Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển cho ổ từ chủ động 4 cực
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.81 MB, 89 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN QUANG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHO Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG BỐN CỰC
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Quang Địch
Hà Nội – Năm 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo TS. Nguyễn Quang Địch.
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2015
Người thực hiện
Trần Quang
___________________________________________________________________
i
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
i
MỤC LỤC
ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
x
MỞ ĐẦU
1
1. Khái quát chung
1
2. Tính cấp thiết của đề tài
2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3
4. Phương pháp nghiên cứu
3
5. Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết
3
6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
4
7. Bố cục của luận văn
4
Chương 1
5
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG
5
1.1. Khái niệm về ổ từ
5
1.1.1. Khái niệm
5
1.1.2. Lịch sử phát triển
7
1.2. Ứng dụng
8
1.3. Phân loại
10
1.3.1. Ổ từ thụ động (Passive Magnetic Bearing – PMB)
10
1.3.2. Ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing – AMB)
11
1.3.3. Ổ từ siêu dẫn (superconducting material bearing – SMB)
12
1.3.4. Ổ từ kiểu lai (hybrid magnetic bearing – HMB)
13
1.4. Ổ từ chủ động
14
1.4.1. Đặc tính của ổ từ chủ động
14
1.4.2. Cấu tạo
16
1.4.3. Nguyên lý cơ bản của ổ từ chủ động
17
___________________________________________________________________
ii
1.4.4. Điều khiển
18
Chương 2
21
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 CỰC
21
2.1. Cấu trúc hệ thống ổ từ 4 cực
21
2.1. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
22
2.1.1. Giả thiết đơn giản hóa
22
2.1.2. Mạch từ đơn giản
23
2.1.3. Mật độ từ thông
24
2.1.4. Độ tự cảm
26
2.1.5. Năng lượng từ trường và lực từ
27
2.2. Hệ truyền động vi sai
29
2.2.1. Mô tả toán học
30
2.2.2. Sơ đồ khối
31
2.3. Tương tác giữa 2 trục trực giao
32
2.4. Mô hình ổ từ chủ động 4 cực tích hợp hai đầu trục
34
2.4.2. Hệ thống một ổ từ gắn với trục nâng
35
2.4.3. Hệ thống hai ổ từ
37
Chương 3
42
XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 CỰC
42
3.1. Tổng hợp các bộ điều chỉnh của ổ từ 1 phương
43
3.1.1. Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ điều khiển 45
a. Bộ khuếch đại công suất
45
b. Khâu đo dòng điện - phản hồi dòng
45
c. Khâu đo vị trí - phản hồi vị trí
45
3.1.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
46
3.1.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí
49
3.2. Cấu trúc điều khiển của hệ 4 cực
50
3.3. Tổng hợp bộ điều khiển bù tác động xen kênh do dòng điện xoáy
52
___________________________________________________________________
iii
Chương 4
54
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 CỰC
54
4.1. Sơ đồ mô phỏng
55
4.2. Kết quả mô phỏng
59
4.2.1. Trường hợp không xét đến tương tác do hiện tượng dòng điện xoáy
60
a. Đáp ứng vị trí
60
b. Đáp ứng dòng điện
62
c. Quá trình khởi động
64
d. Khi chịu tác động nhiễu do tải
66
4.2.2. Trường hợp có xét đến tương tác xen kênh do dòng điện xoáy
67
a. So sánh vị trí
68
b. So sánh dòng điện
69
4.3. Kết luận
70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
72
1. Kết luận
72
2. Kiến nghị
73
TÀI LIỆU THAM KHẢO
74
PHỤ LỤC
76
___________________________________________________________________
iv
Danh mục các ký hiệu
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
µ
Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ
µ0
Độ từ thẩm của không khí
µr
Độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ
B
Mật độ từ thông
B0
Mật độ từ thông danh định
Ba
Mật độ từ thông trong khe hở không khí
Ψ
Từ thông
Ψfe
Từ thông trong lõi thép
Ψa
Từ thông trong khe hở không khí
λ
Từ thông móc vòng của cuộn dây
L
Điện cảm
L0
Điện cảm riêng danh nghĩa
Wa
Năng lượng từ trường tích lũy trong khe hở không khí
Va
Thể tích khe hở không khí
Sfe
Tiết diện mặt cắt ngang của vật liệu sắt từ
Sa
Tiết diện măt cắt trong khe hở không khí
l
Chiều dày lõi thép hình C
w
Chiều rộng lõi thép hình C
lC
Chiều dài đường từ thông trong lõi thép hình C
lI
Chiều dài đường từ thông trong lõi thép hình I
g
Khe hở không khí tại vị trí danh định
___________________________________________________________________
v
Danh mục các ký hiệu
N
Số vòng dây
i
Dòng điện tức thời
R
Từ trở của mạch từ
lfp
Chiều dài của đường sức từ
µmt
Độ dẫn từ (độ từ thẩm) của vật liệu
S
Diện tích mặt cắt của đường sức từ
Rg
Từ trở của khe hở không khí
Rc
Từ trở của lõi thép hình C
RI
Từ trở của lõi thép hình I
x
Tọa độ của lõi từ hình chữ I theo phương x
H
Cường độ từ trường
Hfe
Cường độ từ trường trong lõi thép
Ha
Cường độ từ trường trong khe hở không khí
IB
Thành phần dòng điện phân cực
ib
Thành phần dòng điện điều khiển
i1
Dòng điện điều khiển của cuộn dây nam châm điện 1
i3
Dòng điện điều khiển của cuộn dây nam châm điện 3
F1
Lực từ hướng tâm của cuộn dây nam châm điện 1
F3
Lực từ hướng tâm của cuộn dây nam châm điện 3
Fxx
Lực từ hướng tâm theo phương x
ki
Hệ số lực – dòng điện
kx
Hệ số lực – chuyển vị
___________________________________________________________________
vi
Danh mục các ký hiệu
ax
Gia tốc theo phương x
fkmy
Lực tương tác trục x lên trục y
fkmx
Lực tương tác trục y lên trục x
Kmx, Kmy
Hệ số góc lệch theo phương x, y
θer
Góc lệch pha do dòng điện xoáy
θx, θy
Góc lệch pha theo phương x, y
Nx, Ny
Momen quay tổng tác động lên trục x, y
Nxg, Nxi, Nxd
Momen quay do trọng lực, dòng điện và vị trí tác động lên trục x
Nyg, Nyi, Nyd
Momen quay do trọng lực, dòng điện và vị trí tác động lên trục y
GC
Hàm truyền bộ điều khiển
GP
Hàm truyền đối tượng
x1, y1
Tọa độ rotor theo phương x, y của ổ từ 1
x2, y2
Tọa độ rotor theo phương x, y của ổ từ 2
xp, yp
Tọa độ rotor theo phương x, y trong hệ chuyển động tịnh tiến
xr, yr
Tọa độ rotor theo phương x, y trong hệ chuyển động nghiêng
Fx, Fy
Lực từ do dòng điện sinh ra theo phương x, y
Fx1, Fy1
Lực từ do dòng điện sinh ra theo phương x1, y1
Fx2, Fy2
Lực từ do dòng điện sinh ra theo phương x2, y2
Fxp, Fyp
Lực tịnh tiến theo phương x, y
Fxr, Fyr
Lực nghiêng theo phương x, y
ix1, iy1
Dòng điện điều khiển theo phương x, y của ổ từ 1
ix2, iy2
Dòng điện điều khiển theo phương x, y của ổ từ 2
___________________________________________________________________
vii
Danh mục các ký hiệu
ixp, iyp
Thành phần dòng điện trong hệ tọa độ tịnh tiến theo phương x, y
ixr, iyr
Thành phần dòng điện trong hệ tọa độ nghiêng theo phương x, y
ga
Gia tốc trọng trường
lrt
Khoảng cách giữa 2 ổ đỡ
Ii
Momen quán tính theo trục x, y
ku
Hệ số thay đổi điện cảm
Rx
Bộ điều khiển vị trí
RI
Bộ điều khiển dòng điện
x*, i*
Giá trị đặt của vị trí, dòng điện
KP, KI, KD
Hệ số tỷ lệ, tích phân, vi phân của bộ điều khiển PID
Gamp,i, Tamp,
Hàm truyền, hằng số thời gian, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại
Kamp
Wi, Ki, Ti
Wx, Kx, Tx
Gcd, L, R, Ti
công suất
Hàm truyền, hằng số thời gian, hệ số khuếch đại của khâu đo dòng
điện
Hàm truyền, hằng số thời gian, hệ số khuếch đại của khâu đo vị trí
Hàm truyền, điện cảm, điện trở, hằng số thời gian của cuộn dây
___________________________________________________________________
viii
Danh mục các chữ viết tắt
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
AMB
Active Magnetic Bearing
Ổ từ chủ động
PMB
Passive Magnetic Bearing
Ổ từ thụ động
SMB
Superconducting material bearing
Ổ từ siêu dẫn
HMB
Hybrid magnetic bearing
Ổ từ kiểu lai
HTS
High temperature superconduting
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ
cao
MMF
Magnetomotive Force – MMF
Lực từ động
PID
Proportional – Integral – Derivative
Bộ điều khiển tỷ lệ – tích
phân – vi phân
KĐCS
Khuếch đại công suất
BĐK
Bộ điều khiển
___________________________________________________________________
ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Vòng bi cơ khí
5
Hình 1.2. Ổ từ chủ động loại 4 cực (a) và nhiều cực (b) của hãng SFK
6
Hình 1.3. Các loại ổ từ: a. 3 cực, b. 4 cực, c. 8 cực
16
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ổ từ 4 cực
21
Hình 2.2. Sơ đồ mặt cắt ổ từ chủ động 4 cực: a. 1 ổ, b. 2 ổ
22
Hình 2.3. Mạch từ l i thép
23
Hình 2.4. Cơ cấu vi sai
29
Hình 2.5. Sơ đồ khối cấu trúc ổ từ một phương
31
Hình 2.6. Sơ đồ khối rút gọn của ổ từ một phương
32
Hình 2.7. Sai lệch vị trí góc rotor
33
Hình 2.8. Tương tác xen kênh theo hai trục nâng do sai lệch vị trí góc
34
Hình 2.9. Định nghĩa các hệ tọa độ cho ổ từ
34
Hình 2.10. Hệ tọa độ: a. Hệ trục tọa độ, b. Góc nhìn 1, c. Góc nhìn 2
35
Hình 2.11. a. Hệ trục tọa độ; b. Chuyển động tịnh tiến; c. Chuyển động nghiêng 37
Hình 2.12. Mô hình chuyển hệ tọa độ dòng điện
39
Hình 2.13. Mô hình chuyển động tịnh tiến
40
Hình 2.14. Mô hình chuyển động nghiêng
40
Hình 2.15. Mô hình ổ từ đã được tách kênh theo hệ trục tịnh tiến và nghiêng
41
Hình 3.1. Cấu trúc hệ điều khiển 1 phương
43
Hình 3.2. Mô hình hệ thống điều khiển ổ từ 1 phương
44
Hình 3.3. Cảm biến vị trí LS 500
46
Hình 3.4. Mô hình mạch vòng dòng điện có xét tới ảnh hưởng của vận tốc dịch
chuyển vị trí
47
Hình 3.5. Mô hình mạch vòng dòng điện tối giản của ổ từ 1 hướng
48
Hình 3.6. Mô hình mạch vòng vị trí của ổ từ 1 phương
49
Hình 3.7. Mạch vòng điều chỉnh vị trí theo trục tịnh tiến theo xp và yp
51
Hình 3.8. Mạch vòng điều chỉnh vị trí theo trục nghiêng xr và yr
51
Hình 3.9. Sơ đồ khối bộ điều khiển tổng
52
___________________________________________________________________
x
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 3.10. Sơ đồ khối tác động xen kênh do dòng điện xoáy
52
Hình 3.11. Sơ đồ khối bù tác động xen kênh do dòng điện xoáy
53
Hình 4.1. Mô hình tổng quát hệ thống điều khiển ổ từ chủ động 4 cực
55
Hình 4.2. Mô hình khâu chuyển hệ trục tọa độ
56
Hình 4.3. Mô hình khâu điều khiển vị trí
57
Hình 4.4. Mô hình bộ điều khiển vị trí
57
Hình 4.5. Mô hình khâu điều khiển dòng điện
58
Hình 4.6. Mô hình khâu khuếch đại công suất và cuộn dây nam châm điện
58
Hình 4.7. Mô hình ổ từ
59
Hình 4.8. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 1 theo phương x
60
Hình 4.9. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 1 theo phương y
61
Hình 4.10. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 2 theo phương x
61
Hình 4.11. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 2 theo phương y
62
Hình 4.12. Dòng điện điều khiển của ổ từ 1 theo phương x
62
Hình 4.13.Dòng điện điều khiển của ổ từ 1 theo phương y
63
Hình 4.14. Dòng điện điều khiển của ổ từ 2 theo phương x
63
Hình 4.15. Dòng điện điều khiển của ổ từ 2 theo phương y
64
Hình 4.16. Quỹ đạo chuyển động của rotor: a. Ổ từ 1, b. Ổ từ 2
64
Hình 4.17. Quan hệ vận tốc – vị trí của rotor: a. Ổ từ 1, b. Ổ từ 2
65
Hình 4.18. Quỹ đạo chuyển động của rotor: a. Ổ từ 1, b. Ổ từ 2
66
Hình 4.19. Quan hệ vận tốc – vị trí của rotor: a. Ổ từ 1, b. Ổ từ 2
67
Hình 4.20. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 1 theo phương x
68
Hình 4.21. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 1 theo phương y
68
Hình 4.22. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 2 theo phương x
68
Hình 4.23. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 2 theo phương y
69
Hình 4.24. Dòng điện điều khiển của ổ từ 1 theo phương x
69
Hình 4.25.Dòng điện điều khiển của ổ từ 1 theo phương y
69
Hình 4.26. Dòng điện điều khiển của ổ từ 2 theo phương x
70
Hình 4.27. Dòng điện điều khiển của ổ từ 2 theo phương y
70
___________________________________________________________________
xi
Mở đầu
MỞ ĐẦU
1. Khái quát chung
Ổ đỡ là một trong những phát minh quan trọng, nhằm giảm ma sát giữa trục
quay và ổ đỡ trong các chi tiết máy, giúp máy hoạt động dễ dàng, tăng hiệu suất và
độ bền; từ đó góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành động lực học, cơ khí, chế
tạo máy... Ngày nay, để cải thiện chất lượng ổ đỡ, đã có nhiều nghiên cứu về việc
thay thế các vòng bi cơ trong động cơ điện và một trong những phương pháp thành
công nhất là ổ từ. Ổ từ sử dụng lực từ để nâng ổn định trục động cơ, cho phép động
cơ hoạt động mà không có ma sát hay sự bào mòn về mặt vật lý, động cơ có thể
hoạt động ở tốc độ rất lớn mà không cần phải tra thêm dầu mỡ bôi trơn. Đồng thời,
động cơ có thể hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt với hiệu suất lớn nhất.
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).
Từ đó, 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, 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 đã góp phần làm giảm kích thước, độ phức tạp
cũng như giá thành của ổ từ. Điều đó đã tạo cơ hội cho việc phát triển sử dụng ổ từ.
Không ngừng có các nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển nhằm cải
thiện chất lượng đáp ứng của ổ từ và cũng đã đạt được nhiều phát triển và thành tựu,
từ các bộ điều khiển PID truyền thống cho đến các bộ điều khiển hiện đại. Các cách
điều khiển hiện đại cho thấy kết quả tốt hơn so với điều khiển PID truyền thống ở
tốc độ cao (đáp ứng tốt hơn, bền vững hơn, giảm rung động, dịch chuyển của rotor).
Tuy nhiên, những bộ điều khiển hiện đại này thường hạn chế ứng dụng ổ từ
chủ yếu trong các thiết bị đặc thù, chưa được sử dụng rộng rãi. So với các bộ điều
khiển trên, bộ điều khiển PID mặc dù chất lượng điều khiển còn thấp do tính phi
tuyến và xen kênh của ổ từ nhưng các bộ điều khiển PID vẫn đang được ứng dụng
___________________________________________________________________
1
Mở đầu
rộng rãi, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp do các ưu điểm của nó. Do đó,
với mục đích thiết kế một bộ điều khiển đơn giản nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu
chất lượng, luận văn này đi sâu vào nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID có điều
khiển tách kênh để cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống ổ từ.
Đề tài nghiên cứu bao gồm các nội dung chính như sau:
1. Nghiên cứu tổng quan về ổ từ.
2. Mô tả toán học ổ từ cho trục quay với tốc độ cao.
3. Thiết kế bộ điều khiển PID có điều khiển tách kênh cho ổ từ bốn bậc tự
do.
4. Tiến hành nghiên cứu mô hình ổ từ bốn bậc tự do bằng mô phỏng.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Ổ từ với nhiều ưu điểm vượt trội so với ổ đỡ cơ khí truyền thống sẽ 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. Hiện nay, ổ từ được
xếp vào loại sản phẩm công nghệ cao, thân thiện với môi trường, có khả năng phát
triển mạnh. Những nghiên cứu về ổ từ không chỉ tập trung chủ yếu ở các nước phát
triển mà cũng đang được đẩy mạnh ở các nước đang phát triển. Ổ từ vẫn còn đang
trong quá trình nghiên cứu và phát triển, ứng dụng của nó vẫn đang được thử
nghiệm, hầu hết chưa được sản xuất hàng loạt cũng như thương mại hóa. Trong
tương lai gần, khi công nghệ chế tạo phát triển, những hạn chế của ổ từ, như kích
thước lớn, giá thành cao, sẽ được khắc phục, giúp ổ từ được ứng dụng rộng rãi.
Song song với việc phát triển phần cứng, các thuật toán điều khiển cho ổ từ cũng
được nâng cao, hoàn thiện. Các thuật toán điều khiển hiện đại có khả năng đáp ứng
tốt với đặc tính phi tuyến cao, không ổn định của ổ từ, cho chất lượng cao. Tuy
nhiên, các bộ điều khiển này có tính chất phức tạp, làm hạn chế các ứng dụng của ổ
___________________________________________________________________
2
Mở đầu
từ nên bộ điều khiển PID đơn giản vẫn được ứng dụng rộng rãi. Vì vậy, việc nâng
cao chất lượng bộ điều khiển PID cho ổ từ là yêu cầu cấp thiết.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng là ổ từ chủ động 4 cực, 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
khi xét hệ truyền động điện có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục, có sự tác
động của nhiễu và xen kênh để tổng hợp bộ điều khiển PID có điều khiển tách
kênh, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Dựa trên các định luật về cơ, điện và từ để tính toán động lực học cho một hệ
ổ từ chủ động 4 bậc tự do.
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng.
5. Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết
Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):
-
Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động.
-
Xây dựng mô hình toán học của ổ từ chủ động 4 cực.
-
Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển mạch vòng kín đảm bảo ổn định cho hệ
thống nâng bằng từ trường sử dụng ổ từ chủ động 4 cực:
+ Hệ điều chỉnh với cấu trúc 2 mạch vòng sử dụng bộ điều chỉnh PID.
+ Hệ điều chỉnh có tách kênh, đảm bảo điều chỉnh độc lập việc nâng ổ từ
theo các hướng trong cả chế độ quá độ lẫn chế độ ổn định, có nhiễu.
-
Mô phỏng kiểm nghiệm bằng phần mềm matlab - Simulink.
___________________________________________________________________
3
Mở đầu
6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu về ổ từ là vấn đề đang được quan tâm tại Việt Nam. Đã có một
số đề tài nghiên cứu điều khiển và nâng cao chất lượng cho ổ từ. Đề tài này tiếp thu
một số hướng đi, đồng thời đóng góp lý luận về ổ từ, có thể sử dụng làm cơ sở cho
nhiều nghiên cứu tiếp theo.
Thông qua việc mô tả ổ từ với đặc tính xen kênh; từ đó, thiết kế bộ điều
khiển PID có điều khiển tách kênh, nhằm cải thiện chất lượng, luận văn góp phần
thúc đẩy sự phát triển nghiên cứu ổ từ tại Việt Nam, tiến dần tới việc ứng dụng ổ từ
vào các hệ truyền động điện ở Việt Nam, nhất là hệ có yêu cầu đặc biệt (tốc độ cao,
môi trường khắc nghiệt, yêu cầu vô trùng...).
7. Bố cục của luận văn
Luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan ổ từ; đưa ra khái niệm, đặc điểm ứng dụng,
cũng như nguyên lý hoạt động cơ bản của ổ từ. Từ đó, có những phân loại, đánh
giá, nhằm làm r hơn về mục đích nghiên cứu của đề tài. Đồng thời, đề xuất
phương pháp nâng cao chất lượng ổ từ bằng bộ điều khiển PID có điều khiển tách
kênh.
Chương 2: Phân tích các cơ sở lý thuyết liên quan đến ổ từ. Từ đó xây dựng
mô hình toán học cho hệ thống.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho ổ từ chủ động 4 cực, có điều khiển tách
kênh bằng bộ điều khiển PID.
Chương 4: Dựa trên kết quả chương 3, tiến hành mô phỏng, đánh giá chất
lượng bộ điều khiển thiết kế.
Kết luận và kiến nghị.
___________________________________________________________________
4
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
Chương 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG
Chương 1 trình bày tổng quan về ổ từ chủ động. Bao gồm định nghĩa cơ bản
về ổ từ chủ động, lịch sử phát triển, những lĩnh vực ứng dụng và nguyên lý hoạt
động cơ bản của ổ từ chủ động. Từ đó, có những phân loại, đánh giá, nhằm làm rõ
hơn về mục đích nghiên cứu của đề tài. Đồng thời, đề xuất phương pháp nâng cao
chất lượng ổ từ bằng bộ điều khiển PID có điều khiển tách kênh. Các hiểu biết trình
bày trong chương 1 sẽ làm nền tảng, định hướng cho việc thành lập mô hình toán
học, cũng như xây dựng hệ điều khiển cho ổ từ chủ động 4 cực.
1.1. Khái niệm về ổ từ
1.1.1. Khái niệm
Ngày nay, trong các thiết bị quay, đặc biệt là các động cơ đều có một hệ
thống ổ đỡ trục nhằm nâng đỡ trục động cơ và các chi tiết quay, đảm bảo chuyển
động quay và đỡ tải trọng, giảm ma sát giữa phần quay và phần không quay, giúp
rotor quay trơn trong stator, tăng hiệu suất, độ bền... Đây là một chi tiết nhỏ nhưng
rất quan trọng đối với hoạt động của thiết bị.
Hình 1.1. Vòng bi cơ khí
Các ổ đỡ cơ được sử dụng rộng rãi trong việc nâng các vật chuyển động; tuy
nhiên, chúng vẫn còn tồn tại một vài nhược điểm, như khả năng làm việc tốc độ cao
kém, tiếng ồn, khả năng giảm chấn kém, chuyển động tiếp xúc và chất bôi trơn...
Do đó, trong quá trình làm việc vòng bi cơ cần được thường xuyên bảo dưỡng hoặc
___________________________________________________________________
5
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
thay mới. Dầu bôi trơn cũng phải được thay thế định kỳ. Ngày nay, hầu hết yêu cầu
về bảo dưỡng trong truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí.
Trong một số ứng dụng, việc bảo dưỡng vòng bi cơ có thể rất khó khăn hoặc đòi hỏi
chi phí rất cao và công nhân chuyên nghiệp. Ví dụ: các vòng bi cơ có thể trở thành
vấn đề khó khăn chính trong các hệ truyền động làm việc ngoài không gian, hoặc
các môi trường khắc nghiệt với các chất phóng xạ hoặc chất độc... Thêm vào đó,
dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không, nhiệt độ khí
quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc cả trong các môi trường yêu cầu độ sạch cao,
như các dây chuyền thực phẩm và dược phẩm. Ngoài ra, dầu bôi trơn cũng còn là
tác nhân chủ yếu gây ra ô nhiễm môi trường.
Để cải thiện chất lượng ổ đỡ, hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về việc thay
thế các vòng bi cơ trong động cơ điện và một trong những phương pháp thành công
nhất là ổ từ. Nếu như trục được treo bởi một lực từ, những yêu cầu bảo hành này sẽ
không cần thiết. Do vậy tiến tới sử dụng “ổ đỡ không tiếp xúc” có nhiều ưu thế cho
người sử dụng động cơ. Các vòng bi cơ sẽ được thay thế bằng một ổ tròn, bên trong
gắn các cuộn dây nam châm điện, và trục động cơ sẽ được nâng lơ lửng trong
khoảng không giữa ổ từ bởi lực từ trường do các nam châm điện sinh ra. Ổ từ sử
dụng lực từ để nâng ổn định trục động cơ; do vậy sẽ cho phép động cơ hoạt động
mà không có ma sát hay sự bào mòn về mặt vật lý, động cơ có thể hoạt động ở tốc
độ rất lớn mà không cần phải tra thêm dầu mỡ bôi trơn, cũng như hoạt động trong
các môi trường khắc nghiệt với hiệu suất lớn nhất.
(a)
(b)
Hình 1.2. Ổ từ chủ động loại 4 cực (a) và nhiều cực (b) của hãng SFK
___________________________________________________________________
6
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
Nhờ khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ
trường nên ổ từ 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.
1.1.2. Lịch sử phát triển
Nam châm vĩnh cửu và các hiệu ứng từ trường đã hấp dẫn nhân loại kể từ khi
được phát hiện. Tuy nhiên, mặc dù phát hiện ra rằng từ trường tạo ra lực mà không
cần tiếp xúc cơ học, nhưng phải mất một thời gian dài mới hình thành các ý tưởng
để có thể sử dụng hiệu ứng này cho ổ đỡ.
Hans Christian Oersted phát hiện ra vào năm 1820 rằng dòng chảy của dòng
điện ảnh hưởng đến kim của la bàn. Sự kết nối giữa điện và từ đã được tìm thấy.
Năm 1842, Samuel Earnshaw xuất bản bài báo nổi tiếng (On the nature of
molecular forces), thể hiện ý tưởng nâng một đối tượng bằng từ trường. Định lý
Earnshaw là một định lý trong điện động lực học cổ điển, phát biểu về trạng thái
cân bằng không bền của các điện tích điểm hoặc các lưỡng cực từ trong điện trường
hoặc từ trường không đổi. Định lý Earnshaw cho thấy các hệ nam châm hoặc chất
thuận từ đứng yên không thể dùng để nâng và giữ vật thể (chống lại lực hấp dẫn của
Trái Đất) ở trạng thái cân bằng bền. Định lý này lần đầu tiên được chứng minh bởi
Samuel Earnshaw vào năm 1842 cho hệ các điện tích điểm trong điện trường. Sau
này nó được mở rộng để áp dụng cho trạng thái cân bằng của các lưỡng cực từ, của
nam châm và chất thuận từ, trong từ trường. Tuy nhiên vị trí cân bằng bền có thể
tìm thấy khi sử dụng chất nghịch từ hay chất siêu dẫn (nghịch từ hoàn hảo).
Werner Braunbek diễn giải định lý năm 1939 cho ý tưởng nâng bằng từ
trường, cho thấy sự ổn định từ tính của một đối tượng chỉ có thể sử dụng vật liệu
nghịch từ.
Jesse Beams sử dụng ổ từ tích cực cho sự phát triển của máy ly tâm uranium
trong Dự án Manhattan trong những năm 1940. Các bằng sáng chế "nâng các vật
thể quay" (Suspension of Rotatable Bodies) được nộp.
___________________________________________________________________
7
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
Sự phát triển trong công nghệ điều khiển, cả về phần cứng lẫn phần mềm,
nghiên cứu quốc tế về ổ từ bắt đầu tăng nhanh vào cuối những năm 70 và 80 của thế
kỷ thứ 20. Khoảng thời gian này, ổ từ công nghiệp đầu tiên được sử dụng trong máy
bơm chân không tốc độ cao.
Năm 1988, lần đầu tiên Hội nghị chuyên đề quốc tế về vòng bi từ (ISMB)
được tổ chức tại Zurich, Thụy Sĩ. Kể từ đó, các Hội nghị chuyên đề thu hút sự đóng
góp khoa học và công nghiệp mỗi 2 năm. Gần đây, hội nghị quốc tế lần thứ 14 về ổ
từ đã được tổ chức vào năm 2014, tại Úc [5].
Ngày nay, vòng bi từ tính đã tìm thấy con đường phát triển trong nhiều ứng
dụng, đẩy các giới hạn hoặc thậm chí cho phép các cách tiếp cận hoàn toàn mới cho
những vấn đề của ổ đỡ.
1.2. Ứng dụng
Ổ từ vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển, ứng dụng của nó
vẫn đang được thử nghiệm, hầu hết chưa được sản xuất hàng loạt cũng như thương
mại hóa. Ổ từ được phát triển nhanh trong thời gian gần đây, đặc biệt trong các ứng
dụng tốc độ cao, ma sát nhỏ, nhiệt độ cao (hoặc thấp) và môi trường chân không.
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; 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 nhiệt độ rất cao và rất thấp cũng như 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 đỡ đặc biệt. Những khó khăn trên nếu sử dụng các ổ từ thì sẽ giải
quyết được căn bản, hơn nữa ổ từ cho tuổi thọ dài và không cần bảo dưỡng.
___________________________________________________________________
8
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
Một số ứng dụng cụ thể như:
+ Công ty S2M (Société de Mécanique Magnétique) của Pháp sử dụng ổ từ 5
bậc tự do để điều khiển chính xác sự quay, giá trị DN của ổ đỡ hướng tâm
4x106 mm vòng/phút, vận tốc tuyến tính của trục là 200 m/s, giá trị DN của
ổ trượt là 8x106 mm vòng/ phút, vận tốc tuyến tính của ổ trượt là 400m/s.
+ Công ty S2M của Pháp sử dụng ổ từ chủ động trong máy tiện quay siêu
chính xác, vận tốc ống kính 2000 vòng/ phút, đạt độ chính xác 0,05 TTM.
+ Tại trường đại học Tokyo Nhật Bản và tập đoàn NTN phát triển bơm máu sử
dụng ổ từ. Trục quay chính bao gồm loại ổ từ chủ động 5 bậc tự do, khả năng
chịu lực hướng tâm đưa vào là 18N, khả năng chịu lực hướng tâm đưa ra là
22N, khả năng chịu lực đẩy là 9,2N.
+ Máy bơm tuần hoàn SEP Pháp thông qua công ty S2M sử dụng ổ từ chủ
động để phát triển động cơ tên lửa với bơm tuàn hoàn oxi lỏng và Hidro
lỏng.
+ Công ty Nhật Bản NAL&MELCO và NAL&TOSHIBA sử dụng ổ từ chủ
động trong không gian để kiểm soát bánh đà.
+ Công ty đầu dò Uranit sử dụng chùm tia chính xác của Đức giới thiệu đầu dò
ba chùm hạt với bộ chuyển đổi rotor sử dụng ổ từ.
+ Hãng Siemen Đức chế tạo máy phát điện đồng bộ với ổ từ vật liệu siêu dẫn
có khả năng tải trọng 500kg, tốc độ 4500 vòng/phút; khả năng tải trọng
không đổi khi làm việc ở điều kiện nhiệt độ 60K. Nếu ban đầu vật liệu siêu
dẫn được làm mát tới 28K thì có thể làm việc trong vòng 2 giờ mà không
phải làm lạnh thêm.
+ Các máy nén khí của hãng LEVITEC có tốc độ lên tới 60000 vòng/phút,
công suất đầu ra 30kW, có khả năng ứng dụng trong các máy phát điện, hay
máy nén tốc độ cao.
___________________________________________________________________
9
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
1.3. Phân loại
Vòng bi từ có thể được phân loại theo nhiều cách:
+ Dựa theo phương pháp điều khiển: chủ động (active), thụ động (passive)
hoặc lai (hybrid).
+ Dựa theo nguồn sinh ra từ trường có thể được chia thành các nam châm vĩnh
cửu, nam châm điện.
+ Cũng có thể phân loại theo loại lực nâng: là loại hút và loại lực đẩy.
+ Dựa theo chức năng chịu tải: Loại ổ đỡ ngang trục và ổ đỡ dọc trục.
Trong các cách phân loại trên, ta quan tâm đến một số loại ổ từ điển hình
sau:
1.3.1. Ổ từ thụ động (Passive Magnetic Bearing – PMB)
Với ổ từ thụ động, ta coi như ổ đỡ chỉ được làm bằng nam châm vĩnh cửu và
vật liệu sắt từ để dẫn từ thông. Ổ từ thụ động không có thành phần đặc trưng cho
tính chủ động là cuộn dây đồng.
Ổ từ thụ động có đặc tính cố định, thiết lập bởi kích thước và thiết kế cơ khí:
khả năng tải và độ cứng được xác định bởi loại vật liệu nam châm vĩnh cửu, hình
dạng cực từ, diện tích, độ dày và cấu hình, khe hở ổ từ, và kích thước của các bộ
phận thép từ. Việc tăng độ dày của nam châm và các cấu trúc cực từ có hiệu quả để
cải thiện khả năng tải của ổ từ. Tuy nhiên, khi nam châm quá lớn thì lực nâng tạo ra
không đủ để nâng đỡ khối lượng của chính nó. Vì vậy, các thiết kế ổ từ nam châm
vĩnh cửu không thể quá lớn. PMB có ưu điểm:
- Kích thước nhỏ gọn
- Không cần bộ điều khiển
- Lực nâng cố định
- Dễ chế tạo
- Giá thành cao
___________________________________________________________________
10
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
Nhược điểm:
Đối với hệ thống nâng hoàn toàn không có điều khiển thì không thể nâng 1
vật cứng có 6 bậc tự do, vì theo định lý của Earnshaw, có ít nhất 1 bậc tự do không
ổn định. Do đó, các bậc tự do không ổn định cần phải được làm cho ổn định bằng 1
lực hay 1 nguồn gốc vật lý khác, ví dụ như ổ đỡ cơ khí, nam châm điện chủ động,
sự tương tác giữa vật liệu siêu dẫn với nam châm hoặc vật liệu nghịch từ với nam
châm. Tuy nhiên, định lý Earnshaw chỉ áp dụng cho hệ tĩnh, tức là hệ thống không
có chuyển động quay. Do đó, trạng thái ổn định quay hoặc hồi chuyển là khả thi.
Một nhược điểm nữa của ổ từ thụ động là khả năng giảm rung kém. Do đó,
việc sử dụng trong công nghiệp chỉ giới hạn trong các ứng dụng có sẵn bộ giảm
rung chấn, ví dụ vật thể bay được nhúng trong chất lỏng, sử dụng vật liệu dẫn điện,
trong đó, dòng điện xoáy được tạo ra do sự chuyển động tương đối của vật thể được
nâng, trong khung đứng yên của cấu trúc ổ đỡ thụ động.
1.3.2. Ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing – AMB)
Làm việc dựa trên nguyên tắc điều chỉnh lực từ thông qua dòng điện. Ổ từ
chủ động bao gồm nhiều bộ phận như nam châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm
biến đo khoảng cách.
Các ổ từ chủ động cho phép điều khiển hệ số cứng và hệ số tắt dần của ổ đỡ,
do đó, có thể ảnh hưởng đến trạng thái động học của đối tượng trong suốt quá trình
hoạt động.
Trong một ổ từ tích cực, chênh lệch độ tự cảm giữa bề mặt đối lập nhau của
hai khe hở không khí sẽ xác định lực Maxwell đặt lên rotor. Các lực này tỉ lệ với
bình phương của độ tự cảm. Nam châm vĩnh cửu có thể được sử dụng để tạo ra từ
thông phân cực, tăng giá trị độ tự cảm tuyệt đối. Sự thay đổi điểm làm việc sẽ làm
tăng giá trị lực có thể đạt được. Nam châm vinh cửu trong các ổ từ tích cực có thể
được sử dụng để bù lại tải tĩnh, như trọng lượng của rotor, làm giảm công suất cần
thiết của AMB.
___________________________________________________________________
11
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
Hầu hết các ứng dụng công nghiệp sử dụng lực nâng từ trường đều dựa trên
ổ từ chủ động.
AMB có đặc điểm:
- Giá thành cao
- Kích thước lớn
- Cấu trúc phức tạp
- Có đặc tính động tốt
- Lực nâng có thể điều chỉnh
- Có thể điều khiển một cách chủ động
1.3.3. Ổ từ siêu dẫn (superconducting material bearing – SMB)
Được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu và chất siêu dẫn, lực nâng được tạo
ra theo nguyên lý đẩy (hiệu ứng Meissner). Vật liệu siêu dẫn (superconducting
material) dựa trên tính chất vật liệu rất đặc biệt: độ từ thẩm tương đối µr = 0, nhận
được sự quan tâm rộng rãi của giới công nghệ. Mặc dù vẫn đang trong phạm vi
phòng thí nghiệm nhưng các ứng dụng công nghiệp có khả năng phát triển trong
tương lai không xa. Đặc tính cốt lõi của vật liệu siêu dẫn là ở nhiệt độ rất thấp, điện
trở biến mất. Một dòng điện trong vật liệu siêu dẫn sẽ tiếp tục chảy ngay cả khi
không còn bất cứ nguồn điện áp nào. Tất cả từ trường bị ép ra bên ngoài vật liệu
siêu dẫn bởi hiệu ứng Meissner, do đó, cho phép bay lơ lửng ổn định giữa các nam
châm vĩnh cửu. Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS – high temperature
superconduting) mới đây thể hiện tính chất quý giá này ở nhiệt độ của Nitơ lỏng, và
một vài vật liệu ngoại lai khác thậm chí còn ở nhiệt độ cao hơn.
Francis Charles Moon mô tả thí nghiệm sử dụng vật liệu siêu dẫn nâng một
rotor quay với vận tốc 120000 vòng/phút [4]. Nghiên cứu trên động cơ và máy phát
HTS được thực hiện khắp thế giới (Siemens). Ở khoảng nhiệt độ thấp hơn 60K, khả
năng của ổ từ được duy trì hầu như không đổi. Ban đầu ổ từ được làm lạnh xuống
___________________________________________________________________
12
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về ổ từ chủ động
28K, có thể hoạt động khoảng 2 tiếng mà không cần làm lạnh thêm. Do đó, trong
tương lai, có thể giảm rung chấn của rotor bằng cách bổ sung AMB mà không cần
trong khu vực làm lạnh. Xa hơn nữa, ổ đỡ cơ khí phụ trợ có thể rất đơn giản và chỉ
sử dụng cho mục đích bảo dưỡng.
SMB có đặc điểm:
-
Kích thước nhỏ gọn
-
Không cần bộ điều khiển
-
Lực nâng cố định
-
Làm việc ở môi trường nhiệt độ thấp
-
Giá thành cao
1.3.4. Ổ từ kiểu lai (hybrid magnetic bearing – HMB)
Nam châm vĩnh cửu trong cấu hình tĩnh không có khả năng ổn định vị trí của
một vật thể lơ lửng. Để ổn định sự nâng lên như vậy đòi hỏi phải có lực hồi chuyển
bổ sung. Ngược lại, nó có thể khá hữu ích khi áp dụng nam châm vĩnh cửu để nâng
đỡ một vật hoặc giảm tải trọng trên ổ đỡ thông thường. Do đó, nam châm vĩnh cửu
cũng có thể được tích hợp bên trong ổ từ chủ động, ví dụ như, cung cấp từ thông
phân cực (bias flux) cho đặc tính tuyến tính hóa của ổ đỡ mà không cần tiêu thụ
năng lượng.
Có vài hệ thống kết hợp ổ từ thụ động đã được xây dựng trong quá khứ. Một
ví dụ quan trọng trong công nghiệp là bơm tốc độ cao kiểu lai (hybrid
turbomolecular pumps – TMPs). Trong đó, kết hợp ổ đỡ chủ động và thụ động,
thậm chí là cả bộ giảm rung bằng cơ khí. Lý do cho sự kết hợp này là tại thời điểm
đó, chi phí cho việc nâng cả 5 trục một cách chủ động là tương đối cao. Tuy nhiên,
đến nay, chi phí cho việc hoàn toàn dùng hệ thống chủ động đã được cắt giảm
xuống mức cạnh tranh, kết quả là bơm tốc độ cao kiểu lai được thay thế bởi loại
hoàn toàn chủ động (fully active hybrid turbomolecular pumps).
___________________________________________________________________
13
