Mô hình hóa và điều khiển xe đệm từ trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

___________________________

PHẠM ĐỨC LÂN

MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN
XE ĐỆM TỪ TRƯỜNG
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2016


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS.NGÔ MẠNH DŨNG
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS.TRƢƠNG ĐÌNH NHƠN
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày tháng

năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. CHỦ TỊCH – PGS.TS HUỲNH THÁI HỒNG
2. PHẢN BIỆN 1 – TS. NGƠ MẠNH DŨNG
3. PHẢN BIỆN 2 – TS. TRƢƠNG ĐÌNH NHƠN
4. ỦY VIÊN – TS. TRƢƠNG ĐÌNH CHÂU
5. THƢ KÝ – TS TRẦN NGỌC HUY
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Page 2


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
----------- oOo ----------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên

:
Phạm Đức Lân
Sinh ngày 01 tháng 03 năm 1968
Chuyên ngành
: Tự Động Hóa
Khóa
: 2012

MSHV :12150085
Nơi sinh: Thái Bình
Mã số :605260

I.

TÊN ĐỀ TÀI : Mơ Hình Hóa Và Điều Khiển Xe Đệm Từ Trường

II.

MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN.
Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng, xây dựng mơ hình thực xe đệm từ trường

III.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu các nguyên lý làm việc của xe đệm từ.
Mơ hình hóa hệ thống xe đệm từ.
Xây dựng giải thuật điều khiển nâng xe bằng từ trƣờng.
Xây dựng giải thuật điều khiển xe chuyển động.
Mô phỏng hệ thống điều khiển.
Xây dựng mơ hình thực.

IV.

NGÀY ĐƢỢC GIAO

: Ngày 06 tháng 7 năm 2015

V.

NGÀY HOÀN THÀNH : Ngày 17 tháng 6 năm 2016

VI.

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Tp.HCM, ngày tháng năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO

PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 3


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng, đƣợc sự động viên, giúp đỡ
và hƣớng dẫn tận tình của thầy PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA
luận văn đã hồn thành với đề tài
MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN XE ĐỆM TỪ TRƢỜNG
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy hƣớng dẫn PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA đã tận tình chỉ dẫn, giúp
đỡ em đã hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau Đại Học, các giáo viên thuộc bộ môn Tự động hoá.
Khoa Điện Điện Tử - Trƣờng Đại học Bách Khoa Thành Phố HỒ CHÍ MINH
đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ quá trình nghiên cứu thực hiện
luận văn.
Xin cám ơn toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan
tâm, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tác giả luận văn

Phạm Đức Lân

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 4


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

Tóm tắt luận văn
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành tự động hóa của học viên Phạm Đức Lân,

với tiêu đề, “Mơ hình hóa và mơ phỏng xe đệm từ trƣờng”, là đề tài nghiên cứu các
nguyên lý làm việc của xe đệm từ, mơ hình hóa hệ thống xe đệm từ, xây dựng giải
thuật điều khiển nâng xe bằng từ trƣờng, xây dựng giải thuật điều khiển xe chuyển
động, mô phỏng hệ thống điều khiển, xây dựng mơ hình thực tế.
Trong luận văn có các chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ XE ĐỆM TỪ.
Chƣơng 2: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG XE ĐỆM TỪ.
Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN.
Chƣơng 4: THIẾT KẾ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
Chƣơng 5: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
Chƣơng 6: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
TRÊN MƠ HÌNH.
Với mơ hình gồm hai khối nam châm điện một chiều, đƣợc điều khiển bằng vi
xử lý, giám sát bằng cảm biến khoảng cách không tiếp xúc, nâng toàn bộ thân xe
đƣợc điều khiển nâng lên một khoảng cách tƣơng đƣơng 5mm so với đƣờng dẫn,
một động cơ Linear giúp cho xe chuyển động về hai hƣớng theo phƣơng nằm ngang
theo đƣờng dẫn.
Luận văn đã đƣợc hoàn thành đúng tiến độ đặt ra, và đã đạt đƣợc kết quả nhƣ
mong muốn, tuy nhiên vẫn còn những hạn chế nhất định về linh kiện và các vật liệu
chế tạo, kinh phí thực hiện mơ hình.
ĐHBK.TP.HCM, ngày 17 tháng 6 năm 2016
Học viên thực hiện
Phạm Đức Lân

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 5


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

THESIS SUMMARY
Magnetic

levitation

(Maglev)

is

an

innovative

transportation

technology. A high speed maglev train uses non-contact magnetic levitation,
guidance and propulsion systems and has no wheels, axles and transmission.
The replacement of mechanical components by electronics overcomes the
technical restrictions of wheel-on-rail technology. A series of analytical
models are defined, including a vehicle model, a magnetic suspension model,
a beam roughness model, and an active control model to predict the effects of
maglev vehicles on guideways.
PhD Thesis automation industry practitioner Pham Duc Lan, with the
title, "Modeling and simulation of magnetic vehicle", the researches of the
working principles of the buffer from cars, scale modeling systems from
buffer vehicle, building control algorithm using magnetic forklift,
construction algorithm vehicle motion control, control system simulation,

modeling reality
With

two-block

model

magnet

direct

current,

is

controlled

by

microprocessors, supervised by the proximity sensor is not exposed, lift the
entire body is controlled lifted a distance equivalent to 5 mm compared to the
road guide, a linear motor helps the car moves horizontally bidirectional path.
HOCHIMINH CITY UNIVERSITY OF TEACHNOLOGY
Students perform
PHAM DUC LAN

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 6

LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Đức Lân
Sinh ngày 01 tháng 03 năm 1968
Học viên lớp cao học khoá 2012
Ngành Tự động hoá - Trƣờng Bách Khoa Thành Phố HỒ CHÍ MINH.
Hiện đang công tác tại khoa Công Nghệ Điện Tử Tự Động Hóa - Trƣờng Cao Đẳng
Điện Lực Thành Phố HỒ CHÍ MINH
Tơi cam đoan: Đề tài “MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN XE ĐỆM TỪ TRƯỜNG”
do PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA hƣớng dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng
tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng và đƣợc trích
dẫn đầy đủ.
Tơi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung
trong đề cƣơng và yêu cầu của giáo viên hƣớng dẫn.
Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trƣớc hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật.

TP.HCM Ngày 20 tháng 6 năm 2016
Tác giả luận văn

Phạm Đức Lân

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 7

LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

MỤC LỤC

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................................................................10
I.

Một số quy ước ký hiệu với hệ thống nâng từ ........................................................................................... 10

II.

Một số quy ước ký hiệu với hệ thống chuyển động. .................................................................................. 11

III. Danh Mục Hình Ảnh.................................................................................................................................... 12

CHƢƠNG 1 .......................................................................................................... 15
TỔNG QUAN VỀ XE ĐỆM TỪ TRƯỜNG..............................................................................................................15
I.

XE ĐỆM TỪ [15-18] ..................................................................................................................................... 15

II.

CÁC HỆ THỐNG XE ĐỆM TỪ TRƯỜNG HIỆN ĐANG CÓ[10] ........................................................................ 16

III. NHỮNG ĐỀ XUẤT VỚI XE ĐỆM TỪ[8] ......................................................................................................... 18
IV. ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI. ............................................................................................................................. 20

CHƢƠNG 2 .......................................................................................................... 21
MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG XE ĐỆM TỪ .............................................................................................................21
I.

MƠ HÌNH HỆ THỐNG NÂNG: ...................................................................................................................... 22

II.

MƠ HÌNH HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG ............................................................................................................ 25

III. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG.......................................................................................................................... 26

CHƢƠNG 3 .......................................................................................................... 28
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................................................................28
I.

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LQR.[2] .................................................................................................................. 28

II.

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT[3] .............................................................................................................. 31

III. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG[6,7] .............................................................................................. 34

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 8


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Chƣơng 4 .............................................................................................................. 40
THIẾT KẾ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM ...................................................................................................................40
I.

THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ MẠCH ĐỘNG LỰC ...................................................................................................... 40

II.

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ................................................................................................. 42

III. THIẾT KẾ CẢM BIẾN CHO MÔ HÌNH ............................................................................................................ 44
IV. THIẾT KẾ VI MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................................................................................................... 45

Chƣơng 5 .............................................................................................................. 53
THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ....................................................................................................................53
I.

MÔ HÌNH HỆ THỐNG NÂNG BẰNG TỪ TRƯỜNG ........................................................................................ 53

II.

THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN LQR. ...................................................................................................... 57

III. THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT .................................................................................................. 59
IV. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỀN CHUYỂN ĐỘNG......................................................................................................... 61

Chƣơng 6 .............................................................................................................. 64

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................................................................................................................64
VÀ THỰC NGHIỆM VỚI MƠ HÌNH .....................................................................................................................64
V. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TRÊN MƠ HÌNH .......................................................................................................... 64
I.

KẾT QUẢ MƠ PHỎNG .................................................................................................................................. 64

II.

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TRÊN MƠ HÌNH .......................................................................................................... 77

Kết luận và đề xuất ..........................................................................................................................................81
Khuyến nghị và hướng phát triển.....................................................................................................................82

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 83

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 9


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
I. Một số quy ƣớc ký hiệu với hệ thống nâng từ
Am
Bm
µ0

N
I

h
mmf
µi
Icmax
Lc
Rm
RI
Nc
lc
a
b
h
C
Mmag
Mcar
Lcar
Wcar
Mmov
h
g
Flev

Diện tích mặt cực của nam châm điện = ab (dài nhân rộng)
Mật độ từ thông xuyên qua khe hở khơng khí
Độ từ thẩm của khơng khí
Số vòng dây quấn trong cuộn dây nam châm
Dòng điện chạy trong cuộn dây hút nam châm

Khoảng khơng cho phép
Dịng điện cho phép trong cuộn hút nam châm
Khe hở khơng khí giữa hai cuộn dây nam châm
Khe hở khơng khí giữa nam châm và đƣờng ray
Sức từ động
Mật độ từ thông của sắt từ
Giá trị dòng điện qua cuộn dây lớn nhất
Hệ số tự cảm của cuộn dây
Điện trở cuộn dây
Điện trở cảm biến dòng
Số vòng dây cuộn dây(*4)
Chiều dài cuộn dây
Chiều dài lõi thép của cuộn dây
Chiều rộng lõi thép của cuộn dây
Chiều cao lõi thép chứa cuộn dây
Hằng số lực từ
Khối lƣợng 1 bộ nam châm nâng
Khối lƣợng khung xe
Chiều dài của xe
Chiều rộng của xe
Khối lƣợng cuộn tạo chuyển động
Khoảng di chuyển khi nâng lên
Gia tốc trọng trƣờng
Lực từ nâng tác dụng lên đƣờng dẫn

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 10

LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

II. Một số quy ƣớc ký hiệu với hệ thống chuyển động.
s
r
yd,ref
d,q
α,β
a,b,c
u
i
Φ
Ψ
Te
TL
ω
ωk
ωs
ωr
θ
θs
θr
ϕs
ϕr
υ
Rs
Rr
Lm

Lσs
Lσr
P
J
mM
mW
Ls
Lr
Ts
Tr
Tsamp

Stator
Rotor
Giá trị đặt
Phần tử thuộc hệ tọa độ dq
Phần tử thuộc hệ tọa độ αβ
Đại lƣợng ba pha của stator
điện áp (V)
Dòng điện (A)
Từ thơng (Wb)
Từ thơng móc vịng
Moment điện từ (N.m)
Moment tải (N.m)
Tốc độ góc của rotor (rad/s)
Tốc độ góc của một hệ tọa độ bất kỳ
Tốc độ góc của từ thơng stator (ωs= ω+ ωsl) (rad/s)
Tốc độ góc của từ thơng rotor so với stator (ωs= ωr) (rad/s)
Góc của trục rotor (Cuộn dây pha A) trong hệ tọa αβ (rad)
Góc của trục d(hệ tọa độ quay bất kỳ) trong hệ tọa độ αβ (rad)

Góc của trục d (hệ tọa độ quay bất kỳ) so với trục rotor (rad)
Góc của từ thơng stator trong hệ tọa độ αβ (rad)
Góc của từ thơng rotor trong hệ tọa độ αβ (rad)
Góc pha giữa điện áp so với dòng điện.
Điện trở cuộn dây pha stator (Ω)
Điện trở cuộn dây pha rotor (Ω)
Hỗ cảm giữa Stator và rotor (H)
Điện cảm tản của cuộn dây stator (H)
Điện cảm tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H)
Số đơi cực từ
Mơment qn tính cơ (Kg.m2)
Mơment của động cơ
Môment tải
Điện cảm stator
Điện cảm rotor
Hằng số thời gian stator
Hằng số thời gian rotor
Chu kỳ lấy mẫu

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 11


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

III. Danh Mục Hình Ảnh
Hình 1.1: Hệ thống xe Maglev của Đức EMS (Electro Magnetic Suspension) .............16

Hình 1.2: Hệ thống xe Maglev của Nhật EDS (Electro Dynamic Suspension) .............16
Hình 1.3: Hệ thống xe Maglev của Mỹ AMT và của Anh .............................................16
Hình 1.4: Xe đệm từ (Taxi 2000) ...................................................................................18
Hình 1.5: Xe bay NASA .................................................................................................18
Hình 1.6: Maglev England ..............................................................................................18
Hình 1.7 Xe đệm từ của tƣơng lai do Wolkwagen, Citroen, Nisan đề xuất[9] ..............19
Nguồn từ “ .......20
Hình 2.1: Mơ hình hệ thống xe đệm từ [13] ...................................................................21
Hình 2.2: Mơ hình hệ thống nâng xe [17] ......................................................................22
Hình 2.3: Mối quan hệ lực nâng nam châm điện theo khoảng cách...............................24
Hình 2.4: Xe đệm từ trƣờng khơng cần dẫn hƣớng [20] ................................................25
Hình 2.5: Mơ tả các mạch điện từ của hệ lực định hƣớng ..............................................25
Hình 2.6: Mơ hình hệ thống chuyển động xe [20]..........................................................26
Hình 3.1 Sơ đồ mơ hình điều khiển trƣợt .......................................................................31
Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển động cơ điện 3 pha bằng PWM .........................................34
Hình 4.1 Thiết kế cơ khí của xe đệm từ .........................................................................40
Hình 4.2 Thiết kế hồn chỉnh của xe đệm từ ..................................................................40
Hình 4.3 Khối điều khiển trung tâm ...............................................................................41
Hình 4.4 Chi tiết cho một bộ nâng từ tính của xe đệm từ ..............................................41
Hình 4.5 Thiết kế của bộ tạo chuyển động .....................................................................41
Hình 4.6: Board cầu H ....................................................................................................42
Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cơng suất...................................................43
Hình 4.8 Mạch đệm chuyển mức tín hiệu 3.3-5.0 ..........................................................43
Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm cách ly .................................................................44
Hình 4.10 Bảng thơng số kỹ thuật của cảm biến khoảng cách[12] ................................45
Hình 4.11 Sơ đồ các khối chức năng của TMS320F28335[13] .....................................46
HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 12

LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 4.12: Sơ đồ khối của bộ PWM...............................................................................48
Hình 4.13 Khối PWM trong Matlab-simulink của DSP28335.......................................49
Hình 4.14 Sơ đồ khối của ADC ......................................................................................50
Hình 4.15 Khối ADC trong Matlab-Simulink của DSP28335 .......................................51
Hình 4.16 Khối truyền dữ liệu của DSP28335 trong Matlab_Simulink ........................51
Hình 5.1: Mơ hình vật lý cho một bộ nâng từ tính cho XE ĐỆM TỪ ...........................53
Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của xe đệm từ ....................................................................56
Hình 5.2 Sơ đồ mơ phỏng LQR ......................................................................................58
Hình 5.3 Sơ đồ mơ phỏng điều khiển trƣợt ....................................................................60
Hình 5.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển trƣợt .......................................................................62
Hình 5.6 Sơ đồ Simulink điều khiển trƣợt motor ...........................................................63
Hình 5.7 Simulink điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) ..............................................63
Hình 6.1 Sơ đồ Simulink bộ điều khiển LQR ................................................................65
Hình 6.2 Đáp ứng vị trí của bộ nâng khi điểm đặt bằng 10mm .....................................65
Hình 6.3 Đáp ứng vị tri của bộ nâng khi điểm đặt bằng 8mm .......................................66
Hình 6.4 Đáp ứng vị tri của bộ nâng khi điểm đặt bằng 5mm .......................................66
Hình 6.5 Đáp ứng vị tri của bộ nâng khi điểm đặt bằng 3mm .......................................67
Hình 6.6 Đáp ứng vị trí của bộ nâng khi điểm đặt bằng 1mm .......................................67
Hình 6.7 Sơ đồ nhúng 1 bộ điều khiển LQR ..................................................................68
Hình 6.8 Sơ đồ nhúng cho tồn bộ hệ thống nâng xe .....................................................69
Hình 6.9 Bộ biến đổi số cho vi xử lý ..............................................................................69
Hình 6.10 Sơ đồ Simulink mơ phỏng điều khiển Trƣợt .................................................70
Hình 6.11 Tín hiệu đặt cho mơ phỏng điều khiển Trƣợt ................................................70
Hình 6.12 Kết quả vị trí và tốc độ bằng mơ phỏng điều khiển Trƣợt ............................70
Hình 6.13 Giá trị điện áp và dịng điện qua mơ phỏng điều khiển Trƣợt.......................70

Hình 6.14 Kết quả thu đƣợc với mặt trƣợt .....................................................................71
Hình 6.15 Sơ đồ nhúng 1 bộ nâng ..................................................................................72
Hình 6.16 Sơ đồ nhúng 2 bộ nâng ..................................................................................72
Hình 6.17 Sơ đồ Simulink điều khiển trƣợt motor .........................................................73
HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 13


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 6.18 Kết quả các giá trị khi mô phỏng với điều khiển trƣợt ..................................73
Hình 6.19 Kết quả vị trí mặt trƣợt khi mơ phỏng với giá trị danh định .........................74
Hình 6.20 Kết quả thu đƣợc khi thay đổi moment .........................................................75
Hình 6.21 Kết quả thu đƣợc khi mơ phỏng ....................................................................76
Hình 6.22 Sơ đồ nhúng linear motor theo phƣơng pháp FOC .......................................77
Hình 6.23 Kết quả thực tế với mơ hình khi điểm đặt ở 1 mm ........................................77
Hình 6.24 Kết quả thực tế với mơ hình khi điểm đặt ở 5 mm ........................................78
Hình 6.25 Kết quả thực tế với mơ hình khi điểm đặt ở 8 mm ........................................78
Hình 6.26 Kết quả thực tế với mơ hình khi điểm đặt ở 5 mm ........................................79

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 14


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ XE ĐỆM TỪ TRƢỜNG
I. XE ĐỆM TỪ [15-18]
Xe Đệm Từ hay còn gọi là xe Đệm Từ Trƣờng, là phƣơng tiện giao thơng mới
và hiện đại. Nó có những đặc điểm nổi bật nhƣ sau:
I.1. Tốc độ:

Khả năng vận chuyển an toàn ở tốc độ cao lên đến 500 km/h (hoặc cao hơn)
và xấp xỉ gấp bốn lần tốc độ tối đa cho phép ở các đƣờng cao tốc trên thế giới (trên
100 km/h). Hệ thống xe đệm từ trƣờng rất tiện lợi cho việc giao thông vận chuyển
giữa các thành phố.
I.2. Mức độ an toàn:

Dù di chuyển với tốc độ cao, nhƣng lại rất an toàn khi so sánh với các loại
hình vận tải khác. Do khi hoạt động xe luôn nâng và giữ ổn định bằng các lực điện
từ, nên ít có khả năng trật đƣờng ray. Việc nâng xe lên khỏi đƣờng ray ở một
khoảng cách nhất định, đảm bảo khi di chuyển sẽ không va chạm với các chƣớng
ngại vật trên đƣờng ray. Hầu nhƣ khơng có việc đụng nhau do sử dụng đƣờng dẫn
riêng và hành khách khơng phải cài dây an tồn.
I.3. Hạn chế ơ nhiễm cho mơi trƣờng:

Khi xe di chuyển nó khơng xả khí vào mơi trƣờng nhƣ máy bay, ơ tơ, gần nhƣ
khơng có tiếng ồn.
I.4. Tiêu thụ năng lƣợng ít:

Do khơng thất thốt năng lƣợng do ma sát, trọng lƣợng xe nhẹ do hạn chế các
thành phần cơ khí nên tiêu thụ năng lƣợng rất ít, ngồi ra xe còn sử dụng năng

lƣợng điện. …
HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 15


LUẬN VĂN CAO HỌC
II.

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

CÁC HỆ THỐNG XE ĐỆM TỪ TRƢỜNG HIỆN ĐANG CĨ[10]

Hình 1.1: Hệ thống xe Maglev của Đức EMS (Electro Magnetic Suspension)

Hình 1.2: Hệ thống xe Maglev của Nhật EDS (Electro Dynamic Suspension)

Hình 1.3: Hệ thống xe Maglev của Mỹ AMT và của Anh
Mặc dù đƣợc nghiên cứu từ thế kỷ 19 nhƣng đến năm 1969 ở Đức mới thiết kế
mơ hình hồn thiện về xe đệm từ trƣờng và tiếp sau đó là Nhật, Mỹ, Anh, và gần
đây là Trung Quốc, Brazin, và các nƣớc khác.
Hai hệ thống xe đệm từ trƣờng EDS, EMS có nguyên tắc hoạt động khác
nhau:

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 16


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Hệ EDS hiện đang hoạt động tại nhật, sử dụng nam châm siêu dẫn có khoảng
cách nâng lên từ 10 đến 15 cm khi di chuyển nhƣng vẫn sử dụng bánh xe khi vào ga
hay dừng lại, loại tàu này chỉ đƣợc nâng lên khi chuyển động tới vận tốc nhất định,
năng lƣợng sử dụng bao gồm cung cấp cho tàu và cung cấp cho đƣờng dẫn, lực
nâng của tàu là lực đẩy cùng cực tính của các nam châm siêu dẫn[11] .
Hệ EMS do Đức chế tạo, có khoảng cách nâng tối đa 10 mm và ln duy trì
khoảng nâng khi hoạt động, di chuyển.
Sau đây là các mốc thời gian phát triển tại hai quốc gia hàng đầu.
Germany
Transrapid 01 1969- Built by Krauss-Maffei, first practical EMS levitation vehicle
Transrapid 02 1971- Operated by K-M on a .93km track with EMS, max speed 164km/h
Transrapid 03 1972- Operated by K-M on .93km track, max speed 140km/h
Transrapid 04 1973- Operated by K-M on a 2.4km track, EMS support
HMB1 1975- First vehicle with long armature LSM and EMS by T-H
HMB2 1976- First passenger-carrying vehicle by Thyssen-Henshel
Transrapid 05 1979- Emsland Test Facility started; Carried passengers up to 75km/h
Transrapid 06 1983/4- First 21.5 km of Emsland opened; 302km/h achieved
Transrapid 07 1993- Achieves speed of 450 km/h
Transrapid 08 1999- Current system; Is the only COTS system available today.
Japan
1972- Experimental superconducting maglev test vehicle ML-100 succeeded in 10 cm
levitation.
1977- Test run of ML-500 vehicle on inverted-T guideway
1979- Unmanned ML-500 test vehicle achieved speed record of 517 km/h (321 mph)
1980- Test run of MLU001 vehicle of U-shaped guideway
1987- Speed of 400.8 km/h (249 mph) ahieved by 2-car manned vehicle
1990- Yamanashi Maglev Test Line construction plan approved

1996- 18.4km section of YMTL completed; MLX01 (3 cars) delivered
1997- Tests of MLX01 started. Speed record of 550 km/h (342 mph) on 12/24/97
1999- New speed record of 552 km/h (343 mph) in TMTL

“Nguồn tài liệu từ Internet HTTP://MAGLEV.IR”
HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 17


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

III. NHỮNG ĐỀ XUẤT VỚI XE ĐỆM TỪ[8]
Năm 2006 New Zealand và Sweden đề xuất loại Maglev taxi cho 4 ngƣời, vận
tốc di chuyển là 100 km/h và tối đa là 300km/h

Hình 1.4: Xe đệm từ (Taxi 2000)
Năm 2009 NASA giới thiệu trên Internet loại xe (the creators of flying car)
với vận tốc tƣơng đƣơng 150 mph nhƣ hình sau[8]:

Hình 1.5: Xe bay NASA
Thế hệ xe vận chuyển hành khách tới sân bay của Anh

Hình 1.6: Maglev England
HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 18

LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 1.7 Xe đệm từ của tƣơng lai do Wolkwagen, Citroen, Nisan đề xuất[9]
Ngồi ra cịn có một số nƣớc khác đang nghiên cứu và phát triển hệ thống xe
và xe đệm từ trƣờng cho giao thông công cộng nhƣ Hà Lan, Anh, Korea…
Trƣờng đại học bang Georgia Mỹ đang cho hoạt động mơ hình thử nghiệm xe
đệm từ AMT. M3, ở Old Dominion University in Norfolk Virginia [10], hiện đang
thử nghiệm mô hình Magnemotion trong nhà với chiều dài 48 m.

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 19


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

IV. ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI.
TP Hồ Chí Minh chiếm 8% dân số cả nƣớc nhƣng lƣợng xe máy lại chiếm đến
15% lƣợng xe máy cả nƣớc. Trong thời điểm hiện nay, việc phát triển các loại hình
vận tải chở nhiều hành khách mà vẫn bảo đảm các yếu tố về môi trƣờng, diện tích
chiếm dụng nhỏ sẽ là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông.
Mục tiêu của hệ thống giao thông công cộng là vào giai đoạn cuối năm 2020 sẽ giúp
TP Hồ Chí Minh giảm một nửa lƣợng xe gắn máy lƣu thông trên đƣờng. Viện
trƣởng Viện Quy hoạch và Quản lý GTVT (Trƣờng đại học GTVT Hà Nội) TS.
Khuất Việt Hùng phân tích, metro và các tuyến xe điện đƣợc xem là 'xƣơng sống'

của giao thơng cơng cộng của TP Hồ Chí Minh trong tƣơng lai, đáp ứng nhu cầu đi
lại của ngƣời dân. Các dự án này sẽ giảm đƣợc tình trạng ùn tắc giao thông kéo dài.
Giá trị sử dụng đất tại khu vực chung quanh nhà ga sẽ tăng lên nhờ các dịch vụ khác
phát triển. Ðiều này cũng sẽ kéo theo cơ hội tạo việc làm cho nhiều lao động. Metro
và các tuyến xe điện khi vận hành đều sử dụng điện nên hiển nhiên sẽ giảm thấp
nhất tác động của khí thải, khói bụi... tới mơi trƣờng sống của ngƣời dân.
Việc tiếp cận các công nghệ mới về phƣơng tiện vận tải hiện đại cũng sẽ
giúp ngành công nghiệp chế tạo của Việt Nam phát triển.Tại các thành phố lớn của
nƣớc ta đang có nhu cầu xây dựng hệ thống giao thơng cơng cộng để giải quyết tình
trạng quá tải, do đó nhu cầu xây dựng hệ thống là có thật và lợi ích mà hệ thống
đem lại là rất lớn.
Nguồn từ “ />
HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 20


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

CHƯƠNG 2

MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG XE ĐỆM TỪ

Hình 2.1: Mơ hình hệ thống xe đệm từ [13]

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 21

LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

I. MƠ HÌNH HỆ THỐNG NÂNG:

Hình 2.2: Mơ hình hệ thống nâng xe [17]
Hệ phƣơng trình lực nâng:
Lực nâng

nâng xe lên và giữ cách đƣờng ray một khỏang không gian h.

đƣợc điều khiển bởi giá trị dịng điện một chiều I.
Phương trình mơ tả

là một hàm của I theo chiều dọc khe hở h

Ta có :

 h
(2.1)

Với

Với

:

:

(

(

)

(

)
)

(2.2)
(2.3)

Trong đó:
o Am Diện tích mặt cực của nam châm điện = ab (dài nhân rộng)
o Bm= Mật độ từ thơng xun qua khe hở khơng khí
o µ0= Độ từ thẩm của khơng khí
Theo Meisenholde and Wang (1972, and p37) [13]
HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 22


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

Ta có biểu thức lực nâng
(

o
o
o
o

)

*

(

)+

(2.4)

h
: Khe hở khơng khí giữa nam châm và đƣờng ray
mmf : Sức từ động
µi : Hệ số từ thẩm của sắt từ
w,g,a,b : Thơng số kích thƣớc của mạch từ (theo hình 2.2)

Lực nâng tác động theo hƣớng đi lên, cƣờng độ từ thông đƣợc giới hạn tại giá
trị lớn nhất (bão hoà từ) của vật liệu sắt từ vì vậy cũng đƣợc giới hạn.

𝑚𝑚

𝑁𝐼

𝑗

(2.5)

o N : Số vòng dây quấn trong cuộn dây nam châm
o I : Dòng điện chạy trong cuộn dây hút nam châm
o
Khoảng khơng cho phép
o
: Dịng điện cho phép trong cuộn hút nam châm
o
: Khe hở khơng khí giữa hai cuộn dây nam chõm
Vi :

à0=4ì10-7 henry/meter, Bsat(giỏ tr mt t thụng của sắt từ khi ở

ngưỡng bão hịa), h>>(µ0/µi)(w+g+2a)
Khi đó cơng thức (2.4) sẽ là

(𝑚𝑚 )

(2.6)

Biểu thức (2.6) trên đã đƣợc Nagurka and Wang (1995) áp dụng với nam
châm điện có cỏc thụng s nh sau:
à0=4ì10-7 henry/meter, a=5 cm, b=10cm, = 4,67×108amp.
Và có kết quả tổng hợp nhƣ (hình 2.3) sau đây.

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 23


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 2.3: Mối quan hệ lực nâng nam châm điện theo khoảng cách
Mỗi bộ nâng bao gồm hai phần, một phần có nhiệm vụ cung cấp lực nâng cân
bằng với trọng lƣợng của xe giữ cho xe ổn định tại vị trí quy định [19], phần còn lại
đƣợc điều khiển bằng điện áp có nhiệm vụ giữ cho xe khơng trƣợt ra ngồi điểm
quy định(bộ giữ), với xe đệm từ trƣờng có từ hai bộ nâng trở lên nên việc điều
khiển các bộ nâng coi nhƣ nhau.
Khi hoạt động bộ nâng luôn hoạt động để giữ cho xe có đƣợc vị trí thích hợp
trên đƣơng dẫn, bộ giữ chỉ hoạt động khi xe lệch khỏi vị trí quy định trên đƣờng
dẫn.

(𝑁 𝐼

𝑁 )

(2.7)

o Nm : Số nam châm cho một bộ nâng
o Nc : Số vòng của nam châm cung cấp lực nâng
o Nt : Số vòng của nam châm cung cấp lực giữ.

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 24


LUẬN VĂN CAO HỌC

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

II. MƠ HÌNH HỆ THỐNG DẪN HƢỚNG
Hệ thống dẫn hƣớng có thể có hay khơng cần cịn tùy theo cách bố trí các nam
châm nâng (Hình 2.4), kết cấu xe đệm từ trƣờng khơng dẫn hƣớng

Hình 2.4: Xe đệm từ trƣờng khơng cần dẫn hƣớng [20]
II.1. MƠ HÌNH LỰC HAI BÊN THÂN XE

Mơ hình sử dụng cho hệ thống có dẫn hƣớng, Xe gồm có hai mạch từ, mỗi
mạch đƣợc điều khiển bởi các dịng điện một chiều khác nhau ở mỗi phía sƣờn xe
giữ xe đi chính giữa đƣờng ray theo hƣớng chuyển động đã định trƣớc. Hình 2.5 mơ
tả các thành phần mạch điện từ các hệ lực định hƣớng gồm:
− Fleft_guid

là lực phía bên trái của thân xe.

− Fright_guid

là lực phía bên phải của thân xe.

Do lực định hƣớng tác dụng lên xe cân bằng =0, do vậy lực từ hai sƣờn xe đối
xứng nhau qua đƣờng dẫn |Fleft_guid|=|Fright_guid|

Hình 2.5: Mô tả các mạch điện từ của hệ lực định hƣớng

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085

Page 25