Cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NGUYỄN THỊ THANH BÌNH

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
CÁC Ổ ĐỠ TỪ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NGUYỄN THỊ THANH BÌNH

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
CÁC Ổ ĐỠ TỪ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Mã số: 62. 52. 02. 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Cán bộ hướng dẫn 1

Cán bộ hướng dẫn 2

GS.TS. Đỗ Khắc Đức

PGS. TS. Nguyễn Như Hiển

THÁI NGUYÊN - 2013


LỜI CAM ĐOAN

Luận án này được tác giả thực hiện dựa trên hướng dẫn của tập thể hướng
dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn. Kết quả nghiên cứu chưa
được bảo vệ và công bố trên bất cứ một cơng trình nào khác.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Thanh Bình

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

i

MỤC LỤC

ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

v

viii

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

ix

LỜI CẢM ƠN

xii

MỞ ĐẦU

1

1

Khái quát chung

1

2

Tính cấp thiết của đề tài

2

3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2

4

Phương pháp nghiên cứu

3

5

Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết

3

và triển vọng về kết quả đạt được
6

Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài

3

7

Bố cục của luận án

4

Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ

5

1.1

Khái niệm về ổ trục và ổ đỡ trục

5

1.1.1

Ổ trục

6

1.1.2

Ổ đỡ từ

7

1.2

Luận giải, định hướng nghiên cứu của đề tài

12

1.2.1

Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước

12

1.2.2

Tình hình nghiên cứu trong nước

13

1.2.3

Tình hình nghiên cứu ngồi nước

14

1.3

Kết luận chương 1

16

Chương

MƠ TẢ TỐN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG

17

2.1

Giới thiệu chung

17

2.2

Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường

18

2.

ii


2.2.1

Mật độ từ thông của mạch từ

19

2.2.2

Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ

19

2.2.3

Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép

21

2.2.4

Lực điện từ khi khơng kể đến từ hóa lõi thép

22

2.2.5

Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB

22

2.3

Xây dựng mơ hình tốn học của hệ nâng bằng từ trường dùng ổ đỡ

23

từ 4 cực
2.3.1

Các dạng cấu trúc của ổ từ hiện nay và hướng nghiên cứu

23

2.3.2

Cấu trúc của hệ nâng từ trườngAMB 4 bậc tự do (DOF)

24

2.3.3

Xây dựng mô hình tốn học

26

2.3.4

Các đặc tính động học của ổ đỡ từ bốn bậc tự do

31

2.4

Mơ hình tuyến tính hóa xung qanh điểm làm việc

33

2.5

Mơ hình tổng qt của hệ AMB 4 DOF dưới dạng Euler –

35

Lagrange
2.5.1

Giới thiệu về hệ Euler – Lagrange

35

2.5.2

Mơ hình tổng qt của hệ AMB 4 DOF dưới dạng Euler –

36

Lagrange
2.6

Kết luận chương 2

42

Chương 3

XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 BẬC TỰ

43

DO

3.1

Đặt vấn đề

43

3.1.1

Hiện tượng trễ

43

3.1.2

Sự lệch trục của lực hướng tâm

43

3.1.3

Sự rung động do tính khơng cân bằng cơ học trong hệ thống quay

43

3.2

Xây dựng hệ điều khiển sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung

44

quanh điểm làm việc.
3.2.1

Xây dựng hệ điều khiển

44

3.2.2

Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab-Simulink

51

3.3

Cải thiện chất lượng điều khiển ổ từ tích cực (AMB) bằng PD bù

57

trọng trường

iii


3.3.1

Xây dựng hệ điều khiển

59

3.3.2

Mô phỏng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ AMB

61

3.4

Đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PD

68

bù trọng trường theo tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch
3.6

Kết luận Chương3

69

Chương 4

XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ

70

THÍ NGHIỆM
4.1

Giới thiệu cấu hình thí nghiệm

70

4.2

Kết quả thí nghiệm

81

4.3

Kết luận chương 4

89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

90

1

Kết luận

90

2

Kiến nghị

91

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ

92

TÀI LIỆU THAM KHẢO

93

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
F, fm

Lực điện từ

m

Trọng lượng rô to

g

Gia tốc trọng trường

Sfe

Tiết diện mặt cắt trong khe hở khơng khí

i

Dịng điện tức thời

x0

Khe hở khơng khí

lc

Chiều dài trung bình của đường đi từ trường qua lõi sắt chữ C

li

Chiều dài trung bình của đường đi từ trường qua lõi sắt chữ I



Từ thơng trong mạch vịng khép kín

B

Mật độ từ thông

H

Từ trường mạch từ

L

Độ tự cảm



Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ

0

Độ từ thẩm của môi trường chân khơng

r

Độ từ thẩm tương đối

N

Số vịng dây

Wa

Năng lượng tích trữ

Va

Thể tích khe hở khơng khí của Hệ thống

Rxo

Từ trở trong khe hở khơng khí

i0

Dịng điện phân cực

Ka

Hệ số tỷ lệ với dòng điện

Kn

Hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển

x

Độ dịch chuyển theo phương x

y

Độ dịch chuyển theo phương y

Z

Độ dịch chuyển theo phương z

 x , y , z

Góc quay của trục theo phương x, y

Fx, Fy, Fz

Lực nâng trục theo các phương x, y, z

Tx,Ty, Tz

Mô men quay theo các phương x, y, z

x1 , y1 , z

Vị trí dịch chuyển của trục tại các điểm đặt cảm biến theo
phương x, y của AMB1

x2 , y2 , z

Vị trí dịch chuyển của trục tại các điểm đặt cảm biến theo
v


phương x, y của AMB2
Fx1 , Fy1 , Fx2 , Fy 2

Lực nâng hướng trục theo phương x, phương y của AMB1 và
AMB2

ha

Khoảng cách giữa trọng tâm 2 ổ từ

hs

Khoảng cách giữa hai cảm biến vị trí

x

Từ thơng tạo bởi các cuộn dây

 xc1 , xc 2

Từ thông tạo bởi cuộn dây của AMB1 và AMB2 theo phương x

Fx1+, Fx1-,

Lực hấp dẫn giữa rô to và stato theo phương x, y của AMB1 và

Fy1+, Fy1-;

AMB2

Fx2+,Fx2-,
Fy2+,Fy2xx1+, xx1-,

Khe hở khơng khí theo phương x của AMB1 và AMB2

xx2+, xx2ix1+, ix1-, ix2+, ix2- Dòng điện chạy trong cuộn dây của AMB1 và AMB2 theo
phương x
R1x+, R1x -,

Từ trở của khe hở khơng khí của AMB1 và AMB2

R2x+, R2xHp

Sức từ động của nam châm vĩnh cửu

S

Tiết diện mạch từ

ix1, ix2

Dòng điện thành phần theo phương x của AMB1 và AMB2

ixs

Tổng các dòng điện thành phần theo phương x

ixd

Hiệu các dòng điện thành phần theo phương x

Lx1+, Lx1-,

Điện cảm của các cực từ theo phương x của AMB1 và AMB2

Lx2+, Lx2+,
Ka

Hệ số tỉ lệ với dịng điện

Kn

Hệ số ti lệ với độ dịch chuyển

Jx=Jy=Jj
Jk

r m

Mơ men quán tính của trục rotor theo phương x và y
Mơ men qn tính của trục rotor
Vận tốc góc

Ha

Khoảng cách giữa 2 tâm của AMB1 và AMB2

Fxs

Lực tịnh tiến của rotor theo phương x

Fys

Lực tịnh tiến của rotor theo phương y

Fxr

Lực nghiêng của rotor theo phương x

vi


Fyr

Lực nghiêng của rotor theo phương y

q  n

Số các biến khớp

u  n

Véc tơ các tín hiệu điều khiển

g(q), G(g)

Gia tốc trọng trường

M(q), D(q)

Ma trận quán tính


d (t , q , q )

Véc tơ nhiễu mô men đầu vào


L( q, q )

Hàm Lagrange


K ( q, q )

Hàm mô tả động năng

P(q)

Hàm thế năng


R(q )


Hàm tiêu tán



Véc tơ giá trị xác định



Giá trị ước lượng chặn trên

q(t)

Quỹ đạo trạng thái


C ( q, q )

Ma trận hướng tâm

u

Tín hiệu điều khiển

T

Ma trận chuyển vị

e

Sai lệch quỹ đạo bám


e

Đạo hàm của sai lệch quỹ đạo bám



Tham số hằng bất định

KP

Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

KD

Hệ số đạo hàm của bộ điều khiển

KI

Hệ số tích phân

s

Tốn tử Laplace



Lse

Điện cảm tản trong cuộn dây

V

Điện áp điều khiển

kx1, ky1, kx2 ky2
Tb

Hệ số sức điện động cảm ứng trong các cuộn dây
Hằng số thời gian

vii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

AMB

Biểu diễn

Ghi chú Tiếng Anh

Ổ đỡ từ chủ động

Active Magnetic Bearing

Điều khiển thích nghi bền vững theo mơ hình

Robust Model Reference

mẫu

Adaptive Control

Euler-Lagrange

Euler-Lagrange

DOF

Bậc tự do

Degree of Freedom

SMB

Ổ đỡ từ siêu dẫn

Sctive Magnetic Bearing

PMB

Ổ đỡ từ thụ động

Passive Magnetic Bearing

DC

Nguồn một chiều

Direct Current

MMF

Lực từ động

Magnemotive Force

MIMO

Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Multiple Input Multiple

RMRAC

EL

Output
KĐ

Khuếch đại

BT3F

Biến tần 3 pha

ADC

Biến đổi tương tự - số

DSP

Vi xử lý tín hiệu số

FFT

Phân tích phổ tín hiệu fourier

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Danh mục
Hình 1.1

Nội dung
a) Hình dạng ổ bi đỡ một dãy.

Trang
5

b) Hình ảnh một số loại ổ lăn
Hình 1.2

a) Kiểu dáng ổ đỡ trượt

6

b) Hình ảnh một số loại ổ trượt
Hình 1.3

Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ

7

Hình 1.4

a) Ổ đỡ từ ngang trục

7

b) Ổ đỡ từ dọc trục
Hình 1.5

a) Ổ đỡ từ thụ động

9

b) Ổ đỡ từ siêu dẫn
c) Ổ đỡ từ chủ động
Hình 1.6

Hình dạng (a) và các bộ phận cơ bản của ổ đỡ từ (b)

10

Hình 1.7

Cấu trúc AMB một bậc tự do

10

Hình 2.1

Mạch từ lõi thép

18

Hình 2.2

Mạch từ hóa tương đương

20

Hình 2.3

Một số cấu trúc điển hình của ổ đỡ từ chủ động

23

Hình 2.4

Sơ đồ cấu trúc tổng quát của ổ đỡ từ

24

Hình 2.5

Sơ đồ mặt cắt của ổ từ 4 cực có dùng nam châm vĩnh cửu

25

Hình 2.6

Định nghĩa hệ tọa độ cho ổ đỡ từ

26

Hình 2.7

Sơ đồ chi tiết theo phương x-z cho ổ đỡ từ

27

Hình 2.8

Sơ đồ mạch từ tương đương với từ thông phân cực cho ổ đỡ từ

28

Hình 2.9

Đồ thị λ = f(i) ở các khe hở khơng khí khác nhau.

31

Hình 2.10

Sơ đồ cách thức điều khiển dịng điện

33

Hình 2.11

Hình 3.2

Quan hệ giữa lực hướng tâm với dòng điện ib trong cuộn stator và 33
chuyển dịch x của rotor
Mơ hình điều khiển PID cho mơ hình tuyến tính xung quanh điểm 46
làm việc của ổ đỡ từ
Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương x
50

Hình 3.3

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ đỡ từ

Hình 3.4

a) Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển ổ đỡ từ với hai mạch vòng điều 51
khiển;

b) Bộ điều khiển vị trí; c) Bộ điều khiển dịng điện; d) Mơ hình ổ 52
đỡ từ

Hình 3.1

ix

50


Hình 3.5

a) Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1theo phương x

53

b) Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1theo phương y
Hình 3.6

Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 2 theo phương x, y

53

Hình 3.7

Dịng điện điều khiển được tính tốn từ vịng điều khiển vị trí

54

Hình 3.8

Điện áp điều khiển được tíủa nh tốn từ vịng điều khiển dịng điện 54

Hình 3.9

Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ đỡ từ 1 (khi có tác 55
động nhiễu)

Hình 3.10

Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ đỡ từ 2 (khi có tác 55
động nhiễu)

Hình 3.11

Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y có tác động xen kênh với 56
bộ điều khiển PID: a) ổ đỡ từ , b) ổ đỡ từ 2

Hình 3.12

Cấu trúc điều khiển PD bù trọng trường

57

Hình 3.13

Điều khiển PD bù trọng trường cho ổ đỡ từ

58

Hình 3.14

Cấu trúc điều khiển PD bù trọng trường từ (3.15)

58

Hình 3.15

Mơ hình hệ kín với bộ điều khiể PD bù trọng trường

61

Hình 3.16

Mơ hình hệ AMB 4 DOF

62

Hình 3.17

Mơ hình điều khiển cho dịng iy1

63

Hình 3.18

Mơ hình điều khiển cho dịng ix1

63

Hình 3.19

Mơ hình điều khiển cho dịng iy2

63

Hình 3.20

Mơ hình điều khiển cho dịng ix2

64

Hình 3.21

Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ đỡ từ 1

65

Hình 3.22

Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ đỡ từ 2

66

Hình 3.23

Dịng điện điều khiển được tính tốn từ vịng điều khiển vị trí

66

Hình 3.24

Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ đỡ từ 1 với bộ điều 66
khiển phi tuyến (khi có nhiễu tác động).

Hình 3.25

Đáp ứng dịch chuyển theo phương x, y của ổ đỡ từ 2 với bộ điều 67
khiển phi tuyến (khi có nhiễu tác động).

Hình 3.26

a) Tác động xen kênh của ổ đỡ từ 1 theo phương x và y đã bị loại 67
trừ; b) Tác động xen kênh của ổ đỡ từ 1 theo phương x và y đã bị
loại trừ.

Hình 4.1

Cấu trúc thí nghiệm điều khiển ổ đỡ từ hướng kính

Hình 4.2

Sơ đồ cấu trúc của động cơ khơng đồng bộ từ thong dọc trục tích 71
hợp chức năng ổ đỡ từ dọc trục

x

70

Hình 4.3

Cấu trúc ổ đỡ từ hướng kính

72

Hình 4.4

Cấu trúc R&D DS1104

75

Hình 4.5

Giao diện điển hình dung DS1104

75

Hình 4.6

Cấu trúc chung của hệ thí nghiệm cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do

79

Hình 4.7

Động cơ ở giữa và hai ổ đỡ từ hai đầu trục

79

Hình 4.8

Nguồn cung cấp và điều khiển cho động cơ và ổ đỡ từ

80

Hình 4.9

Ổ đỡ từ trái và các cảm biến

80

Hình 4.10

Ổ đỡ từ phải và các cảm biến

80

Hình 4.11

Giao diện hiển thị kết quả thí nghiệm

81

Hình 4.12

Quan hệ giữa dịng điện và lực nâng theo phương y

82

Hình 4.13

Quan hệ giữa dịng điện và lực nâng theo phương x

82

Hình 4.14

Đáp ứng của độ dịch chuyển trong trạng thái bắt đầu nâng

83

Hình 4.15

Chuyển dịch vị trí của trục quay theo phương x, y của ổ đỡ từ 1 và 84
2 so với vị trí cân bằng

Hình 4.16

Quỹ đạo của trục quay

84

Hình 4.17

Quan hệ của độ dịch chuyển và tốc độ làm việc của ổ đỡ từ 2

85

Hình 4.18

Quan hệ của độ dịch chuyển và tốc độ làm việc của ổ đỡ từ 1

86

Hình 4.19

Kết quả phân tích FFT cho độ dịch chuyển của ổ đỡ từ tại 0 87
vịng/phút

Hình 4.20

Kết quả phân tích FFT cho độ dịch chuyển của ổ đỡ từ tại 5.000 87
vòng/phút

xi


LỜI CẢM ƠN

Trong q trình làm luận án, tơi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ
các thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn 2 cán bộ hướng dẫn GS.TS Đỗ Khắc Đức và
PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã tận tình và giành tâm huyết hướng dẫn tơi trong
suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, động viên của gia đình; cảm ơn lãnh
đạo Đại học Thái Nguyên, Ban Tổ chức cán bộ, các ban chức năng của Đại học
Thái Nguyên đã tạo điều kiện về thời gian thuận lợi để tơi hồn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo Khoa điện thuộc
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, bạn bè đồng nghiệp; tập thể các thầy cô,

giáo Bộ môn Điều khiển tự động, Bộ môn Tự động hóa – Viện Điện – Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội; Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao công nghệ
cao Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ bảo và tạo điều kiện
thuận lợi trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thanh Bình

xii


1

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 vòng 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 khơng 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 (từ 5.000 v/ph đến trên 10.000 v/ph), địi hỏi độ chính xác
lớn, làm việc trong các môi trường không 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 ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại cho ổ đỡ từ.
Nội dung luận án này sẽ định hướng nghiên cứu theo hướng thứ 4.
Đề tài nghiên cứu bao gồm các nội dung chính như sau:
1. Nghiên cứu tổng quan về ổ đỡ từ và ứng dụng của nó trong cơng nghiệp
và các lĩnh vực liên quan.
2. Mơ tả tốn học ổ đỡ từ cho trục quay với tốc độ cao.
3. Thiết kế bộ điều khiển tách kênh phi tuyến cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do.
4. Tiến hành nghiên cứu mơ hình ổ đỡ từ bốn bậc tự do bằng mô phỏng và
thực nghiệm.


2

2. Tính cấp thiết của đề tài
Khác với các loại ổ trục cơ khí, ổ đỡ từ khơng có sự tiếp xúc giữa phần tĩnh và
phần động. Do đó, ổ đỡ từ sử dụng trong các hệ truyền động điện đang được coi là
một ngành công nghệ tiên tiến và thân thiện với mơi trường. Chúng 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. Những nghiên cứu về
ổ đỡ từ thường tập trung chủ yếu tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Đức
và Thụy Sỹ, hiện nay trước khả năng ứng dụng mạnh mẽ của động cơ điện dùng ổ
đỡ từ trong nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu về chế tạo động cơ điện dùng ổ đỡ từ và

các ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển như Trung
Quốc, Hàn Quốc, Brazil,...
Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm
công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm
công nghệ xanh mới. Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do
kích thước lớn và giá thành cao. Nhưng trong tương lai gần (5 năm) khi các nghiên
cứu thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự
thay thế vịng bi cơ khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết
bị quốc phịng và cơng nghiệp vũ trụ,... sẽ là điều tất yếu.
Phần quan trọng của các ổ đỡ từ là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển
cho các ổ đỡ từ có chất lượng thấp như khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu
điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các ổ đỡ từ có tính
phi tuyến cao, các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao
gồm các ổ đỡ từ) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi
trong quá trình hoạt động chưa được nghiên cứu và phát triển hồn thiện để có thể
ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển đảm bảo cho các ổ đỡ từ có khả năng
hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc. Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều
khiển nhằm nâng cao chất lượng cho ổ đỡ từ là cấp thiết.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Điều khiển ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do, trong hệ truyền động điện sử
dụng động cơ điện đồng bộ, kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có chặn chuyển
động dọc trục, làm việc với tốc độ cao.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong việc xây dựng mơ tả tốn học
có sự tác động của nhiễu và thơng số bất định để tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến


3

biểu diễn dưới dạng phương trình Euler – Largrange (EL) đủ cơ cấu chấp hành tách kênh phi tuyến, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển so với hệ điều khiển
tuyến tính kinh điển.

4. Phương pháp nghiên cứu
- Dựa trên các định luật về cơ, điện và từ để tính toán động lực học cho một hệ
ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do.
- Mơ tả tốn học cho ổ đỡ từ hướng kính bốn bậc tự do dưới dạng EL.
- Thiết kế bộ điều khiển PD bù trọng trường.
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm.
5. Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết và triển
vọng về kết quả đạt được
- Xây dựng mô tả toán học của ổ đỡ từ bốn bậc tự do, chịu lực hướng tâm.
- Thiết kế điều khiển tách kênh phi tuyến cho hệ ổ đỡ từ chịu tác dụng của
nhiễu và có thơng số bất định.
- Mơ phỏng và thực nghiệm về điều khiển hệ ổ đỡ từ trên thiết bị của phịng thí
nghiệm.
6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
6.1. Về kinh tế xã hội
- 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.
- Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu tiếp
theo, nhằm đưa ứng dụng rộng rãi của ổ đỡ từ vào các hệ truyền động điện – tự
động hóa ở Việt Nam, nhất là khi hệ có yêu cầu đặc biệt như đã kể ở trên.
6.2. Về mặt khoa học công nghệ
Ý nghĩa khoa học là nghiên cứu triển khai ứng dụng các bộ điều khiển phi
tuyến vào điều khiển đối tượng có đặc tính động học đặc biệt, nhằm nâng cao nâng
cao chất lượng hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ. Đây là một trong những cơng trình
khoa học đầu tiên nghiên cứu về ổ đỡ từ được công bố trong nước và cũng là một
hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng ứng dụng cao vào nghiên cứu khoa học trong
nước.

4

6.3. Về thực tiễn
Kết quả nghiên cứu sẽ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên cao
học cũng như các nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu về ổ đỡ từ và điều khiển ổ
đỡ từ. Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu tiếp
theo, nhằm đưa ứng dụng rộng rãi của ổ đỡ từ vào các hệ truyền động điện ở Việt
Nam, nhất là hệ có yêu cầu đặc biệt (tốc độ cao, nhiệt độ cao hoặc quá thấp, môi
trường chân không, không được bôi trơn dầu mỡ,...).
1.1.1 7. Bố cục của luận án
Luận án được chia làm 4 chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan ổ đỡ từ, đưa ra một cách khái quát về các thiết
bị công nghiệp, dụng cụ y sinh học đã sử dụng ổ đỡ từ cũng như đề cập đến các vấn
đề phi tuyến của đối tượng cần nghiên cứu là ổ đỡ từ. Phân tích các kết quả nghiên
cứu trong và ngoài nước với các hướng nghiên cứu về ổ đỡ từ như mở rộng phạm vi
ứng dụng, tìm cách thu nhỏ kích thước, làm việc trong mơi trường khắc nghiệt, ứng
dụng các phương pháp điều khiển hiện đại. Đề xuất phương pháp điều khiển tách
kênh phi tuyến dựa trên hệ EL nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống so
với phương pháp điều khiển PID kinh điển.
Chương 2: Trình bày cơ sở tính tốn về động lực học, tính tốn các thành phần
lực tương tác và xây dựng mơ hình tốn học cho ổ đỡ từ hướng tâm bốn bậc tự do
dưới dạng EL.
Chương 3: Thiết kế điều khiển cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do bằng phương pháp
PD bù trọng trường, tách kênh phi tuyến, mô phỏng và đánh giá chất lượng bộ điều
khiển bằng tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch.
Chương 4: Dựa trên kết quả chương 3, tiến hành xây dựng mơ hình thực
nghiệm và làm các thí nghiệm đánh giá điều khiển theo các phương x và y.
Kết luận và kiến nghị.

5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ VÀ Ổ ĐỠ TỪ
1.1. Khái niệm về ổ trục và ổ đỡ trục
1.1.1. Ổ trục
Ổ trục là một chi tiết máy thuộc lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Nó có 2 dạng chính
là ổ lăn (vòng bi, ổ bi) và ổ trượt.
Ổ lăn là một dạng của ổ đỡ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma
sát bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động
thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung
hình khuyên. Ổ lăn ở một số thiết bị khác còn được gọi là vòng bi hay ổ bi. Dựa vào
khả năng chịu lực hướng tâm hay hướng trục hoặc cả hai, mà ổ bi chia ra gồm: Ổ bi
đỡ một dãy (Hình 1.1a); ổ bi đỡ chặn; ổ bi chặn đỡ; ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy; ổ đũa
đỡ trụ ngắn; ổ đũa cơn; ổ đũa đỡ lịng cầu hai dãy,... một số loại ổ lăn điển hình
được thể hiện trên Hình 1.1b.

b)

a)
Hình 1.1: a) Hình dạng ổ bi đỡ một dãy
b) Hình ảnh một số loại ổ lăn

Ổ trượt là một dạng ổ đỡ trục dùng ma sát trượt (Hình 1.2a). Giữa ngõng trục
và thành ổ là dầu ngăn cách tránh cho thành ổ tiếp xúc trực tiếp với ngõng trục. Bao
gồm các loại: Ổ trượt đỡ chỉ chịu lực hướng tâm, ổ trượt chặn chỉ chịu lực dọc trục,
còn ổ trượt đỡ chặn chịu được cả lực hướng tâm và lực dọc trục.
Khi trục quay với vận tốc rất cao và khi kích thước trục khá lớn khơng dùng
được ổ lăn vì khó tìm được ổ lăn thỏa mãn nên phải dùng ổ trượt. Trong các môi

trường đặc biệt (trong nước, mơi trường ăn mịn,...) ổ lăn thường làm bằng kim loại


6

nên dễ bị mịn. Khi đó có thể chế tạo ổ trượt bằng gỗ, cao su,... để phù hợp với mơi
trường.

a)

b)

a)

b)
Hình 1.2: a) Kiểu dáng ổ đỡ trượt
b) Hình ảnh một số loại ổ trượt

1.1.2. Ổ đỡ từ
 Vài nét về lịch sử phát triển ổ đỡ từ
Ý tưởng về việc treo một đối tượng bằng từ trường đã được đặt ra từ giữa
những năm 1842 trong bài báo của Earnshaw (On the nature of molecular forces),
mãi đến năm 1934 Braunbeck mới đề cập sử dụng lực nâng bằng từ trường, những
hoạt động sản xuất công nghiệp tại thời điểm đó về ổ đỡ từ được thực hiện bởi tập
đồn S2M ở Vernon, Pháp. Rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế của ổ từ
đã trở thành hiện thực từ những năm 1960. Tuy nhiên, giá thành và độ phức tạp của
nó đã cản trở việc ứng dụng và phát triển trong công nghiệp. Từ những năm 1988
trở lại đây, do sự phát triển trong công nghệ điều khiển, cả về phần cứng lẫn phần
mềm cũng như kỹ thuật vật liệu và cơng nghệ chế tạo cơ khí,... góp phần làm giảm
kích thước, độ phức tạp cũng như giá thành của ổ từ. Điều đó, đã tạo cơ hội cho

việc phát triển sử dụng ổ từ trong công nghiệp và trong các dụng cụ cao cấp của y
sinh học. Cho đến năm 2010, đã tổ chức được 12 hội nghị quốc tế về ổ từ [15].
 Định nghĩa
Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển
động nhờ vào lực từ trường (Hình 1.3). Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp
xúc với nhau, cho nên ổ đỡ từ đang được coi là một ngành công nghệ trọng điểm
của thế kỷ 21, có thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo
và sản xuất nhờ những ưu điểm nổi bật như sau mà ổ cơ khơng có được:


7

- Khơng có hao mịn khi vận hành do phần quay của động cơ không tiếp xúc
với bất kỳ bộ phận nào;
- Tăng hiệu suất của động cơ nhờ chuyển động khơng có ma sát;
- Thân thiện với mơi trường: Khơng có bộ phận bơi trơn;
- Khả năng làm việc với tốc độ cao;
- Khả năng loại bỏ các rung động khi chuyển động;
- Khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt.
Nhưng nhược điểm là:
- Giá thành cao;
- Cần có điều khiển cho AMB.

Hình 1.3: Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ.

 Phân loại ổ đỡ từ [1]

a)

b)

Hình 1.4: Ổ đỡ từ ngang trục (a) và ổ đỡ từ dọc trục (b).


8

Ổ đỡ từ được phân loại như sau:
Ổ đỡ từ
ngang trục
Theo
chức năng
(Hình 1.4)

Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ
nâng trục chuyển động theo hướng ngang trục
(hướng x và y).
Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ

Ổ đỡ từ
dọc truc

nâng trục chuyển động theo hướng dọc trục.
Được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu để
tạo ra lực nâng theo nguyên lý hút hoặc đẩy.
PMB có đặc điểm:

Ổ đỡ từ
thụ động
(PMB)

- Kích thuớc nhỏ gọn
- Khơng cần bộ điều khiển
- Lực nâng cố định
- Dễ chế tạo
- Giá thành cao
Được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu và
chất siêu dẫn, lực nâng được tạo ra theo

Ổ đỡ từ
siêu dẫn
(SMB)

Phân
loại ổ
đỡ từ

nguyên lý đẩy. SMB có đặc điểm:
- Kích thuớc nhỏ gọn
- Khơng cần bộ điều khiển
- Lực nâng cố định
- Làm việc ở môi trường nhiệt độ thấp

Theo
cấu tạo
(Hình 1.5)

- Giá thành cao
Làm việc dựa trên nguyên tắc chênh lệch của
lực hấp dẫn điện từ. Ổ đỡ từ chủ động bao
gồm nhiều bộ phận như nam châm điện, bộ

Ổ đỡ từ
chủ động
(AMB)

biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách.
AMB có đặc điểm:
- Kích thước lớn
- Cấu trúc phức tạp
- Có đặc tính động tốt
- Lực nâng có thể điều chỉnh
- Giá thành cao

 Đây là loại ổ đỡ được đề cập nghiên
cứu trong luận án


9

Superconductor

PM

b)

a)

c)
Hình 1.5: Ổ đỡ từ thụ động (a), ổ đỡ từ siêu dẫn (b),
ổ đỡ từ chủ động (c)

Ngoài ra cũng còn một số cách phân loại ổ đỡ từ khác như: Theo lực từ, theo
cảm biến, theo tải trọng, theo từ trường (hiệu ứng từ), theo ứng dụng,…
 Ổ đỡ từ chủ động AMB hướng tâm [1]
Hình dạng bên ngoài và các bộ phận chủ yếu của ổ đỡ từ chủ động 4 cực
(AMB) hướng tâm như hình 1.6.
Ổ đỡ từ có cấu tạo tương tự như một động cơ điện, tuy nhiên thay vì tạo ra
mơ men xoắn để quay rotor, nó lại tạo ra một lực để nâng rotor quay trong lòng ổ
(stator), khi nâng khoảng cách giữa rotor và stator rất nhỏ (0,5÷2mm) [2].
Một ổ đỡ từ bao gồm có 3 bộ phận chính:
- Ổ đỡ từ và trục được treo trong lòng nhờ từ trường
- Các cảm biến
- Hệ thống điều khiển


10

Cảm biến
khoảng cách

Hệ thống
điều khiển

Nguồn dịng

b)

a)

Hình 1.6: a)Hình dạng; b) Các bộ phận cơ bản của ổ đỡ từ

Nguyên tắc làm việc của ổ đỡ từ tương tự như một nam châm điện, nghĩa là,
có thể tạo nên chuyển dịch cơ học theo một phương nào đó bằng các lực (hút hoặc
đầy) điện từ.
 Nguyên lý nâng dùng lực từ



Cơ cấu chấp hành điện từ

Biến tần
một pha

Cơ cấu điện từ (Stator)

Bộ ĐK

Rotor
Rotor

Lực từ fm
Trọng lượng rotor mg

Hình 1.7: Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB
Sensor

Hình 1.7: Cấu trúc AMB một bậc tự do

Trước hết, ta xem xét một cấu trúc mơ tả cho AMB tối giản trong hình 1.7 là
một bậc tự do. Từ việc phân tích và hiểu rõ các thuộc tính cơ bản của một hệ thống

với một bậc tự do (Degree of Freedom - DOF), thì việc phân tích và xây dựng một
mơ hình tốn học cho một hệ thống nhiều hơn một bậc tự do sẽ dễ dàng và thuận lợi
hơn. Hình 1.7 mơ tả cấu trúc cơ bản của một vòng điều khiển kín cho AMB với các


11

thành phần cần thiết để cấu thành nên một hệ thống AMB theo một phương (x). Các
thành phần này và chức năng của chúng sẽ được mô tả sơ bộ dưới đây.
Đây là một hệ thống không ổn định cố hữu. Sự mất ổn định này là do lực hấp
dẫn của cơ cấu điện từ. Do đó, cần thiết phải có một giải pháp điều khiển tích cực
đối với mạch từ.
Cơ cấu điện từ bao gồm một rotor được treo tự do tại một khoảng cách danh
định so với cơ cấu điện từ. Cảm biến vị trí khơng tiếp xúc (thường là kiểu cảm biến
dịng điện xốy hoặc cảm biến điện cảm) sẽ đo độ sai lệch x giữa vị trí mà ta mong
muốn x0 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 khơng chỉ làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực hấp dẫn fm được tạo
ra bởi mg (tích của trọng lượng rotor với gia tốc trọng trường) tại điểm làm việc tĩnh
mà còn nhằm đạt được sự ổn định hóa, chính là chất lượng quan trọng nhất của quá
trình điều khiển. Khi rotor chuyển dịch vượt quá giá trị x0, cảm biến vị trí sẽ cung
cấp một tín hiệu đến bộ điều khiển, kết quả bộ điều khiển sẽ gửi một tín hiệu đến
một bộ biến tần một pha, làm thay đổi biên độ của dòng điện tần số cao cung cấp
cho cuộn dây của cơ cấu điện từ và sau đó, sẽ tạo ra được lực điện từ fm như mong
muốn và đưa rotor trở về giá trị cân bằng (vị trí danh định). Về cơ bản, luật điều
khiển sẽ hoạt động theo cách thức: khi rotor dịch chuyển đi xuống, cảm biến sẽ
cung cấp một tín hiệu chuyển dịch để làm tăng dịng điện điều khiển, lực điện từ gia
tăng khi đó sẽ kéo rotor quay trở lại vị trí danh định của nó.
Bộ biến tần một pha và cơ cấu điện từ của AMB là các thành phần phụ thuộc
chặt chẽ với nhau. Các thuộc tính quan trọng của AMB, chẳng hạn như động lực

học của lực phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế của cả bộ biến tần và cơ cấu điện từ của
AMB, bao gồm dòng điện và điện áp bộ khuếch đại, hình dạng của ổ đỡ từ, số vịng
dây và điện cảm của cuộn dây [1].
 Ứng dụng của ổ đỡ từ
Ổ đỡ từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:
(1). Trong lĩnh vực Công nghệ bán dẫn
(2). Trong lĩnh vực Công nghệ sinh học
(3). Trong lĩnh vực Công nghệ chân không
(4). Trong lĩnh vực kỹ thuật công nghệ chính xác
(5). Trong lĩnh vực kỹ thuật năng lượng
(6). Trong lĩnh vực kỹ thuật hàng không
(7). Trong lĩnh vực động lực học (máy nổ, máy phát, turbin).