Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển cho ổ từ chủ động 4 cực

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HOÀNG VÕ TÙNG LÂM
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG 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
Tơi xin cam đoan tồn 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 tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2015

Người thực hiện

Hoàng Võ Tùng Lâm

___________________________________________________________________
i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

i
ii
v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

ix
x

MỞ ĐẦU
1. Khái quát chung

1
1

2. Tính cấp thiết của đề tài
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2
3

4. Phương pháp nghiên cứu
5. Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết
6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
7. Bố cục của luận văn

3
3
4
4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG
1.1. Khái niệm về ổ từ

5
5
5

1.2. Phân loại
1.2.1. Ổ từ thụ động (Passive Magnetic Bearing – PMB)
1.2.2. Ổ từ siêu dẫn (superconducting material bearing – SMB)

7
7
8

1.2.3. Ổ từ kiểu lai (hybrid magnetic bearing – HMB)

1.2.4. Ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing – AMB)
1.3. Ổ từ chủ động
1.3.1. Cấu tạo và phân loại
1.3.2. Nguyên lý nâng sử dụng lực từ
1.3.3. Đặc tính của ổ từ chủ động

8
9
10
10
11
12

1.4. Ứng dụng
1.4.1. Ứng dụng đòi hỏi vô trùng
1.4.2. Ứng dụng yêu cầu tốc độ cao
1.4.3. Ứng dụng trong môi trường làm việc khắc nghiệt
1.4.4. Ứng dụng địi hỏi ma sát nhỏ

12
13
13
15
16

Chương 2
MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 CỰC

17
17

___________________________________________________________________
ii


2.1. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
2.1.1. Giả thiết đơn giản hóa
2.1.2. Mạch từ đơn giản
2.1.3. Độ tự cảm
2.1.4. Mật độ từ thông

17
17
18
20
22

2.1.5. Năng lượng từ trường và lực từ
2.2. Hệ truyền động vi sai
2.2.1. Mô tả tốn học

22
24
25

2.2.2. Sơ đồ khối
2.3. Mơ hình hai ổ từ chủ động bốn cực gắn với trục nâng

26
27

2.3.1. Mơ hình một ổ từ gắn với trục nâng
2.3.2. Mơ hình hai ổ từ gắn với trục nâng
Chương 3
TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 CỰC
3.1. Tổng hợp các bộ điều khiển của ổ từ theo một phương
3.1.1. Mơ tả tốn học các khâu trong mơ hình điều khiển

28
31
36
36
37
38

a. Bộ khuếch đại cơng suất

38

b. Khâu đo dịng điện - phản hồi dịng

38

c. Khâu đo vị trí - phản hồi vị trí

38

3.1.2. Tổng hợp mạch vịng dịng điện
40
3.1.3. Tổng hợp mạch vịng vị trí

41
3.2. Tổng hợp hệ điều khiển hệ hai ổ từ 4 cực
43
3.3. Tổng hợp bộ điều khiển bù tác động xen kênh do hiệu ứng con quay hồi
chuyển
45
Chương 4

47

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 CỰC
4.1. Sơ đồ mô phỏng
4.2. Kết quả mơ phỏng
4.2.1. Q trình khởi động

47
48
52
52

a. Q trình nâng trục từ vị trí ban đầu

52

b. Chịu tác động của ngoại lực

54

___________________________________________________________________
iii

c. Đáp ứng dòng điện

56

4.2.2. Ảnh hưởng của hiệu ứng con quay hồi chuyển trong quá trình làm việc
của hệ thống

57

a, Vị trí và góc nghiêng tại tâm của trục rotor

57

b,So sánh đáp ứng vị trí tại hai ổ trục trong trường hợp xét và không xét đến
tác động xen kênh do hiệu ứng con quay hồi chuyển
58
4.3. Kết luận

60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
2. Kiến nghị

61
61
62

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

63
65

___________________________________________________________________
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 khơng khí

µr

Độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ

B

Mật độ từ thong

B0

Mật độ từ thông danh định

Ba

Mật độ từ thơng trong khe hở khơng khí

Ψ

Từ thong

Ψfe

Từ thơng trong lõi thép

Ψa

Từ thơng trong khe hở khơng khí

λ

Từ thơng móc vịng của cuộn dây

L

Điện cảm

L0

Điện cảm riêng danh nghĩa

Wa

Năng lượng từ trường tích lũy trong khe hở khơng khí

Va

Thể tích khe hở khơng khí

Sfe

Tiết diện mặt cắt ngang của vật liệu sắt từ

Sa

Tiết diện măt cắt trong khe hở khơng khí

l

Chiều dày lõi thép hình C

w

Chiều rộng lõi thép hình C

lC

Chiều dài đường từ thơng trong lõi thép hình C

lI

Chiều dài đường từ thơng trong lõi thép hình I

g

Khe hở khơng 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 khơng 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 khơng 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 dịng điện xốy

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, dịng 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 dịng điện

x*, i*

Giá trị đặt của vị trí, dịng 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. Vịng 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

10

Hình 1.4. Cấu trúc AMB một bậc tự do

11

Hình 1.5. Bơm máu trong tim nhân tạo

13

Hình 1.6. Bơm tuabin

14

Hình 1.7. Máy nén dạng ống

14

Hình 1.8. Máy phát tuabin khí dùng ổ từ

15

Hình 1.9. Bơm làm mát khí hóa lỏng

15

Hình 1.10. Tủ điện UPS của máy phát điện sử dụng ổ từ

16

Hình 2.1. Mạch từ l i thép

18

Hình 2.2. Mạch từ hố tương đương

19

Hình 2.3. Sơ đồ khối cấu trúc ổ từ một phương

27

Hình 2.4. Sơ đồ khối rút gọn của ổ từ một phương

27

Hình 2.5. Định nghĩa các hệ tọa độ cho ổ từ

28

Hình 2.6. Hệ tọa độ: a. Hệ trục tọa độ, b. Góc nhìn theo phương y , c. Góc nhìn theo

phương x

29

Hình 2.7. a. Hệ trục tọa độ; b. Chuyển động tịnh tiến; c. Chuyển động nghiêng

31

Hình 2.8. Mơ hình chuyển hệ tọa độ dịng điện

33

Hình 2.9. Mơ hình ổ từ đã được tách kênh theo hệ trục tịnh tiến và nghiêng

35

Hình 3.1. Mơ hình hệ thống điều khiển ổ từ 1 phương

37

Hình 3.2. Cảm biến vị trí LS 500

39

Hình 3.3. Mơ hình mạch vịng dịng điện có xét tới ảnh hưởng của vận tốc dịch
chuyển vị trí

40

Hình 3.4. Mơ hình mạch vịng dịng điện của ổ từ theo một phương

40

Hình 3.5. Mơ hình mạch vịng vị trí của ổ từ 1 phương

42

Hình 3.6. Mạch vịng điều chỉnh vị trí theo trục tịnh tiến theo xp và yp

43

Hình 3.7. Mạch vịng điều chỉnh vị trí theo trục nghiêng xr và yr

44

___________________________________________________________________
x


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 3.8. Sơ đồ khối bộ điều khiển tổng

44

Hình 3.9. Sơ đồ khối bù tác động xen kênh do hiệu ứng con quay hồi chuyển

45

Hình 4.1. Mơ hình khâu điều khiển vị trí

48

Hình 4.2. Mơ hình khâu điều khiển dịng điện

49

Hình 4.3. Mơ hình khối khuếch đại công suất và cuộn dây nam châm điện

49

Hình 4.4. Mơ hình ổ từ

50

Hình 4.5. Mơ hình khâu chuyển hệ trục tọa độ

50

Hình 4.6. Khối chuyển ngược hệ trục toạ độ

51

Hình 4.7. Sơ đồ hệ thống hai ổ trục từ nối với trục nâng

51

Hình 4.8. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 1 theo phương x và phương y

52

Hình 4.9. Đáp ứng dịch chuyển của ổ từ 2 theo phương x và phương y

53

Hình 4.10. Quỹ đạo chuyển động của rotor : a, Ổ từ 1 , b. Ổ từ 2

53

Hình 4.11. Đáp ứng vị trí của ổ trục 1 theo phương x và y

54

khi chịu tác động của ngoại lực

54

Hình 4.12. Đáp ứng vị trí của ổ trục 2 lực theo phương x và y

55

khi chịu tác động của ngoại lực

55

Hình 4.13. Quỹ đạo chuyển động của rotor: a. Ổ từ 1, b. Ổ từ 2

55

Hình 4.14. Dòng điện điều khiển của ổ từ 1 theo phương x

56

Hình 4.15.Dịng điện điều khiển của ổ từ 1 theo phương y

56

Hình 4.16. Dịng điện điều khiển của ổ từ 2 theo phương x

56

Hình 4.17. Dịng điện điều khiển của ổ từ 2 theo phương y

56

Hình 4.18. Đáp ứng vị trí tâm của rotor theo phương x

57

Hình 4.19. Đáp ứng óc nghiêng θx tại tâm rotor

58

Hình 4.20. Đáp ứng vị trí tâm rotor theo phương y

58

Hình 4.21. Đáp ứng góc nghiêng θy tại tâm rotor

58

Hình 4.22. So sánh đáp ứng vị trí ổ trục 1 theo phương x

59

Hình 4.23. So sánh đáp ứng vị trí ổ trục 1 theo phương y

59

Hình 4.24. So sánh đáp ứng vị trí ổ trục 2 theo phương x

59

Hình 4.25. So sánh đáp ứng vị trí ổ trục 2 theo phương y

59

___________________________________________________________________
xi


Mở đầu

MỞ ĐẦU
1. Khái quát chung
Trong các hệ điều khiển chuyển động, các ổ trục giúp cho các trục có thể
thực hiện chuyển động quay hoặc tịnh tiến một cách dễ dàng nhờ giảm thiểu được
ma sát. Thực tế ổ trục rất đa dạng, nhưng có thể chia làm hai loại là có tiếp xúc và
khơng có tiếp xúc. Loại có tiếp xúc thường gặp là các loại vịng bi cơ khí, ổ trượt cơ
khí..., ngồi chức năng đỡ cho các trục chuyển động quay hoặc tịnh tiến thì nó cịn

có chức năng chặn chuyển động theo chiều dọc trục. Loại khơng có tiếp xúc đó là
các loại ổ bi từ (giọi tắt là ổ đỡ từ, sử dụng lực nâng của từ trường để trục hoặc bộ
phận chuyển động thực hiện chuyển động quay hay tịnh tiến mà không có tiếp xúc
giữa phần tĩnh và phần động), ổ đỡ từ chỉ có chức năng đỡ trục (ổ đỡ từ hướng tâm),
muốn thêm chức năng chặn thì phải kết hợp thêm một loại ổ đỡ từ dọc trục.
Do khơng có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cho
nên các ổ đỡ từ đã có ứng dụng quan trọng và hiệu quả trong các thiết bị máy có
trục quay với tốc độ cao , địi hỏi độ chính xác lớn, làm việc trong các mơi trường
khơng dùng được chất bôi trơn (nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp).
Nghiên cứu về ổ đỡ từ hiện nay đang tập trung chủ yếu vào bốn hướng như
sau:
(1)

.

Nghiên cứu ứng dụng ổ đỡ từ trong các máy công nghiệp và dụng cụ

y sinh học.
(2)

.

Nghiên cứu thu gọn kích thước của ổ đỡ từ.

(3)

.

Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt như chân không,

nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp,...
(4)

.

Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển cho ổ đỡ từ.

Nội dung luận án này sẽ định hướng nghiên cứu theo hướng thứ 4.

___________________________________________________________________
1


Mở đầu

Những bộ điều khiển hiện đại 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 cịn thấp do tính phi tuyến và xen
kênh của ổ từ nhưng các bộ điều khiển PID vẫn đang được ứng dụng rộng rãi, đặc
biệt trong các ứng dụng cơng 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. Xây dựng mô hình tốn 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 động bốn

cực.
4. Khảo sát chất lượng hệ điều khiển cho ổ từ chủ động bốn cực bằng mơ

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 mơi 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.
___________________________________________________________________
2


Mở đầu

Song song với việc phát triển phần cứng, các thuật toán điều khiển cho ổ từ cũng
được nâng cao, hồn thiện. Các thuật tốn 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
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, làm việc với tốc độ cao.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong việc xây dựng mơ tả tốn 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 tác động xen kênh để tổng hợp bộ điều khiển PID có điều khiển
tách kênh.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Dựa trên các định luật về cơ, điện và từ để tính tốn động lực học cho một hệ

ổ từ chủ động 4 bậc tự do.
- Nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống bằng phần mềm matlab simulink.

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 mơ hình tốn học cho ổ từ chủ động 4 cực.

-

Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển mạch vịng 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.

___________________________________________________________________
3

Mở đầu

-

Mô phỏng kiểm nghiệm bằng phần mềm matlab - Simulink.

6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu về ổ đỡ từ là vấn đề mới ở Việt Nam. Các cơng trình nghiên cứu
liên quan đến nội dung này kể từ năm 2009 trở về trước ở trong nước, chưa có cơng
bố nào trong các tạp chí chuyên ngành. 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, 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 u cầu đặc biệt (tốc độ cao, mơi 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. 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
mơ hình tốn 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 bằng phần mềm matlab – simulink
Kết luận và kiến nghị.

___________________________________________________________________
4


Mở đầu

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG
1.1. Khái niệm về ổ từ
Như chúng ta đã biết, tất cả các động cơ đều cần phải có một hệ thống ổ đỡ trục.
Hệ thống này có tác dụng nâng đỡ trục động cơ và rotor, giúp rotor quay trơn trong stator.
Các ổ đỡ cơ khí sử dụng kết cấu kiểu vịng bi có chức năng thực hiện nhiệm vụ.

Hình 1.1. Vịng bi cơ khí
Mặc dù các vịng bi cơ được sử dụng rộng rãi trong việc nâng các vật chuyển động,
tuy nhiên, chúng vẫn còn tồn tại một vài nhược điểm gây ra bởi chuyển động tiếp xúc và
chất bôi trơn. Do đó, trong q trình làm việc vịng bi cơ cần được thường xuyên bảo
dưỡng hoặc thay mới. Trong một số ứng dụng việc bảo dưỡng vòng bi cơ có thể rất khó
khăn hoặc địi hỏi chi phí rất cao và cơng nhân chun nghiệp. Ví dụ: các vịng bị cơ có
thể trở thành vấn đề khó khăn chính trong các hệ truyền động làm việc ngồi khơng gian,
hoặc các mơi trường khắc nghiệt với các chất phóng xạ hoặc chất độc. Thêm vào đó, dầu
bơi trơn cho vịng bi cơ không thể được sử dụng trong môi trường chân khơng cao, trong
các mơi trường có nhiệt độ cực cao hoặc cực thấp hoặc cả trong các môi trường u cầu
độ sạch cao. Ngồi ra, dầu bơi trơn cũng cịn là tác nhân chủ yếu gây ra ơ nhiễm mơi
trường. 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. Các vòng bi cơ sẽ được

___________________________________________________________________
5

Mở đầu

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. ô từ sử dụng lực từ để nâng ổn định trục động cơ do vậy sẽ cho phép động cơ
hoạt động mà khơng có ma sát hay sự bào mịn về mặt vật lý do đó động cơ có thể hoạt
động ở tốc độ rất lớn mà không cần phải tra thêm dầu mỡ bôi trơn. Như vậy, việc sử dụng
các ổ từ cho động cơ điện, giúp động cơ có thể hoạt động trong các mơi 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
Ổ từ có khả năng nâng khơng tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ
trường. Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc với nhau, cho nên ổ từ đang được
coi là một ngành công nghệ có thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công
nghiệp chế tạo và sản xuất nhờ những ưu điểm nổi bật mà vịng bi cơ khơng có được như:
Khơng gây ra hao mịn và ma sát cho vật được nâng do khơng có sự tiếp xúc giữa

-

ổ từ và vật nâng.
-

Không sử dụng chất bôi trơn nên sẽ đảm bảo được môi trường làm việc sạch.

-

Cho phép làm việc ở tốc độ rất cao và trong các môi trường rất khắc nghiệt như:

môi trường chân không, môi trường có phóng xạ nguy hiểm, mơi trường rất nóng hoặc rất
lạnh...
-

Cho phép giám sát được trạng thái làm việc của ổ từ thơng qua việc tích hợp chức

năng vào bộ điều khiển của ổ từ.

___________________________________________________________________
6


Mở đầu

Ổ từ thực sự là một sản phẩm cơ điện tử thông minh và là một sản phẩm nền cho
nhiều ngành công nghiệp khác. Nghiên cứu về ổ từ đã và đang được đẩy mạch ở nhiều
nước phát triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Đức, Trung Quốc, Hàn Quốc,. và thu hút được sự
quan tâm của rất nhiều hãng sản xuất vòng bi lớn. Các sản phẩm ổ từ đã bước đầu được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như máy cơng cụ, máy nén cao tốc, máy phát tuabin khí
cao tốc và các thiết bị y tế.
1.2. Phân loại
1.2.1. 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 thơng. Ổ từ thụ động khơng 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: 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 khơng thể q lớn. PMB
có ưu điểm:
- Kích thước nhỏ gọn
- Khơng cần bộ điều khiển
- Lực nâng cố định
- Dễ chế tạo
- Giá thành cao
Nhược điểm:
Nhược điểm của ổ từ thụ động là khả năng giảm rung kém. Do đó, việc sử dụng
trong cơng nghiệp chỉ giới hạn trong các ứng dụng có sẵn bộ giảm rung chấn.

___________________________________________________________________
7


Mở đầu

1.2.2. 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. Vật liệu siêu dẫn 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 cơng nghệ. Mặc dù vẫn đang
trong phạm vi phịng thí nghiệm nhưng các ứng dụng cơng nghiệp có khả năng phát triển
trong tương lai khơng 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 khơng
cịn 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 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 cịn ở nhiệt độ cao hơn.

SMB có đặc điểm:
-

Kích thước nhỏ gọn

-

Khơng cần bộ điều khiển

-

Lực nâng cố định

-

Làm việc ở môi trường nhiệt độ thấp

-

Giá thành cao

1.2.3. Ổ từ kiểu lai (hybrid magnetic bearing – HMB)
Nam châm vĩnh cửu trong cấu hình tĩnh khơng có khả năng ổn định vị trí của một
vật thể lơ lửng. Để ổn định sự nâng lên như vậy địi 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 thơng 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 thơng phân cực (bias flux) cho
đặc tính tuyến tính hóa của ổ đỡ mà khơng 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

___________________________________________________________________
8


Mở đầu

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 hồn tồn 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).
1.2.4. Ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing – AMB)
Làm việc dựa trên nguyên tắc điều chỉnh lực từ thơng qua dịng 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 q trình hoạt
động.
Trong một ổ từ tích cực, chênh lệch độ tự cảm giữa bề mặt đối lập nhau của hai
khe hở khơng 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.
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

___________________________________________________________________
9


Mở đầu

Ta thấy, loại ổ từ chủ động có ưu điểm đặc biệt là động học rotor có thể được điều
khiển một cách chủ động thông qua ổ đỡ. Kết quả là, những tính chất trên cho phép các
thiết kế mới, tốc độ cao với khả năng giảm rung một cách chủ động, mật độ cơng suất
lớn, khơng có hao mịn cơ học, ít bảo trì và do đó, chi phí thấp.
=>

Đây là loại ổ đỡ được đề cập nghiên cứu trong luận án. Đặc điểm của ổ từ chủ

động sẽ được xem xét cụ thể hơn ở phần tiếp theo.
1.3. Ổ từ chủ động
1.3.1. Cấu tạo và phân loại
Ổ từ chủ động gồm hai bộ phận là rotor và stator. Rotor của ổ từ thường được gắn
trực tiếp vào trục cần nâng, cịn stator thì gồm nhiều nam châm điện được bố trí theo
nhiều phương pháp khác nhau, nhưng chủ yếu tập trung vào ba loại chính: loại ổ từ chủ
động ba cực, loại ổ từ chủ động bốn cực và loại ổ từ chủ động tám cực (Hình 1.3).

(a)

(b)
(c)
Hình 1.3. Các loại ổ từ: a. 3 cực, b. 4 cực, c. 8 cực
- Loại ổ từ chủ động ba cực có ưu điểm là nhỏ gọn, dễ chế tạo và số lượng bộ

khuếch đại cơng suất ít. Tuy nhiên, lực nâng có phân bố khơng đối xứng, khó thực hiện
việc tách kênh và có tính phi tuyến rất mạnh, vì vậy việc đảm bảo ổ từ chủ động ba cực
làm việc ổn định là rất khó khăn và thường đòi hỏi hệ điều khiển phức tạp.
- Loại ổ từ chủ động tám cực có phân bố lực nâng đối xứng và dễ dàng thực hiện

điều khiển tách kênh nhưng lại có quá nhiều cực dẫn tới số lượng bộ khuếch đại công
suất và tổn hao trong ổ từ cũng tăng.

___________________________________________________________________
10


Mở đầu
- Loại ổ từ chủ động bốn cực dung hòa cả hai yêu cầu trên và đang được đẩy mạnh

nghiên cứu và hiện đang thu hút sự chú ý của nhiều hãng sản xuất. Đây cũng là đối tượng
nghiên cứu của luận văn.
1.3.2. Nguyên lý nâng sử dụng lực từ
AMB sử dụng cơ cấu chấp hành điện từ để điều khiển vị trí của rotor hoặc các đối
tượng được nâng nói chung. Các ổ từ là những thiết bị cơ khí riêng biệt với lõi thép, cuộn
dây, cảm biến để xác định vị trí rotor.
Đối với ổ từ chủ động 4 cực, để ổn định vị trí của trục theo cả phương dọc và
phương ngang, người ta thiết kế ổ từ sao cho có thể tạo ra lực từ tương ứng với 2 trục
hướng tâm trực giao. Do các cực từ của ổ đỡ là giống nhau nên trước hết, để đơn giản, ta
phân tích một cấu trúc đơn giản, mơ tả cho ổ từ chủ động trong hình 1.4 là loại điều khiển

nâng theo một hướng.

Hình 1.4. Cấu trúc AMB một bậc tự do
Ổ từ có cấu tạo tương tự như một động cơ điện. Tuy nhiên, thay vì tạo ra momen
xoắn để quay rotor, nó lại tạo ra một lực ngang trục để nâng rotor trong lòng ổ.
Rotor được treo tự do tại một khoảng cách tiền định so với cơ cấu điện từ. Một cảm
biến vị trí khơng tiếp xúc sẽ đo độ sai lệch giữa vị trí mong muốn với vị trí thực của rotor
và cung cấp thông tin này đến bộ điều khiển. Mục tiêu chính của bộ điều khiển là nhằm
duy trì vị trí của rotor tại giá trị mong muốn của nó. Điều này không chỉ làm thỏa mãn sự

___________________________________________________________________
11


Mở đầu

cân bằng giữa f với lực hấp dẫn tác động lên rotor 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 cơng
suất. Từ bộ khuếch đại cơng 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 như mong muốn.
Nguyên tắc hoạt động: khi rotor dịch chuyển đi xuống, cảm biến sẽ cung cấp một
tín hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển có nhiệm vụ đưa tín hiệu điều khiển ra bộ
khuếch đại cơng suất để làm tăng dòng điện trong cuộn dây cực từ, lực điện từ gia tăng
khi đó sẽ kéo rotor quay trở lại vị trí danh định của nó và ngược lại.
1.3.3. Đặc tính của ổ từ chủ động
Các đặc tính cơ bản của ổ từ chủ động cho các ứng dụng cơ bản và nâng cao bao
gồm :
- Chuyển động không tiếp xúc, không cần chất bôi trơn và khơng có mài mịn: cho

phép ổ từ có thể vận hành trong môi trường chân không cao, trong môi trường sạch, hoặc
các mơi trường rất khắc nghiệt.
- Có thể thay đổi được khe hở khơng khí: khe hở khơng khí có thể thay đổi được từ

gần 0 đến vài mm, tuy nhiên cho một vài ứng dụng đặc biệt, khe hở khơng khí có thể đạt
được cỡ khoảng 20mm. Trong trường hợp này, cơ cấu chấp hành của ổ từ sẽ phải to hơn.
- Cho phép chạy ở tốc độ rất cao: do khơng có ma sát và bơi trơn nên trục rotor của

động cơ có thể chạy ở với tốc độ rất cao, giới hạn của tốc độ quay chỉ là độ bền của vật
liệu chế tạo rotor.
- Hiệu suất cao: tổn hao trong các thiết bị sử dụng ổ từ khi làm việc ở tốc độ cao

thường nhỏ hơn 5- 20 lần so với thiết bị cùng loại sử dụng vòng bi cơ. Điều này sẽ dẫn
đến chi phí vận hành thiết bị thấp.
- Khả năng hoạt động với chi phí bảo dưỡng thấp và có tuổi thọ cao của ổ từ chủ

động đã được minh chứng trong nhiều mơi trường làm việc.
1.4. Ứng dụng
Do các tính năng vượt trội của ổ từ trong khi các ổ bi cơ khơng thể có được, nên ổ

___________________________________________________________________
12


Mở đầu

từ đã được dùng cho các động cơ thực hiện các ứng dụng mà yêu cầu vô trùng, điều kiện
làm việc khắc nghiệt, tốc độ cao và đòi hỏi ma sát thấp.
1.4.1. Ứng dụng địi hỏi vơ trùng

Hình 1.5. Bơm máu trong tim nhân tạo
Do ổ từ không sử dụng dầu mỡ bơi trơn, do đó đảm bảo các thành phần liên quan
và môi trường làm việc không bị nhiễm bẩn do dầu mỡ bôi trơn gây ra. Ưu thế này được
tận dụng triệt để trong các ứng dụng trong y tế như: máy bơm máu, các động cơ trong
các dây chuyền điều chế thuốc. Hay trong các ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm,
công nghiệp sản xuất vi mạch điện tử.
1.4.2. Ứng dụng yêu cầu tốc độ cao
Do ổ từ nâng trục mà khơng có điểm tiếp xúc về cơ khí, do đó các động cơ sẽ
khơng bị tổn hao công suất do ma sát trên trục động cơ với ổ đỡ. Hơn nữa, với cấu trúc
động cơ tự nâng, tốc độ động cơ có khả năng tăng rất lớn, theo lý thuyết là không giới
hạn. Với khả năng hỗ trợ tốc độ cao, ổ từ được dùng trong các máy nén khí địi hỏi tốc
độ cao, các máy phát tuabin, máy bơm tuabin giúp làm tăng năng suất máy.

❖ Bơm tuabin: Là một loại bơm để tạo và duy trì một mơi trường chân khơng.

Với u cầu về cơng nghệ, bơm phân tử tuabin địi hỏi tuabin phải quay với một tốc độ

___________________________________________________________________
13