một vật dẫn chuyển động, Hoặc là sự tương

tác xảy ra khi không có chuyển động tương đối giữa một vật dẫn và điện từ biến thiên
(nguồn xoay chiều). Trường hợp còn lại, dòng điện có thể được điều khiển tích cực và
tương tác với một từ trường. Với loại này lại có 2 khả năng xảy ra: Hoặc là từ trường
được tạo ra bởi một từ trường vĩnh cửu, hoặc là có sự tương tác giữa dòng điện điều
khiển và dòng điện cảm ứng. Cả bốn kiểu này được mô tả tuần tự trên hình vẽ từ loại 5
đến loại 8.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />12

* Ứng dụng của ổ đỡ từ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />13
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 không
(4). Trong lĩnh vực kỹ thuật công 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 ổ đỡ có ma sát nhỏ; vô 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 luôn luôn 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
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

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả như trong hệ thống
vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW với tốc độ
quay là 12.000 vòng /phút sử dụng động cơ điện dùng ổ đỡ từ được thay thế cho động
cơ sử dụng ổ thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700.000 kWh/năm [11].
Với ưu điểm này, động cơ điện dùng ổ đỡ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu
ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, công nghệ sinh học
(bơm hóa chất [11], bơm máu trong tim nhân tạo [12], [13]…).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />14
Việc giảm kích thước và giá thành cho động cơ ổ đỡ từ thông qua việc tích hợp
chức năng của ổ đỡ từ vào động cơ là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Thành công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A. Chiba tại Đại
học Tokyo – Nhật Bản. Bằng cách tích hợp chức năng của ổ đỡ từ ngang trục vào
động cơ điện, kích thước của động cơ điện dùng ổ đỡ từ đã được giảm đáng kể (giảm
khoảng 25%) tuy nhiên cấu trúc của động cơ phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ khí
(cuộn dây ổ đỡ từ được quấn cạnh cuộn dây động cơ) và số bộ biến đổi điện tử công
suất sử dụng cho động cơ vẫn giữ nguyên. Do đó giá thành của động cơ kiểu này vẫn
cao.
Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ đỡ từ dọc
trục vào động cơ [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 công trong thí nghiệm hai bậc tự do (chuyển động quay
và dịch chuyển theo trục z) khi các chuyển động ngang trục của động cơ bị chặn. Việc
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồng bộ động cơ điện dùng ổ đỡ từ theo một khối thống
nhất sẽ thành công trong việc giảm kích thước và giá thành, góp phần nhanh chóng
đưa động cơ điện dùng ổ đỡ từ vào ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Có các hướng nghiên cứu sử dụng động cơ với ổ đỡ từ làm việc trong môi
trường sạch tuyệt đối, môi trường có nhiệt độ rất cao và rất thấp,…Trong các môi
trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn, động cơ điện dùng ổ đỡ

từ còn được nghiên cứu ứng dụng trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng,
-176
0
C [15]) hoặc rất nóng (550
0
C [14]).
1.2.1. 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 trên khắp cả nước.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />15
Tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bộ môn Tự động hóa XNCN của trường
thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật
Bản, mô hình động cơ điện tự nâng với từ thông dọc trục tích hợp sử dụng ổ đỡ từ dọc
trục đã được nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công, các phương pháp điều khiển
cơ bản đã được phát triển và ứng dụng cho động cơ, kết quả nghiên cứu đã được công
bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới về Kỹ thuật điện [15- 17].
Tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, với thiết bị
có sẵn tại phòng thí nghiệm của trường đã thu hút các học viên cao học, nghiên cứu
sinh và các nhà khoa học nghiên cứu về ổ đỡ từ. Gần đây nhất (2013) có luận án của
TS Nguyễn Thị Thanh Bình với sự giúp đỡ của các thầy cô đi trước đã làm rõ hơn rất
nhiều vấn đề về ổ đỡ từ.
Các vấn đề được nghiên cứu trên ổ đỡ từ bao gồm:
- Nghiên cứu cơ bản về nguyên lý nâng bằng từ trường
- Các phương pháp điều khiển vòng bi từ
- Nghiên cứu chế tạo, thu nhỏ kích thước cho động cơ nâng bằng vòng bi từ
- Tích hợp chức năng vòng bi từ dọc trục vào động cơ
- Điều khiển vector cho động cơ tự nâng không dùng cảm biến tốc độ
- Nghiên cứu ứng dụng và nâng cao chất lượng điều khiển.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Từ năm 2003 đến nay, có thể quan tâm đến một số nghiên cứu về sử dụng các
bộ điều khiển hiện đại điển hình sau:
(1). Trong nghiên cứu được công bố gần đây nhất (2009) [20], 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />16
(2). Trong một công trình công bố năm 2008 [21], B.Lu và cộng sự đã tiến hành
thí nghiệm sử dụng phương pháp điều khiển thay đổi tham số tuyến tính (Linear
Parameter Varying – LPV) cho hệ thống ổ từ tích cực. Mô hình các thông số không ổn
định được xác định nhờ mạng nơ-ron 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 các tốc độ quay
khá rộng. Cách điều khiển này loại bỏ được đòi hỏi về tuyến tính mở rộng (gain
scheduling), đồng thời cho thấy kết quả tốt hơn so với điều khiển PID truyền thống ở
tốc độ cao.
(3). Cũng trong năm 2008 [22], 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) [23] phát triển
hệ thống điều khiển lai, kết hợp PID và điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình
mẫu (RMRAC) để điều khiển lực nâng của động cơ không dùng ổ. Công trình này
khai thác quan hệ Lorentz để sản sinh cả lực nâng roto và momen quay. Kết quả thí
nghiệm cho thấy đáp ứng động học của mô hình mới tốt hơn hệ điều khiển PID truyền
thống. Hướng nghiên cứu khai thác lực Lorentz cũng đã được H.Y- Kim và C-W. Lee

đặt ra trong công trình công bố năm 2006 [24] thiết kế mới ổ đỡ từ và hệ thống điều
khiển tích hợp dựa trên nguyên lý lực Lorentz và Maxwell. Hệ thống điều khiển tối ưu
và giải thuật điều khiển Feed - Forward đã được sử dụng trong mô hình thí nghiệm
này. Kết quả cho thấy tính khả thi của thiết kế mới.
(5). I.S.Cade và cộng sự (2007) [25] 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />17
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 [26], 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 [27].
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 mong đợi. Có nhiều
phương pháp điều khiển đã được đề xuất theo các tài liệu [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26,
27]. Nếu coi ổ đỡ từ là đối tượng điều khiển thì bản thân nó là phần tử động học không
ổn định và mang tính phi tuyến cao.
Do đó, trong luận văn này tác giả đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển mờ
thích nghi, áp dụng để điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự do nhằm cải thiện chất lượng cho
hệ thống so với phương pháp điều khiển PID kinh điển.
1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Giới thiệu những nét cơ bản về ổ trục và ổ đỡ từ.

- Lựa chọn loại ổ đỡ từ cần nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động.
- Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ thích nghi để điều khiển ổ đỡ từ trong
các hệ thống truyền động điện.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về ổ đỡ từ, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên
cứu về động lực học ổ đỡ từ và mô tả toán học cho hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ 2
bậc tự do.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />18
CHƯƠNG 2
MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO
2.1. Giới thiệu chung
Để thiết kế được một bộ điều khiển cho đối tượng thì cần thiết phải xây dựng
được mô hình toán học mô tả đối tượng. Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và
cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây
dựng. Mô hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp
thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa giải pháp vào triển khai.
Mô hình toán học biểu diễn những hiểu biết của ta về quan hệ giữa tín hiệu vào
u(t) và tín hiệu ra y(t) của một hệ thống nhằm phục vụ mục đích mô phỏng, phân tích
và tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống sau này. Không thể điều khiển hệ thống nào đó
nếu như không biết gì về nó cả. Vậy, ta thấy rằng mô hình hóa đối tượng dưới dạng các
phương trình toán học là công việc hết sức cần thiết trong việc phân tích hệ thống và
thiết kế bộ điều khiển. Việc mô tả toán học càng sát với mô hình vật lý bao nhiêu thì
việc điều khiển càng đạt chất lượng cao như mong muốn. Tuy nhiên, việc tính toán
thiết kế bộ điều khiển sẽ trở nên khó khăn, phức tạp đối với các đối tượng không ổn
định và có tính phi tuyến cao [4]
Mô tả sơ qua về ổ đỡ từ: Ổ đỡ từ là chi tiết máy thuộc kỹ thuật cơ khí, nó đỡ các
trục chuyển động quay và tịnh tiến. Mặt khác nó là một thiết bị điện có điều khiển. Cụ
thể, về cấu tạo nó giống như một động cơ điện có stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện,
trên stato được xẻ rãnh để đặt dây quấn, rotor được chế tạo bằng vật liệu từ tính bao bên
ngoài trục chuyển động, nhưng về nguyên lý làm việc thì ổ đỡ từ lại 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. Để thiết lập được mối quan hệ động lực học của ổ
đỡ từ chủ động thì trước hết phải phân tích và tính toán được từ thông, từ trở, điện cảm,
mật độ từ thông, năng lượng từ tích trữ và lực từ theo các phương chuyển dịch (x,y) của
trục. Trên cơ sở đó xây dựng được mô hình toán học cho AMB.
2.2. Các thành phần của mạch vòng điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />19
Trước tiên ta đi tìm hiểu thuộc tính cơ bản của hệ thống AMB với 1 bậc tự do
(Degree of Freedom – DOF). Từ đó, việc phân tích và xây dựng một mô hình toán học
cho hệ thống nhiều hơn một bậc tự do sẽ dễ dàng hơn. Hình 2.1 mô tả cấu trúc cơ bản
của một vòng điều khiển kín cho AMB với các thành phần cần thiết để cấu thành nên
một hệ thống AMB theo một phương. Các thành phần và chức năng của chúng sẽ được
mô tả sơ bộ như sau:
Một rotor được treo tự do tại một khoảng cách tiền định x
0
so với cơ cấu điện từ.
Một cảm biến vị trí không tiếp xúc (thường là kiểu cảm biến dòng điện Eddy hoặc cảm
biến điện cảm) sẽ đo độ sai lệch giữa vị trí mong muốn x
0
với vị trí thực của rotor x và
cung cấp thông tin này đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển duy trì vị trí của rotor tại giá
trị mong muốn. Điều này không chỉ làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực hấp dẫn F
m
được tạo ra với mg
a
(tích của trọng lượng rotor với gia tốc trọng trường) tại điểm làm
việc tĩnh mà còn nhằm đạt được sự ổn định hóa, chính là chất lượng quan trọng nhất
của quá trình điều khiển. Sau cùng, bộ điều khiển sẽ gửi một tín hiệu điều khiển vị trí
đến một bộ khuếch đại công suất. Từ bộ khuếch đại công suất này, tín hiệu được
chuyển thành dạng dòng điện để đưa đến cuộn dây của cơ cấu điện từ và sau đó, sẽ tạo

ra được lực điện từ F
m
như mong muốn.
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 dòng điện điều
khiển, lực điện từ gia tăng khi đó sẽ kéo rotor quay trở lại vị trí danh định của nó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />20
Hình 2.1: Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB
Bộ khuếch đại công suất 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 nhiều vào thiết kế của cả bộ khuếch đại công suất và cơ cấu điện
từ của AMB, bao gồm dòng điện và điện áp bộ khuếch đại, hình dạng của vòng bi từ,
số vòng dây và điện cảm của cuộn dây.
2.3. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
Trong công nghệ treo từ tính, các phần tử điện tử gây ra từ thông khép kín trong
một mạch vòng từ. Khi phân tích những mạch vòng từ như vậy, việc tính toán chính
xác từ trường thường là không khả thi và không thực sự cần thiết [9]. Thông thường các
phương pháp phân tích xấp xỉ hóa dựa vào một số giả thiết chẳng hạn như: từ thông
khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ (không có từ thông dò), ngoại trừ trong khe hở
không khí. Vì độ thẩm từ của vật liệu sắt từ μ = μ
0
μ
r
lớn hơn nhiều so với độ thẩm từ
không khí, các đường đi của từ trường khi rời khỏi vật liệu sắt từ gần như vuông góc
với bề mặt của nó.
Hình 2.2 thể hiện một cơ cấu điện từ được dùng để treo một lõi sắt từ hình chữ I
bằng một lực từ. Lõi sắt từ hình chữ C có tiết diện là S
fe
. Đường đi chính của từ thông

được mô tả bởi đường nét liền khép kín qua lõi sắt từ chữ C và chữ I. Cuộn dây trên cơ
cấu điện từ có số vòng dây là N. Dòng điện tức thời có giá trị là i. Độ dài khe hở không
khí tại vị trí danh định là s.
Để tính toán mật độ từ thông B, một số giả thiết sau đây được đưa ra: Từ thông
Ψ chỉ chạy hoàn toàn trong vòng từ khép kín. Tiết diện mặt cắt của vật liệu sắt từ S
fe
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />21
S
fe
: Tiết diện mặt cắt lõi sắt
S
a
: Tiết diện mặt cắt trong khe hở
không khí
n: Số vòng dây
i: Dòng điện tức thời
x
0
: Khe hở không khí tại vị trí
danh định.
l
c
+l
I
+2x
0
: Chiều dài trung bình
của đường đi từ trường.
Hình 2.2: Mạch từ hóa lõi thép
cùng được giả thiết là không đổi trên toàn bộ vòng từ khép kín và bằng với tiết diện mặt

cắt trong khe hở không khí S
a
. Từ công thức:

fe fe a a
B S B S
ψ
= =
(2.1)
dẫn đến:
fe a
B B B
= =
(2.2)
Từ trường trong mạch từ khép kín được giả thiết là đồng nhất trong cả vật liệu
sắt từ và khe hở không khí. Do đó, việc tính toán dựa trên chiều dài trung bình l
fe
của
đường đi từ trường và chiều dài khe hở không khí 2s.
2.3.1. Các mối quan hệ cơ bản
Hình 2.3 mô tả một nam châm điện được sử dụng để treo một lõi từ hình chữ I
bằng một lực từ. Lõi từ hình chữ C của nam châm điện có chiều dầy l và chiều rộng w.
Đường sức từ được biểu diễn bằng nét đứt. Các chiều dài của đường sức từ trong lõi từ
hình chữ C là l
1
và l
2
. Chiều dài của đường sức từ trong lõi từ hình chữ I là l
3
.

Cuộn dây có N vòng. Dòng điện tức thời là i, bởi vậy lực từ động tương ứng là
Ni. Kích thước của khe hở không khí ở vị trí danh định là g. Tọa độ của lõi từ hình chữ
I là x do đó chiều dài khe hở không khí là (g-x). Từ trở của mạch từ được xác định là:
fP
mt
l
R
S
µ
=
(2.3)
Trong đó: l
fp
: Chiều dài của đường sức từ

mt
µ
: Độ dẫn từ của vật liệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />22
Hình 2.3: Lõi từ C và lõi từ hình chữ I với một cuộn cảm
v
g – x
x
l
l
3
i
l
2
l

1
w
S: Diện tích mặt cắt của đường sức từ
Độ dẫn từ của một vật liệu là một hàm nghịch của từ trở, tức là:

.
mt
a
fp
S
P
l
µ
=
(2.4)
Mạch điện tương đương cho một mạch từ của một nam châm điện như hình vẽ:
Trong các khái niệm lực từ động MMF (điện áp), từ thông (dòng điện) và từ trở
(điện trở), một hằng số (dc) mạch từ có thể được tính toán theo cùng một cách thức
như với một mạch điện. Sự khác nhau cơ bản là từ trở (mạch từ) là một phần tử tích
trữ năng lượng điện trở (mạch điện) là phần tử tiêu thụ năng lượng.
+ Nguồn điện áp ‘N
i
’ đặc trưng cho lực từ động MMF được sinh ra bởi cường
độ dòng điện của cuộn dây.
+ R
C
và R
I
là từ trở tương ứng trong lõi từ C và lõi từ hình chữ I.
+ R

g
là từ trở trong khe hở không khí.
Các từ trở được viết dưới dạng sau:

wl
xg
R
g
0
µ
−
=

(2.5)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />23
Ni: Sức từ động (MMF)
R
c
, R
I
: Từ trở tương ứng trong lõi
từ hình chữ C và hình chữ I
R
g
: Từ trở khe hở không khí
Ψ: Từ thông
ψ
R
g
R

l
R
c
R
g
N
i
Hình 2.4: Mạch từ hoá tương đương