Nghiên cứu về hệ điều khiển cho ổ từ chủ động 4 cực

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
====o0o====

PHAN PHÚ KHÁNH

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHO Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 CỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
====o0o====

PHAN PHÚ KHÁNH

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHO Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 CỰC
Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN QUANG ĐỊCH

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu về hệ điều khiển cho ổ từ
chủ động 4 cực do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn củaTS. Nguyễn Quang Địch. Các số
liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
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 hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015
Học viên

Phan Phú Khánh

i


Danh mục hình vẽ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................i
MỤC LỤC ............................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ...........................................................................ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................x
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ ...................................................................3
1.1. Ổ từ ............................................................................................................... 3

1.1.1. Giới thiệu chung về ổ từ.........................................................................3
1.1.2. Phân loại .................................................................................................4
1.2. Ứng dụng thực tiễn của ổ từ ......................................................................... 9
1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn............................................................... 12
Chương 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN TRUYỀN THỐNG ........................................................................................13
2.1. Mơ hình tốn học của ổ từ chủ động .......................................................... 13
2.1.1. Nguyên tắc tạo lực nâng bằng từ trường ..............................................13
2.1.1.1. Mật độ từ thông của mạch từ .......................................................16
2.1.1.2. Lực điện từ khi từ hóa lõi thép: ...................................................17
2.1.1.3. Lực điện từ khi khơng từ hóa lõi thép: ........................................18
2.1.2. Mơ hình tốn học của ổ từ theo một phương .......................................18
2.1.3. Mơ hình tốn học của ổ từ 4 cực..........................................................22
2.2. Các thông số của ổ từ chủ động ................................................................. 29
2.3. Phương pháp điều khiển truyền thống (Điều khiển PID) ........................... 30
iv


Danh mục hình vẽ

2.4. Kết luận chương 2 ...................................................................................... 32
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ....................................33
3.1. Phương pháp điều khiển trượt .................................................................... 33
3.1.1. Sự tồn tại chế độ trượt ..........................................................................33
3.1.2. Bộ điều khiển trượt cho hệ thống có tham số bất định ........................39
3.1.3. Chất lượng ổn định của hệ trượt ..........................................................41
3.1.4. Một số biện pháp làm giảm hiện tượng chattering ..............................42
3.2. Kết luận chương 3 ...................................................................................... 44
Chương 4: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ KIỂM CHỨNG ...45
4.1. Thiết kế bộ điều khiển ổ từ chủ động theo một phương ............................ 45

4.1.1. Bộ điều khiển trượt truyền thống .........................................................45
4.1.2. Bộ điều khiển trượt lũy thừa ................................................................49
4.2. Thiết kế bộ điều khiển cho toàn hệ thống hai ổ từ ngang trục ................... 52
4.2.1. Bộ điều khiển trượt truyền thống .........................................................52
4.2.2. Bộ điều khiển trượt lũy thừa ................................................................60
4.3. Kết luận chương 4 ...................................................................................... 66
KẾT LUẬN ..........................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................68

v


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Ổ đỡ cơ khí :a. Ổ đỡ kiểu lănb. Ổ đỡ kiểu trượt ....................................3
Hình 1-2. Ổ từ thụ động. .........................................................................................4
Hình 1-3. Cấu trúc của ổ từ chủ động. ....................................................................6
Hình 1-4. Cấu tạo ổ từ dọc trục. .............................................................................7
Hình 1-5. Cấu tạo của ổ từ ngang trục. ..................................................................8
Hình 1-6. Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB...............................................9
Hình 1-7. Máy bơm cao tốc ..................................................................................11
Hình 1-8. Bộ lưu điện kiểu bánh đà sử dụng ổ đỡ từ............................................11
Hình 1-9. Máy nén siêu tốc HOFIM .....................................................................12
Hình 2-1. Mạch từ của cơ cấu nâng theo một phương. ........................................13
Hình 2-2. Mạch từ tương đương. ..........................................................................15
Hình 2-3. Cấu trúc mơ hình điều khiển ổ từ theo một phương.............................18
Hình 2-4. Quan hệ giữa dòng điện điều khiển, khoảng cách và lực từ bởi phương
trình phi tuyến................................................................................................................20
Hình 2-5. Quan hệ giữa dịng điện điều khiển, khoảng cách và lực từ bởi phương

trình tuyến tính...............................................................................................................21
Hình 2-6. Sơ đồ cấu trúc tổng qt của một ổ từ chủ động. .................................23
Hình 2-7. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển 2 ổ từ ngang trục. ...................................23
Hình 2-8. Tích hợp hệ 2 ổ từ ngang trục để nâng rotor. .......................................24
Hình 2-9. Định nghĩa các hệ tọa độ cho ổ từ. ......................................................24
Hình 2-10.Cấu trúc điều khiển vịng kín của vịng bi từ theo phương y. .............30
Hình 2-11. Đáp ứng vị trí khi sử dụng bộ điều khiển PD. ....................................31
Hình 2-12. Hệ thống bị mất ổn định khi có sự thay đổi về tham số mơ hình.......31

vi


Danh mục hình vẽ

Hình 3-1. Minh họa miền trượt hai chiều. ............................................................33
Hình 3-2. Sự thu hút quỹ đạo trạng thái về mặt trượt. ..........................................34
Hình 3-3. Hệ thống phi tuyến có khâu hai vị trí. ..................................................35
Hình 3-4. Phân điểm mặt phẳng pha. ...................................................................36
Hình 3-5. Hiện tượng quỹ đạo pha trượt về gốc tọa độ. .......................................39
Hình 3-6. Hiện tượng chattering. ..........................................................................42
Hình 3-7. Đồ thị hàm Sat ......................................................................................43
Hình 4-1. Đáp ứng khi sử dụng phương pháp truyền thống với hàm signum cho
một phương ổ từ. ...........................................................................................................47
Hình 4-2. Mặt trượtkhi sử dụng phương pháp truyền thống với hàm signum cho
một phương ổ từ. ...........................................................................................................48
Hình 4-3. Đáp ứng khi sử dụng phương pháp truyền thống với hàm saturation
cho một phương ổ từ......................................................................................................48
Hình 4-4. Mặt trượt khi sử dụng phương pháp truyền thống với hàm saturation
cho một phương ổ từ......................................................................................................49
Hình 4-5. Đáp ứng khi sử dụng phương pháp lũy thừa với hàm signum cho một

phương ổ từ....................................................................................................................50
Hình 4-6. Mặt trượt khi sử dụng phương pháp lũy thừa với hàm signum cho một
phương ổ từ....................................................................................................................51
Hình 4-7. Đáp ứng khi sử dụng phương pháp lũy thừa với hàm saturation cho
một phương ổ từ. ...........................................................................................................51
Hình 4-8. Mặt trượt khi sử dụng phương pháp lũy thừa với hàm saturation cho
một phương ổ từ. ...........................................................................................................52
Hình 4-9.Quỹ đạo vị trí của 2 ổ từ a và b với phương pháp truyền thống - signum.
.......................................................................................................................................54
Hình 4-10. Dịng điện điều khiển khi sử dụng hàm truyền thống - signum. ........55
vii


Danh mục hình vẽ

Hình 4-11. Đáp ứng vị trí đặt khi sử dụng hàm truyền thống - signum. ..............55
Hình 4-12. Mặt trượt của bộ điều khiển. ..............................................................57
Hình 4-13.Quỹ đạo vị trí của 2 ổ từ a và b khi sử dụng hàm truyền thống saturation. ......................................................................................................................57
Hình 4-14. Dịng điện điều khiển khi sử dụng hàm truyền thống - saturation. ....58
Hình 4-15. Đáp ứng vị trí đặt khi sử dụng hàm truyền thống - saturation. ..........59
Hình 4-16. Mặt trượt của bộ điều khiển. ..............................................................60
Hình 4-17.Quỹ đạo vị trí của 2 ổ từ a và b khi sử dụng hàm lũy thừa - signum. .61
Hình 4-18. Dịng điện điều khiển khi sử dụng hàm lũy thừa - signum. ...............62
Hình 4-19. Đáp ứng vị trí đặt khi sử dụng hàm lũy thừa –signum . .....................62
Hình 4-20. Mặt trượt của bộ điều khiển. ..............................................................63
Hình 4-21.Quỹ đạo vị trí của 2 ổ từ a và b khi sử dụng hàm lũy thừa - saturation.
.......................................................................................................................................64
Hình 4-22. Dòng điện điều khiển khi sử dụng hàm lũy thừa - saturation. ...........65
Hình 4-23. Mặt trượt của bộ điều khiển. ..............................................................66

viii


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2-1. Thông số ổ từ chủ động ................................................................... 29

ix


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AMB

Active Magnrtic Bearing

Ổ từ chủ động

PMB

Passive Magnetic Beaing

Ổ từ thụ động

SMC

Sliding Mode Control

Điều khiển trượt

DOF

Degree of Freedom

Bậc tự do

PID

Proportional Integral Derivative

Điều khiển tỷ lệ, vi phân, tích phân

SISO

Single Input Single Output

Hệ thống một vào một ra

ADC

Analog to Digital Convert

Chuyển đổi tương - tự số

DAC

Digital to Analog Convert

Chuyển đổi số - tương tự

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

PCI

Peripheral Component Interconnect

Chuẩn ghép nối các ngoại vi với bo
mạch chủ

x


Mở đầu

MỞ ĐẦU
Trong các hệ chuyển động, các ổ trục đóng vai trị quan trọng, chúng giúp cho
các trục có thể thực hiện chuyển động quay hoặc tịnh tiến một cách dễ dàng nhờ
giảm thiểu được lực ma sát. Trong thực thế, ổ trục có thể chia làm hai loại là: tiếp
xúc và không tiếp xúc. Loại tiếp xúc thường gặp là các vịng bi cơ khí, các loại bạc
…, loại ổ đỡ này chưa giảm thiểu được lực ma sát một cách tối đa và địi hỏi phải
có các chất bôi trơn và không ứng dụng được với các máy móc có tốc độ lớn và rất
lớn. Loại khơng tiếp xúc là các ổ từ hay ổ đỡ từ (sử dụng lực nâng của từ trường để
nâng và giữ cố định phần động chuyển động quay lơ lửng trong khơng khí khơng

tiếp xúc với phần động). Ổ từ chia thành hai loại:
-

Ổ từ dọc trục có nhiệm vụ giữ cố định phần động (rotor) không bị di
chuyển theo phương dọc trục.

-

Ổ từ ngang trục có nhiệm vụ giữ phần động lơ lửng trong khơng khí khơng
tiếp xúc với phần tĩnh (stator).
Trong khuôn khổ luận văn này chỉ quan tâm tới loại ổ từ chủ động ngang
trục.

Do khơng có sự tiếp xúc giữa phần động và phần tĩnh nên lực ma sát giữa hai
thành phần gần như bằng 0 vì vậy phần động có thể quay với tốc độ rất lớn. Do đó,
hiện nay ổ từ được ứng dụng trong các máy có tốc độ quay lớn lên tới hàng chục
nghìn vịng/phút hoặc các ứng dụng hoạt động trong mơi trường khắc nghiệt về
nhiệt độ hoặc áp suất không sử dụng được các chất bôi trơn
Sự ra đời của ổ bi từ kéo theo những yêu cầu về kỹ thuật điều khiển để đạt
được sự ổn định của hệ thống, yêu cầu ở đây là rotor phải ổn định tại vị trí mong
muốn khi có sự biến động về nhiễu tải cũng như sự bất định của tham số mô hình hệ
thống. Với mục đích nâng cao chất lượng ổn định vị trí cho ổ từ chủ động, một cách
tiếp cận mới đang được phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới là phương pháp điều
khiển trượt. Chính vì vậy, tôi đã được giao đề tài luận văn là:: “Nghiên cứu về hệ
điều khiển cho ổ từ chủ động 4 cực”. Luận văn này tập trung vào việc đánh giá
tính khả thi của phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control – SMC) cho ổ
từ chủ động và đưa ra thuật toán cải tiến phương pháp nhằm hạn chế hiện tượng dao
1

Mở đầu

động xung quanh mặt trượt (chattering) thông qua mô phỏng trên phần mềm
MATLAB/Simulink.
Luận văn được trình bày trong 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về ổ từ
Đưa ra các khái niệm cơ bản về ổ từ, phân loại, phân tích chi tiết cấu tạo và
nguyên lý hoạt động của ổ từ chủ động.
Chương 2. Mơ hình tốn học và các phương pháp điều khiển truyền thống.
Trình bày về mơ hình hóa ổ từ chủ động bằng mơ hình tốn học, sau đó là các
bước đánh giá các phương pháp điều khiển truyền thống và tính tốn các tham số hệ
thống.
Chương 3. Phương pháp điều khiển trượt.
Đánh giá, phân tích phương pháp điều khiển trượt:
- Tính ưu việt của phương pháp điều khiển trượt ở khả năng đáp ứng nhanh,
khả năng đáp ứng theo sự thay đổi của tham số mô hình.
- Các mặt hạn chế của phương pháp do hiện tượng chattering gây ra và đề
xuất cải tiến nhằm hạn chế hiện tượng không mong muốn này.
Chương 4. Tổng hợp bộ điều khiển trượt và kiểm chứng.
Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động và kiểm chứng thiết kế đó qua mô
phỏng, phần mềm điều khiển được xây dựng trên nền Matlab/Simulink.
Qua đây tác giả xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Quang Địch đã tận tình
hướng dẫn, tạo điều kiện cho tác giả trong tồn bộ q trình nghiên cứu và hoàn
thiện luận văn. Đồng thời tác giả cũng xin bảy tỏ lịng trân trọng biết ơn tới các thầy
cơ giảng viên bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp, Viện Điện, các cán bộ tại Viện kĩ
thuật điều khiển và tự động hóa đã hỗ trợ, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian qua.
Hà Nội,ngày 10 tháng 10 năm 2015
Học viên

Phan Phú Khánh

2


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ
Chương 1 giới thiệu tổng quan về ổ đỡ từ, phân loại và các ứng dụng của
chúng đồng thời giới thiệu cấu trúc tổng quát ổ đỡ từ chủ động
1.1. Ổ từ
1.1.1. Giới thiệu chung về ổ từ
Như chúng ta đã biết, tất cả các động cơ và các cơ cấu quay trịn đều cần phải
có một hệ thống ổ đỡ. Hệ thống này có tác dụng nâng đỡ trục động cơ và rotor, giúp
rotor quay trơn trong stator. Các ổ đỡ cơ khí cổ điển thường có kết cấu kiểu lăn
(vịng bi) và kiểu trượt (bạc)

a)

b)

Hình 1-1. Ổ đỡ cơ khí :a. Ổ đỡ kiểu lănb. Ổ đỡ kiểu trượt

Hệ thống ổ đỡ bằng vòng bi cơ khí có kết cấu vững chắc, hệ số ma sát giảm
được từ 7-8 lần. Tuy nhiên ổ đỡ kiểu này vẫn tồn tại nhiều nhược điểm như : vẫn có
ma sát bên trong vòng bi gây tổn thất năng lượng, phải bảo dưỡng thường xuyên
hoặc thay mới và phải được bôi trơn bằng dầu mỡ. Trong một số ứng dụng, việc bảo
dưỡng vịng bi cơ có thể khó khăn hoặc địi hỏi chi phí rất cao và đội ngũ cơng nhân
chun nghiệp.Ví dụ như trong những máy móc hoạt động dưới những điều kiện
khắc nghiệt : nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp, mơi trường hóa học… ổ bi sẽ bị kẹt
cứng khơng hoạt động được, máy móc làm việc ở mơi trường chân khơng, mơi

trường địi hỏi độ sạch cao như : chế biến thực phẩm, dược phẩm, bán dẫn … Ngồi
ra, dầu mỡ bơi trơn cũng là một tác nhân gây nên ô nhiễm môi trường.
Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về việc thay thế các vịng bi cơ trong động
cơ điện và một trong những phương pháp thành cơng nhất là ổ từ. Các vịng bi cơ sẽ
đươc thay thế bằng một ổ tròn bên trong gắn các cuộn dây nam châm điện, và trục
3


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

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 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 môi trường khắc nghiệt với hiệu suất lớn nhất. Hơn nữa với
việc sử dụng lực từ tác động lên trục động cơ, ta có thể điều khiển được tốc độ động
cơ với tốc độ không giới hạn.
1.1.2. Phân loại
Dựa trên nguyên lý và cách thức sinh lực nâng, ta có thể chia ổ từ thành 3
dạng cơ bản
a. Ổ từ thụ động (PMB - Passive Magnetic Bearing)
Ổ từ được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu để tạo ra lực nâng theo nguyên lý
hút hoặc đẩy của các cực N-S của nam châm vĩnh cửu.

Hình 1-2. Ổ từ thụ động.

•

Đặc điểm

Do được chế tạo hồn tồn từ nam châm vĩnh cửu nên ổ từ có 1 số đặc điểm
sau:
-

Kích thước nhỏ gọn.

-

Khơng tiêu thụ năng lượng.
4


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

-

Không cần bộ điều khiển vịng kín để duy trì ổn định do lực nâng là cố định.

-

Khó chế tạo, gia cơng nam châm vĩnh cửu theo yêu cầu.
Tuy nhiên nhược điểm cơ bản của ổ từ này là: Lực nâng là cố định nên khả

năng giảm chấn kém, không điều khiển được lực nâng nên khó có thể giữ ổ định
vật khi trọng lượng vật thay đổi.
b . Ổ từ siêu dẫn (SMB - Superconducting Magnetic Bearing)
Ổ từ được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu và vât liệu siêu dẫn, lực nâng được
tạo ra theo nguyên lý đẩy giữa nam châm vĩnh cửu và vật liệu siêu dẫn: Một nam
châm được nâng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ lỏng làm lạnh tới

−200°C
Khi ở nhiệt độ rất thấp điện trở của vật liệu siêu dẫn có thể giảm về 0. Khi
đó, dịng điện có thể chảy qua vật liệu siêu dẫn với điện áp duy trì ở mức rất thấp .
Tất cả từ trường sẽ chạy bên ngoài vât liệu siêu dẫn theo nguyên lý MeissnerOchsenfeld. Từ thông sinh ra bởi vật siêu dẫn bù trừ hoàn toàn từ thơng ở mơi
trường ngồi. Do đó, từ thơng bên trong vật siêu dẫn bằng 0
•

Đặc điểm

Do cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu và vât liệu siêu dẫn nên ổ từ có:
-

Kích thước nhỏ gọn

-

Khơng cần bộ điều khiển để duy trì do lực nâng là cố định.
Cũng như ổ từ thụ động, nhược điểm lớn nhất của ổ từ siêu dẫn là: lực nâng cố

định nên khả năng giảm chấn kém, khơng có khả năng điều khiển được lực nâng,
lực nâng phụ thuộc hoàn toàn vào vật liệu siêu dẫn và nam châm vĩnh cửu được sử
dụng.
Ngoài ra:
-

Phải đảm bảo môi trường làm việc của ổ từ ở nhiệt độ thấp (-200oC) nhằm

duy trì lực tác dụng giữa vật liệu siêu dẫn và nam châm vĩnh cửu
-

Giá thành vật liệu siêu dẫn cao dẫn đến chi phí sản xuất ổ từ siêu dẫn là rất lớn.

c. Ổ từ chủ động (AMB - Active Magnetic Bearing)
Ổ từlàm việc dựa trên nguyên lý nâng điện từ. Các thành phần của ổ từ: nam
châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách, bộ điều khiển
5


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

-

Nam châm điện: tạo ra lực từ nâng trục động cơ.

-

Cảm biến vị trí trục động cơ: phản hồi vị trí trục động cơ

-

Bộ điều khiển: điều khiển dòng điện cấp vào nam châm điện thơng qua bộ

khuếch đại cơng suất từ đó điều khiển lực từ tác động vào trục động cơ giúp trục
động cơ nằm cân bằng.

Hình 1-3. Cấu trúc của ổ từ chủ động.

 Ổ từ dọc trục (Axial Magnetic Bearing)
Ổ từbao gồm hai stator và một rotor dạng đĩa
Hai stator được bố trí về 2 phía của rotor. Mỗi stator có dạng hình xuyến

trên đó có xẻ rãnh và được quấn dây điện tạo thành các nam châm điện có nhiệm vụ
sinh ra lực từ tác dụng theo phương dọc theo trục của động cơ sao cho rotor dạng
đĩa nằm ở vị trí cân bằng ở khoảng khơng giữa 2 stator.

6


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

Hình 1-4. Cấu tạo ổ từ dọc trục.

• Đặc điểm
Ổ từ chủ động có 1 số đặc điểm sau:
-

Ổ từ được cấu tạo gồm nhiều thành phần, thiết bị nên có cấu trúc phức

tạp,kích thước lớn, địi hỏi trình độ gia cơng, lắp ghép chính xác cao
-

Ổ từ có 1 hệ điều khiển vịng kín nên có khả năng điều khiển được lực từ nên

có đặc tính động tốt: dễ dàng điều khiển khi trong lượng vật thay đổi. Nhờ đó ổ từ
chủ động có thêm nhiều khả năng như: ổn định vị trí mà không phụ thuộc vào tải,
hấp thụ các lực không cân bằng trong hệ thống quay, giảm rung động và đặc biệt là
khả năng giám sát hoạt động thông qua hệ thống điều khiển điện từ . Với những ưu
điểm này, ổ từ chủ động đang là chủ đề được nhiều nhà khoa học quan tâm.
 Ổ từ ngang trục (Radial Magnetic Bearing)
Ổ từ có cấu tạo gồm 2 thành phần chính: stator và rotor
Stator có cấu trúc hình xuyến có cấu tạo gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép

với nhau, bên trong có các cực từ sắp xếp đối xứng nhau qua tâm. Trên mỗi cực từ
đều được quấn dây điện tạo thành các nam châm điện có nhiệm vụ sinh ra lực từ
nâng đỡ trục động cơ theo phương thẳng đứng vng góc với trục động cơ.
- Rotor chính là trục động cơ: chuyển động trịn trong khoảng không giữa ổ từ.

7


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

Hình 1-5. Cấu tạo của ổ từ ngang trục.

Để tìm hiểu ngun lí hoạt động của ổ đỡ từ chủ động, ta xuất phát từ một cấu
trúc nhưHình 1-5, đây là loại điều khiển nâng theo một hướng với một bậc tự do
(Degree of Freedom - DOF). Mơ hình này là một sự đơn giản hóa đáng kể so với
một ổ đỡ từ trong thực tế, tuy nhiên nó hỗ trợ ta trong việc phân tích và xây dựng
một mơ hình tốn học cho một hệ thống nhiều bậc tự do một cách dễ dàng hơn.
Hình 1-6mơ tả cấu trúc cơ bản của một vịng điều khiển kín cho AMB với các thành
phần cần thiết để cấu thành nên một hệ thống ổ từ chủ động theo một phương.
Hệ thống trên Hình 1-6gồm: một rotor được treo tự do tại một khoảng cách
mong muốn x0 so với cơ cấu điện từ, một cảm biến vị trí đo độ sai lệch x giữa vị trí
mong muốn x0 với vị trí thực của rotor x và đưa tín hiệu này đến bộ điều khiển.
Nhiệm vụ của bộ điều khiển là cung cấp một tín hiệu điều khiển thích hợp nhằm ổn
định hệ thống, duy trì vị trí của rotor tại vị trí mong muốn, tức là làm thỏa mãn sự
cân bằng giữa lực hấp dẫn fm được tạo ra với trọng lực rotor mg tại điểm làm việc và
các ngoại lực tác động theo phương thẳng đứng.Bộ điều khiển sẽ xử lí thơng tin thu
được và gửi tín hiệu điều khiển đến bộ khuếch đại cơng suất để tạo thành dòng điện
đưa đến cuộn dây của cơ cấu điện từ, dòng điện này sẽ tạo ra được lực điện từ fdt
giúp cân bằng lực tác động lên rotor theo phương trọng trường

8


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

Hình 1-6. Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB.

Về cơ bản, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách thức: khi rotor dịch chuyển
xuống so với vị trí mong muốn, bộ điều khiển sẽ đưa ra một tín hiệu làm tăng dịng
điện điều khiển, từ đó gia tăng độ lớn lực điện từ để kéo rotor trở lại vị trí danh định
của nó và ngược lại.
Ngồi ra, bộ khuếch đại cơng suất và cơ cấu điện từ của AMB là các thành
phần phụ thuộc chặt chẽ với nhau và quyết định các thuộc tính quan trọng của
AMB, chẳng hạn như động lực học của lực phụ thuộc rất nhiều vào dòng điện và
điện áp bộ khuếch đại, hình dạng của ổ đỡ từ , số vòng dây và điện cảm của cuộn
dây.
1.2. Ứng dụng thực tiễn của ổ từ
Với những ưu điểm nổi bật như đã kể nhờ khả năng nâng không tiếp xúc, ổ đỡ
từ hiện đang được nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, các lĩnh vực
ứng dụng chính bao gồm:
-

Các thiết bị làm việc trong mơi trường chân không và môi trường sạch: ổ đỡ
từ nâng vật chuyển động mà khơng có hao mịn cơ khí và do đó khơng gây ơ
nhiễm. Trong trường hợp cần thiết thì ổ đỡ từ có thể được bố trí bên ngồi
bình chân khơng cịn lực nâng sẽ tác động qua các thành bình đảm bảo giữ
ổn định vật cần nâng trong bình. Ngồi ra, nhờ vào việc loại bỏ được tổn hao

9

Chương 1: Tổng quan về ổ từ

do lực cản khí động học và tiêu thụ ít năng lượng, các ổ đỡ từ cũng rất phù
hợp cho hệ thống lưu điện kiểu bánh đà.
-

Các máy cơng cụ: Ưu điểm chính của ổ đỡ từ là độ chính xác điều chỉnh vị
trí rất cao, ngay cả khi trục được nâng làm việc ở tốc độ rất cao và tải tương
đối lớn. Điều này rất phù hợp cho các máy gia công kim loại như máy phay,
máy mài chính xác các vật nhỏ.

-

Các thiết bị y tế: Một lĩnh vực ứng dụng rất đặc thù của ổ đỡ từ đó là bơm
máu trong tim nhân tạo, cụ thể hơn là trong thiết bị trợ tâm thất bơm máu
ngoài được sử dụng để trợ giúp tim yếu trong việc duy trì lượng máu được
đẩy đi ở tốc độ mong muốn để đáp ứng được yêu cầu về tuần hoàn máu trong
cơ thể người.

-

Các máy cao tốc: Thực tế hiện nay, lĩnh vực ứng dụng chính của ổ đỡ từ là
các máy cao tốc. Các ổ đỡ từ được ứng dụng từ các máy bơm siêu tốc cỡ nhỏ
cho tới các máy nén và máy phát siêu tốc cỡ rất lớn (phạm vi MW). Các máy
phát siêu tốc cơng suất 300MW có sử dụng vịng bi từ hiện đã được đưa ra
thị trường. Một ưu điểm nổi bật của ổ đỡ từ là khả năng kiểm soát và loại bỏ
dao động cũng như đạt được đáp ứng động xác định trước. Ngoài ra việc ứng
dụng ổ đỡ từ còn cho phép cấu trúc máy trở nên đơn giản hơn, điều này là do
ổ đỡ từ không sử dụng chất bôi trơn (thường là dầu và mỡ) nên không cần

phải sử dụng gioăng đệm và tấm chắn để chặn chúng rị rỉ ra bên ngồi. Một
số ưu điểm nổi bật nữa của ổ đỡ từ là khả năng tự kiểm soát và tự chuẩn đoán
trạng thái làm việc, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp, và hiệu suất cao.
Ngày nay nhờ vào các bộ biến đổi điện tử công suất hiệu suất cao, các máy
phát cơng suất lớn sử dụng ổ đỡ từ có thể làm việc ở tốc độ rất thấp và tốc độ
rất cao mà không cần phải sử dụng hộp số để ghép nối với động cơ truyền
động. Ngoài ra với các máy siêu tốc có mật độ cơng suất lớn thì ổ đỡ từ là sự
lựa chọn hợp lý. Thậm chí các nghiên cứu gần đây còn tập trung vào việc
ứng dụng ổ đỡ từ cho động cơ của máy bay dùng cho máy bay điện trong
tương lai.

10


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

Các ứng dụng chính của ổ đỡ từ có thể được minh họa trong các hình dưới
đây:

Hình 1-7. Máy bơm cao tốc

Hình 1-8. Bộ lưu điện kiểu bánh đà sử dụng ổ đỡ từ

11


Chương 1: Tổng quan về ổ từ

Hình 1-9. Máy nén siêu tốc HOFIM

Hình 1-7 mơ tả máy bơm khí siêu tốc cơng suất 450kW, tốc độ làm việc 32000
vịng/phút, trọng lượng của rotor 112kg, chiều dài của rotor là 1,1 mét cịn đường
kính trong của ổ đỡ từ là 0,11 mét.
Hình 1-8 mơ tả tủ lưu điện kiểu bánh đà sử dụng ổ đỡ từ cảu hãng Calnetix,
công suất của hệ là 125kW, bộ điều chỉnh ổ đỡ từ được đặt ở góc trên bên trái, Các
bộ biến đổi điện tử cơng suất được bố trí bên phía phải.
Hình 1-9 mô tả sơ đồ cấu trúc của máy nén HOFIM của hãng S2M công suất 6
MW, tốc độ làm việc là 9000 vòng/phút sử dụng 4 ổ đỡ từ ngang trục và 1 ổ đỡ từ
dọc trục.
1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn
Mục đích luận văn là nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển cho phần ổ từ nâng
ngang trục, tức là ta bỏ qua nghiên cứu phần ổ từdọc trục mà coi như phần ổ từ dọc
trục đã được điều khiển ổn định, giữ cố định cân bằng trong hệ thống. Luận văn đề
xuất sử dụng thuật toán điều khiển trượt nhằm ổn định và nâng cao chất lượng điều
khiển vị trí rotor ngang trục theo các phương x và y.

12


Chương 2: Mơ hình tốn học và các phương pháp điều khiển truyền thống

Chương 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TRUYỀN THỐNG
Chương 2 sẽ đưa ra các cơ sở lí thuyết của ổ từ qua đó thiết lập mơ hình tốn
học của ổ từ và tìm hiểu các phương pháp điều khiển truyền thống
2.1. Mơ hình tốn học của ổ từ chủ động
Mơ hình tốn học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích
mơ tả lại đối tượng thực tế đó nhưng dưới dạng các biểu thức toán học để thuận lợi
cho q trình phân tích, khảo sát và thiết kế. Đối với ổ từ chủ động, mơ tả tốn học
đóng vai trị rất quan trọng vì mọi khảo sát và tính tốn bằng lý thuyết đềudựa trên

mơ hình tốn học.
2.1.1. Nguyên tắc tạo lực nâng bằng từ trường
Hình 2.1 thể hiện một cơ cấu điện từ được dùng để phân tích nguyên lý tạo lực
nâng từ trường dùng nam châm điện. Hệ thống gồm một lõi sắt từ hình chữ U được
quấn cuộn dây N vòng và một lõi sắt hình chữ I, hai lõi thép này có cùng tiết diện là
Sfe. Cuộn dây quấn quanh lõi sắt hình chữ U được cấp dịng điện có giá trị tức thời
là i. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, đường đi chính của từ thơng được mơ tả bởi
đường nét liền khép kín qua lõi sắt từ chữ U và chữ I. Khe hở khơng khí khi làm
việc có độ rộng là s.

Hình 2-1. Mạch từ của cơ cấu nâng theo một phương.

Khi gọi khe hở khơng khí tại vị trí danh định của vật nâng là x0 và độ dịch
chuyển của vật nâng theo hướng nâng là x thì ta có mối quan hệ =
s x0 ± x .

13


Chương 2: Mơ hình tốn học và các phương pháp điều khiển truyền thống

Trong kỹ thuật nâng bằng từ trường, các phần tử điện từ gây ra từ thơng khép
kín trong một mạch vịng từ. Khi phân tích những mạch vịng từ như vậy, việc tính
tốn chính xác từ trường thường gặp rất nhiều khó khăn và khơng thực sự cần thiết.
Do đó, để thuận tiện cho việc phân tích, tính tốn mật độ từ thơng B, một số giả
thiết sau đây được đưa ra: Từ thông ψ của mạch chạy hồn tồn trong vịng từ khép
kín, tức là lượng từ thông tản coi như không đáng kể. Tiết diện mặt cắt của vật liệu
sắt từ Sfe cùng được giả thiết là khơng đổi trên tồn bộ vịng từ khép kín và bằng với
tiết diện mặt cắt trong khe hở khơng khí Sa. Do từ thẩm của mạch từμ = μ0μr lớn hơn
nhiều so với từ thẩm của khơng khí nên đường đi của từ trường khi rời khỏi vật liệu

sắt từ gần như vng góc với bề mặt của nó (bỏ qua từ trường rị).
Từnhững giả thiết trên ta có:
=
ψ B=
Ba Sa
fe S fe

(2.1)

Do S=
S=
S dẫn đến:
fe
a
B=
B=
B
fe
a

(2.2)

Trong đó: µ0 : từ thẩm khơng khí

µr : hệ số từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ

ψ : từ thông

B : mật độ từ trường
S : tiết diện mạch từ

Từ trường trong mạch từ khép kín được giả thiết là đồng nhất trong cả vật liệu
sắt từ và khe hở khơng khí. Do đó, việc tính tốn dựa trên chiều dài trung bình lfe
của đường đi từ trường qua lõi thép và chiều dài khe hở khơng khí thực là 2s.
Hình 2-2 là mạch điện biến đổi tương đương cho mạch từ của cơ cấu điện từ
trongHình 2-1. Trong đó, các thành phần sức từ động, từ thông, từ trở và mạch từ
không đổi được xem xét tương ứng như các thành phần điện áp, dòng điện, điện trở
và nguồn một chiều (DC) trong mạch điện. Tuy nhiên, trong mạch tương đương, từ
trở là thành phần tích trữ năng lượng chứ không phải là thành phần tiêu tán năng
lượng như trong mạch điện. Nguồn “DC” – Ni biểu diễn cho sức từ động do dòng
điện trên cuộn dây sinh ra.
14


Chương 2: Mơ hình tốn học và các phương pháp điều khiển truyền thống

Ni – Sức từ động (MMF)
Rc, RI - Từ trở tương ứng trong lõi
từ C và lõi từ hình chữ I
Rg - Từ trở trong khe hở khơng khí
Ψ – Từ thơng

Hình 2-2. Mạch từ tương đương.

Trong mạch từ tương đương, từ trở của mạch từ được xác định như sau:

RC
=

lC
lC

=
µ S fe µ0 µr S fe

(2.3)

=
RI

lI
lI
=
µ S fe µ0 µr S fe

(2.4)

s0
µ0 S a

(2.5)

Rg =

với µ0 = 4π.10-7 Vs/Am, là độ từ thẩm của môi trường chân khơng, µr là độ từ
thẩm tương đối của lõi thép, giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu từ mà từ trường
tác động lên, còn lC là chiều dài đường từ trường qua lõi U và lI là chiều dài đường
từ trường qua lõi I.
Độ tự cảm Lcủa cuộn dây là tỷ số của từ thông dây quấn sinh ra bởi một vòng
dây với dòng điện chạy trong vịng dây đó. Đối với một cuộn dây có N vòng dây, độ
tự cảm của cuộn dây được xác định theo cơng thức:
L=

Nψ
i

(2.6)

Trong đó, ψ là từ thơng tổng sinh ra bởi một vòng dây.
Sử dụng (2.1) và (2.2) để thay thế vào trong (2.6), độ tự cảm L của mạch từ có
thể được tính xấp xỉ bằng:

15