Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:106

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép" là xây dựng mô hình toán học cho động cơ tự nâng stator không lõi thép để làm rõ khả năng sinh lực đồng thời cả mô men quay lẫn lực nâng ngang trục. Xây dựng hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép nhằm đảm bảo điều khiển được cả lực nâng ngang trục lẫn mô men quay của động cơ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Võ Đức Nhân NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Quang Địch 2. TS. Nguyễn Trường Giang HÀ NỘI-2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Nghiên cứu sinh Võ Đức Nhân PGS. TS. Nguyễn Quang Địch TS. Nguyễn Trường Giang i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho phép tôi thực hiện luận án này. Cảm ơn Phòng Đào tạo, Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa đã luôn hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này. Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy, người giáo viên hướng dẫn của tôi là PGS.TS. Nguyễn Quang Địch, TS. Nguyễn Trường Giang đã luôn tận tâm, tận lực hỗ trợ, động viên, hướng dẫn về mặt chuyên môn trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa và các giảng viên của Khoa Tự động hóa, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đưa ra những góp ý, chỉ dẫn giúp tôi hoàn thành mô hình thử nghiệm phần cứng cho luận án của mình. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Phạm Thị Lý, Trường Đại học Giao thông Vận tải và ThS. Nguyễn Xuân Biên, Trường Đại học Thủy lợi đã trợ giúp thực hiện đề tài luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thiện luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, Lãnh đạo Bộ Khoa học và Công nghệ, Lãnh đạo Vụ và các anh chị, em của Vụ Phát triển khoa học và công nghệ địa phương, Bộ Khoa học và Công nghệ và bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình tôi tham gia khóa học này. Nghiên cứu sinh Võ Đức Nhân ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT .................................... v CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP ................................................................................................. 6 1.1 Tình hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép ............................... 6 1.2 Tổng quan về động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực Lorentz ...................................................................................................................... 10 1.2.1 Cấu tạo của động cơ tự nâng stator không lõi thép ......................................... 10 1.2.2 Khái quát về lực Lorentz áp dụng cho động cơ tự nâng stator không lõi thép 16 1.2.3 Cơ chế tạo lực ổ từ ........................................................................................... 17 1.2.4 Cơ chế sinh mô men quay ............................................................................... 20 1.3 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép…………..…………21 1.4 Mô hình nghiên cứu của đề tài luận án ............................................................... 23 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP ............................................................................. 25 2.1 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép (TNSKLT) dây quấn rải ......... 25 2.1.3 Phân tích nguyên lý điều khiển mô men quay động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải....................................................................................................... 32 2.2 Mô hình mạch lực của truyền động động cơ tự nâng stator không lõi thép ....... 35 2.3 Động lực học quá trình điện từ động cơ tự nâng stator không lõi thép .............. 36 2.3.1 Động lực học mạch phần ứng .......................................................................... 36 2.3.2 Động lực học mạch vòng điều khiển lực ......................................................... 36 2.3.3 Động lực học chuyển động .............................................................................. 37 2.4 Mô hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép................................ 39 2.5 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng I .................... 40 iii
2.6 Phân tích điều khiển lực ổ từ cho động cơ TNSKLT dây quấn rải (dạng II).….43 2.7 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển có khử nhiễu cho động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng II……………………………………………….……………...47 2.8 Phân tích chọn mô hình điều khiển .................................................................... 49 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP ............................................................................................... 51 3.1 Khái quát chung .................................................................................................. 51 3.1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 51 3.2 Cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT .............................................................. 53 3.3 Tổng hợp các mạch vòng tốc độ ......................................................................... 55 3.4 Phân tích phương án điều khiển phản hồi đầu ra với bộ điều khiển PID mạch vòng vị trí........................................................................................................................... 56 3.4.1 Đặc điểm mạch vòng vị trí: ............................................................................. 56 3.4.2 Phân tích lựa chọn phương án ......................................................................... 57 3.4.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí ............................................................ 58 3.4.4 Đánh giá mạch vòng vị trí theo tiêu chí bám lượng đặt và kháng nhiễu......... 59 3.4.5 Thiết kế bù nhiễu ngoại ................................................................................... 61 3.5 Mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT ....................................................... 63 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TNSKLT VÀ THỰC NGHIÊM ................................................................................................................. 68 4.1 Khái quát chung .................................................................................................. 68 4.2 Giới thiệu các thiết bị trong thực nghiệm ........................................................... 69 4.3 Thực nghiệm xác định thông số ban đầu ............................................................ 73 4.4 Thử nghiệm về điều khiển .................................................................................. 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 80 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 83 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 88 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT a-d cuộn dây stator b-e cuộn dây stator c-f cuộn dây stator d- trục cực từ B (T) Cường độ từ trường D Nhiễu E (V) sức điện động F (N) lực từ Fad Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây a-d Fbe Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây b-e Fcf Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây c-f F (A vòng) Sức từ động G Hàm truyền GF Hàm truyền Feedforwward I (A) dòng điện Iad (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator a-d Ibe (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator b-e Icf (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator c-f I ad (A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator a-d f I be (A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator b-e f I cf (A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator c-f f I ad (A) Dòng điện sinh mô men của cuộn dây stator a-d T I be (A) Dòng điện sinh lực mô men của cuộn dây stator b-e T I cf (A) Dòng điện sinh lực mô men của cuộn dây stator c-f T k hệ số kfx (N/A) hệ số tỷ lệ lực với dòng điện trục X kfy (N/A) hệ số tỷ lệ lực với dòng điện trục km (Nm/A) hệ số tỷ lệ mô men v
L (H) điện cảm cuộn dây ℓ (mm) chiều cao cuộn dây stator M (Nm) mô men của động cơ n (v/p) tốc độ động cơ q- Trục tọa độ R (Ω) điện trở r (mm) bán kính rotor U (V) Điện áp X trục X x(mm) là khoảng cách khe hở giữa rotor và stator của động cơ theo trục X y(mm) là khoảng cách khe hở giữa rotor và stator của động cơ theo trục Y Z Trục Z Δ (mm) là khe hở không khí giữa rotor và stator của động cơ γ (rad) góc lệch giữa véc tơ từ trường và véc tơ dòng điện Ψ (rad) góc quay của cực từ rotor ω (rad/s) tốc độ góc của động cơ Β (rad) góc lệch của lực Lorentz của cuộn dây a-d với trục X  là gia số x (mm) sai lệch trục X y (mm) sai lệch trục Y y (mm) sai lệch trục y Fx (N) Biến thiên lực trục X Fy (N) Biến thiên lực trục Y I x (N) Biến thiên dòng trục X I y (N) Biến thiên dòng trục Y TNSKLT: Động cơ tự nâng stator không lõi thép vi
CHỮ VIẾT TẮT ABM : Active Magnetic Bearing SSBM : Slotless Self-Bearing Motor TN SKLT: Tự nâng stator không lõi thép vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU B 2.1 Thông số kích thước động cơ B 3.1 Thông số động cơ B 4.1 Số liệu thí nghiệm về sức điện động động cơ viii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Động cơ sử dụng ổ từ thông thường ............................................................ 6 Hình 1.2 Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục ......................................................... 6 Hình 1.3 Động cơ tích hợp ổ từ ngang trục theo nguyên lý Lorentz………………..8 Hình 1.4 Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý Lorentz không răng rãnh...…………….......................................................................................................9 Hình 1.5 Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý Lorentz………….10 Hình 1.6 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép ….... ………………..11 Hình 1.7 Cấu trúc rotor động cơ tự nâng stator không lõi thép ...............................12 Hình 1.8. Đường sức từ khi có vỏ sắt ..................................................................... 12 Hình 1.9. Cấu tạo stator động cơ tự nâng stator không lõi thép ............................... 13 Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo một vòng dây thanh dẫn của động cơ .............................. 14 Hinh 1.11. Sơ đồ bố trí dây dẫn stator động cơ tự nâng stator không lõi thép ......... 14 Hình 1.12. Sơ đồ mô tả động cơ tự nâng stator không lõi thép ................................ 15 Hình 1.13. Đồ thị véc tơ lực do cặp cuộn dây a-d tác động lên rotor ...................... 17 Hình 1.14. Mô tả sự lệch tâm rotor của động cơ tự nâng stator không lõi thép ....... 19 Hình 1.15. Phân tích thành phần lực tạo mô men của động cơ TNSKLT................ 20 Hình 1.16 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép ……… .22 Hình 1.17. Sơ đồ cuốn dây stator của mô hình nghiên cứu động cơ TNSKLT ....... 23 Hình 2.1. Mô hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép .................... 25 Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo động cơ TNSKLT .......................................................... 26 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý nối dây cuộn dây stator ............................................ 27 Hình 2.4. Sức từ động của cặp dây cuốn thứ k ......................................................... 28 Hình 2.5. Sơ đồ véc tơ sức từ động của cuộn dây stator .......................................... 28 Hình 2.6. Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây (a). Đồ thị véc tơ lực ổ từ của rotor tác động lên ba cặp cuộn dây (b) ....................................................... 29 Hình 2.7. Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây chiếu lên trục X- Y ............................................................................................................................... 29 Hình 2.8. Lực ổ từ của động cơ TNKLT khi hệ đứng im khi đồng tâm (a) và khi lệch tâm (b) trên tọa độ X-Y ............................................................................................ 31 ix
Hình 2.9. Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị của động cơ tự nâng stator không lõi thép ........................................................................................................................... 33 Hình 2.10. Biểu diễn dòng điện stator động cơ trong không gian véc tơ ................. 34 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch lực và đo lường động cơ TNSKLT……………..35 Hình 2.12. Sơ đồ thay thế một pha mạch phần ứng của động cơ tự nâng stator không lõi thép ...................................................................................................................... 36 Hình 2.13. Cấu trúc đối tượng điều khiển vị trí rotor ............................................... 37 Hình 2.14. Mô tả rotor quay lệch tâm ...................................................................... 38 Hình 2.15. Sơ đồ mô tả đối tượng điều khiên mô men ............................................ 39 Hình 2.16. Sơ đồ động học mạch vòng điều khiển vị trí……………………...…...41 Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép có chức năng ổ từ dạng I .......................................................................................... 43 Hình 2.18 Sơ đồ biến đổi lực nâng (a-d, b-e, c-f) sang (X-Y) .................................44 Hình 2.19 Sơ đồ mô tả biến đổi lực nâng trên hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f)...45 Hình 2.20 Sơ đồ biến đổi dòng điện hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) ..................46 Hình 2.21 Sơ đồ tính toán biên độ và vị trí dòng điện để tính quy đổi.................... 47 Hình 2.22 Sơ đồ khối đối tượng mạch vòng điều khiển vị trí ..................................48 Hình 2.23. Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải (dạng II) ............................................................................................................... 48 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT…………………53 Hình 3.2. Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ của động cơ TNSKLT ................ 55 Hình 3.3. Cấu trúc được đơn giản mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ TNSKLT ................................................................................................................... 55 Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển vị trí một mạch vòng có bộ điều khiển PI ................ 56 Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển vị trí có hai mạch vòng nối tầng............................... 57 Hình 3.6. Cấu trúc điều khiển vị trí PD có hai mạch vòng nối song song ............... 57 Hình 3.7. Cấu trúc điều khiển vị trí kiểu PD song song ........................................... 58 Hình 3.8. Mạch vòng điều khiển vị trí...................................................................... 58 Hình 3.9. Đáp ứng mạch vòng vị trí có sai lệch ban đầu và có nhiễu tải Fc ............ 59 Hình 3.10. Dạng nhiễu ngoại D. .............................................................................. 60 Hình 3.11. Đáp ứng điều khiển khi có nhiễu ngoại mạch vòng vị trí. ..................... 61 x
Hình 3.12. Cấu trúc điều khiển có bù nhiễu D ........................................................ 61 Hình 3.13. Đáp ứng của hệ khi có nhiễu ngoại khi có thiết kế bù nhiễu ................. 63 Hình 3.14. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT …………………..63 Hình 3.15. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT ……………………66 Hình 4.1. Mô hình thử nghiệm động cơ tự nâng stator không lõi thép .................. 668 Hình 4.2. Hình ảnh động cơ tự nâng stator không lõi thép trong bộ thí nghiệm ... 669 Hình 4.3. Card điều khiển DS1104 .......................................................................... 70 Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý khuếch đại dòng điện .................................................... 71 Hình 4.5. Cảm biến LS-500-2A ............................................................................... 71 Hình 4.6. Hình ảnh hệ thống thực nghiệm ............................................................... 72 Hình 4.7. Mô hình điều khiển xây dựng trên Matlab-Simulink ............................... 72 Hình 4.8. Giao diện điều khiển ControlDesk ........................................................... 73 Hình 4.9. Dạng sóng sức điện động động cơ a) Lúc bắt đầu chạy b) Chạy ổn định 74 Hình 4.10. Kết quả thực nghiệm hệ điều khiển vị trí ............................................... 76 Hình 4.11. Đáp ứng vị trí và tốc độ để khảo sát xen kênh ....................................... 77 Hình 4.12. Kết quả thực nghiệm điều khiển tốc độ .................................................. 78 Hình 4.13. Đáp ứng đánh giá sai số quỹ đạo x-y khi động cơ chạy ổn định tại tốc độ 4000v/p ..................................................................................................................... 78 xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Động cơ điện tự nâng là động cơ điện trong đó rotor của động cơ được nâng hoàn toàn không có tiếp xúc trong không gian nhờ vào lực từ, như vậy ngoài khả năng sinh mô men quay thì động cơ này còn có khả năng tự sinh lực nâng để giữ cố định rotor. Trong thời gian gần đây động cơ điện sử dụng ổ từ là một hướng nghiên cứu mới thu hút mạnh mẽ nhiều nhà khoa học trên thế giới. Chúng được giới thiệu như những phần tử máy rất có giá trị với nhiều đặc điểm công nghệ mới và có phạm vi ứng dụng rất rộng. Các nghiên cứu về động cơ sử dụng ổ 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 ổ từ trong nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu về chế tạo động cơ ổ từ và các ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển như Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil… Ma sát, sự mài mòn và chất bôi trơn trong các vòng bi cơ của động cơ điện thông thường khiến cho các động cơ này không thể hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt như chân không, trong các môi trường có nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp hoặc trong các môi trường hóa chất. Ngoài ra sự hiện diện của chất bôi trơn trong vòng bi còn là tác nhân gây ra ô nhiễm trong các ngành công nghiệp sạch như chế biến dược phẩm, thực phẩm, công nghệ vật liệu và công nghệ sinh học… Hình 1. Động cơ vòng bi cơ Để khắc phục những nhược điểm trên của động cơ vòng bi cơ, rất nhiều loại ổ đỡ khác đã được nghiên cứu như ổ đỡ kiểu đệm khí nén, ổ đỡ kiểu đệm từ trường… trong đó kiểu ổ đỡ dùng đệm từ trường (ổ từ) được đặc biệt quan tâm do chúng có kích thước nhỏ, có khả năng điều chỉnh được lực nâng cũng như có khả năng giám 1
sát được quá trình làm việc thông qua hệ thống điều chỉnh điện tử cho ổ từ. Các ổ từ sẽ tạo ra lực nâng trục quay của động cơ (rotor) thông qua từ trường vì vậy rotor của động cơ sẽ không tiếp xúc với bất kỳ vật nào. Kết quả là chuyển động quay của trục không gây ra hao mòn, không có ma sát và cũng không cần hệ thống bôi trơn và do đó làm tăng hiệu suất của động cơ điện, giảm chi phí bảo dưỡng cũng như không gây ra ô nhiễm môi trường làm việc. Với những ưu điểm nổi bật có được nhờ khả năng nâng vật chuyển động không có tiếp xúc, động cơ ổ từ được coi là một sản phẩm công nghệ mới, có hàm lượng khoa học cao, thân thiện với môi trường và có khả năng thúc đẩy mạnh mẽ đến sự phát triển khoa học và công nghệ trong thế kỷ 21 cả trong nghiên cứu cơ bản lẫn nghiên cứu ứng dụng [1]. Các lĩnh vực ứng dụng chính của động cơ ổ từ bao gồm: - Nâng cao hiệu suất của hệ truyền động: Do trục quay của động cơ chuyển động không có tiếp xúc với phần cố định nên tổn hao do ma sát gần như bằng không. Điều này cho phép động cơ làm việc với hiệu suất và tốc độ quay rất cao. Các ứng dụng dạng này thường tập trung vào các máy nén cao tốc, các máy công cụ… Ví dụ trong hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW với tốc độ quay là 12000 vòng phút sử dụng động cơ điện dùng ổ từ được thay thế cho động cơ sử dụng vòng bi thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700000 kWh/năm [2÷3]. - Các ngành công nghệ sạch: Trục quay của động cơ điện dùng ổ từ không tiếp xúc với phần tĩnh do đó không có các hạt bụi do mài mòn tạo ra cũng như không cần sử dụng các chất bôi trơn. Kết quả là động cơ điện dùng ổ từ không gây ô nhiễm tới môi trường xung quanh. Với ưu điểm này động cơ điện dùng ổ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, công nghệ sinh học (bơm hóa chất [4÷5], bơm máu trong tim nhân tạo [6÷8]…). - Trong các môi trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn, động cơ điện dùng ổ từ còn được nghiên cứu ứng dụng trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng, -2760C [9]) và rất nóng (5500C [10]). 2
Hình 2. Cấu trúc chung của động cơ ổ từ thông thường Hình 3. Ứng dụng động cơ sử dụng ổ từ trong máy nén khí siêu tốc Trong các động cơ điện sử dụng ổ từ thông thường, động cơ điện được đặt giữa hai ổ từ ngang trục. Hai ổ từ này có nhiệm vụ điều chỉnh các hướng chuyển động x1, y1, x2 và y2 của trục quay của động cơ. Còn chuyển động dọc trục của trục quay (hướng z) được điều khiển bởi một ổ từ từ dọc trục. Các lực nâng trục được điều khiển bằng hệ thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay của động cơ luôn nằm chính giữa lõi stator. Như vậy, kể cả chuyển động quay do động cơ điện sinh ra thì động cơ điện ổ từ có 6 bậc tự do [11]. So với động cơ vòng bi cơ, động cơ điện sử dụng ổ từ có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao vì vậy sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng. Để khắc phục những nhược điểm này các hướng nghiên cứu kết hợp chức năng động cơ điện với ổ từ đang được tiến hành, trong đó điển hình là hai hướng nghiên cứu tích hợp chức năng ổ từ ngang trục vào động cơ [12÷20] hoặc tích hợp chức năng ổ từ dọc trục vào động cơ [21÷25]. Cho đến nay, các phương án tích hợp này thường được triển khai trên các loại động cơ có sử dụng lõi thép. Tuy nhiên khi động cơ ổ từ chạy ở tốc độ cao thì thường yêu cầu bộ nguồn cấp tần số lớn. Trong khi đó, các vật liệu từ hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu này vì vậy đã mở ra một hướng nghiên cứu về vấn đề này là nghiên cứu động cơ không lõi thép có tích hợp ổ từ [22-45]. Hướng nghiên cứu này đã được rất nhiều các nhà nghiên cứu trong nước và nước ngoài quan 3
tâm nghiên cứu và dần dần đã đạt được một số thành công nhất định cho loại động cơ này. Do đó hướng nghiên cứu của luận án là phát triển hệ điều khiển cho động cơ tự nâng stator không lõi thép là phù hợp với tình hình nghiên cứu chung trên thế giới và có tính cấp thiết hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu a. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mô hình toán học cho động cơ tự nâng stator không lõi thép để làm rõ khả năng sinh lực đồng thời cả mô men quay lẫn lực nâng ngang trục. - Xây dựng hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép nhằm đảm bảo điều khiển được cả lực nâng ngang trục lẫn mô men quay của động cơ. b. Đối tượng nghiên cứu Động cơ tự nâng stator không lõi thép sử dụng dây quấn rải và rotor nam châm vĩnh cửu. c. Phạm vi nghiên cứu Hệ điều khiển tốc độ và vị trí ngang trục của động cơ tự nâng stator không lõi thép. d. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở tiếp thu các kết quả nghiên cứu từ các công trình nghiên cứu đã công bố ở trong nước và nước ngoài cũng như thành quả nghiên cứu của Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (Viện KTĐK&TĐH), Đại học Bách khoa Hà Nội để từ đó đề xuất phương pháp hoàn thiện hệ điều khiển cho động cơ tự nâng stator không lõi thép. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng và thực nghiệm. 3. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài luận án Luận án đã nghiên cứu để đưa ra một phương pháp mới xây dựng mô hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Từ đó có thể áp dụng cho các thiết kế điều khiển mới để nâng cao chất lượng điều khiển cho loại động cơ TNSKLT. Góp phần vào công việc thiết kế chế tạo động cơ TNSKLT ứng dụng vào thực tế. 4. Dự kiến kết quả nghiên cứu mới - Xây dựng mô tả toán mới cho động cơ tự nâng stator không lõi thép kích từ vĩnh cửu và stator có dây quấn rải. Sử dụng lý thuyết máy điện và phép biến đổi vector để xây dựng mô hình động học thuận tiện cho việc thiết kế điều khiển. 4
- Thiết kế điều khiển vị trí cho động cơ tự nâng stator không lõi thép, có bộ điều khiển PD song song kết hợp với điều khiển Feedforward bù nhiễu lực ly tâm và đưa ra phương án cấp dòng điện một chiều để duy trì lực nâng. Đề xuất phép biến đổi tọa độ tĩnh từ tín hiệu hệ trục (x,y) sang tín hiệu hệ (ad, be và cf) thay cho phép biến đổi tọa độ quay để tránh hiện tượng sinh mô men hãm ngược. - Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động động cơ tự nâng stator không lõi thép để kiểm chứng các thuật toán điều khiển đề xuất. 5. Nội dung nghiên cứu Nội dung luận án chia thành bốn chương, bao gồm: Chương 1. Tổng quan chung về động cơ tự nâng stator không lõi thép. Chương 2. Xây dựng mô hình toán học động cơ tự nâng stator không lõi thép từ đó đề xuất cấu trúc điều khiển. Chương 3. Thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. Chương 4. Xây dựng mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép và thực nghiệm. Kết luận và kiến nghị. 5
Chương 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 1.1 Tình hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép Trong các động cơ điện sử dụng ổ từ thông thường, động cơ điện được đặt giữa hai ổ từ ngang trục. Hai ổ từ này có nhiệm vụ điều chỉnh các hướng chuyển động x1, y1, x2 và y2 của trục quay của động cơ. Còn chuyển động dọc trục của trục quay (hướng z) được điều khiển bởi một ổ từ dọc trục. Các lực nâng trục được điều khiển bằng hệ thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay của động cơ luôn nằm chính giữa lõi stator. Như vậy, kể cả chuyển động quay do động cơ điện sinh ra thì động cơ điện ổ từ có 6 bậc tự do [11]. So với động cơ vòng bi cơ, động cơ điện sử dụng ổ từ có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao vì vậy sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng. Để khắc phục những nhược điểm này các hướng nghiên cứu kết hợp chức năng động cơ điện với ổ từ đang được tiến hành. Hướng nghiên cứu phổ biến hiện nay là kết hợp chức năng giữa ổ từ ngang trục và động cơ điện [12÷20]. Các động cơ kiểu này sử dụng hai loại dây quấn, loại dây quấn có cùng số cực p so với rotor dùng để sinh ra mô men quay cho động cơ, loại dây quấn khác có số cực là p±2 dùng để sinh ra các lực nâng ngang trục. Đây là sự tích hợp về mặt cơ khí do đó mặc dù kích thước của động cơ sử dụng ổ từ có giảm nhưng cấu trúc của stator và hệ điều khiển vẫn phức tạp. Số lượng bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng trong động cơ vẫn giữ nguyên do đó giá thành của động cơ ổ từ vẫn cao. x1 Hình 1.1. Động cơ sử dụng ổ từ thông thường Hình 1.2. Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục Trong thời gian gần đây, sự kết hợp về điện giữa động cơ điện và ổ từ ngang trục đã được giới thiệu [14][20]. Động cơ này chứa 5 cuộn dây và có khả năng tạo ra lực nâng ngang trục và mô men quay đồng thời, còn các chuyển động nghiêng và chuyển động dọc trục của trục quay cần được ổn định nhờ các cơ cấu bên ngoài. Kết quả là kích thước và số bộ biến đổi điện tử đã giảm. Nhược điểm chính của loại động cơ này là lực nâng và mô men quay có ảnh hưởng lớn đến nhau và có đặc tính phi tuyến 6
mạnh, do đó các phương pháp điều khiển phức tạp được yêu cầu để đạt được khả năng vận hành tin cậy. Một điểm đáng lưu ý nữa là các động cơ ổ từ kể trên đều hoạt động chủ yếu theo nguyên tắc cảm ứng, trong đó sự chuyển động được tạo ra là nhờ tương tác giữa từ trường của cuộn dây với nhau hoặc với từ trường ngoài. Kết quả của sự tương tác này là lực sinh ra sẽ tỷ lệ với bình phương dòng điện cấp cho cuộn dây và phụ thuộc nhiều vào khe hở không khí giữa stator và rotor (tỷ lệ nghịch). Các mối quan hệ lực- dòng điện và lực - khoảng cách phi tuyến tính này và sự biến thiên lực cao là những lý do chính khiến cho các động cơ ổ từ trên đã không được thực hiện trước đây trong các hệ thống có độ chính xác cao. Các cơ cấu chấp hành điện từ lý tưởng phù hợp với mong muốn có độ chính xác cao thường là các cơ cấu chấp hành có mối quan hệ tuyến tính giữa lực và dòng điện, điều này có nghĩa là các hằng số của động cơ phải độc lập với sự thay đổi về vị trí, mức dòng điện, tốc độ, nhiệt độ, dung sai và môi trường [26÷28]. Các động cơ ổ từ dựa trên nguyên lý lực Lorentz lại chủ yếu dựa vào cường độ từ trường bên ngoài (thường được tạo ra bởi một các nam châm vĩnh cửu trên rotor) và độ lớn dòng điện trong các cuộn dây mang. Các cuộn dây được đặt trong khe hở không khí của từ thông ngoài. Do đó, việc tạo ra lực từ chủ yếu dựa trên lực Lorentz trong các cuộn dây của ổ từ. Kết quả là các cơ cấu chấp hành theo nguyên lý lực Lorentz là gần giống đối với một cơ cấu chấp hành lý tưởng. Đây chính là ưu điểm nổi bật để có thể tạo động cơ ổ từ phù hợp với mong muốn cho các cơ cấu có yêu cầu độ chính xác cao [29÷45]. Loại động cơ ổ từ đầu tiên được giới thiệu theo nguyên lý lực Lorentz được mô tả như Hình 1.3a, b, c, trong đó động cơ và một ổ từ ngang trục được tích hợp với nhau để vừa sinh ra mô men quay vừa sinh lực nâng đồng thời [13]. Tuy nhiên bên cạnh cuộn dây stator có nhiệm vụ sinh ra mô men quay (Hình 1.3b) thì cần phải có thêm cuộn dây phụ để sinh ra lực nâng (Hình 1.3c). Ngoài ra để đảm bảo khả năng sinh mô men và lực nâng tốt thì động cơ này phải sử dụng các tấm nam châm vĩnh cửu có độ dầy lớn. Điều này dẫn tới kích thước của động cơ khá lớn và tăng tổn hao do dòng xoáy trong các phiến nam châm của động cơ. Ngoài ra việc sử dụng phiến nam châm có độ dầy lớn cũng gây ra sự mất cân đối nghiêm trọng giữa việc sinh mô men và lực nâng: miếng nam châm càng dầy thì khả năng sinh mô men càng lớn nhưng lại làm tăng trở kháng cho đường dẫn từ thông sinh lực nâng dẫn tới khả năng sinh lực nâng giảm. 7
a. Sơ đồ cấu trúc b. Nguyên lý sinh mô men c. Nguyên lý sinh lực nâng Hình 1.3. Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục theo nguyên lý lực Lorentz [29] 8