Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:161

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa "Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy" trình bày các nội dung chính sau: Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của ổ từ dọc trục; xây dựng mô hình toán học ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy; từ đặc điểm của mô hình toán học của đối tượng đã được xây dựng, phương pháp điều khiển phù hợp đã được lựa chọn để áp dụng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

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 ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ NGỌC HỘI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ DỌC TRỤC CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG DÒNG XOÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ NGỌC HỘI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ DỌC TRỤC CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG DÒNG XOÁY 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. PGS.TS. Nguyễn Tùng Lâm Hà Nội - 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nguyễn Quang Địch PGS.TS. Nguyễn Tùng Lâm Lê Ngoc Hội i
LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, với rất nhiều khó khăn và thử thách nghiên cứu sinh cũng đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp. Qua đây tác giả muốn gửi những lời cảm ơn sâu sắc đến những người thầy, người giáo viên hướng dẫn của tôi là PGS.TS. Nguyễn Quang Địch và PGS.TS. Nguyễn Tùng Lâm, những người đã định hướng, tận tình hướng dẫn về chuyên môn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan. Xin chân thành cảm ơn tới các thầy thuộc Viện Kĩ thuật điều khiển & tự động hóa (Viện Công nghệ điều khiển & tự động hóa) và khoa Tự động hóa đã cho nghiên cứu sinh rất nhiều những góp ý trong các buổi báo cáo chuyên môn định kì của Viện và các Ban của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án. Tác giả cũng xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu - Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh đi học; cảm ơn tới Ban chủ nhiệm Khoa, các anh chị đồng nghiệp Khoa Công Nghệ Điện đã hỗ trợ để nghiên cứu sinh sắp xếp được thời gian, vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa nghiên cứu luận án. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè và đặc biệt là vợ con đã hết lòng ủng hộ, ở bên cạnh để nghiên cứu sinh hoàn thành nội dung nghiên cứu này. Lê Ngọc Hội ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. xii DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... xiii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 3 3. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 3 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 3 5. Những đóng góp mới của luận án .................................................................... 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ......................................................................... 4 7. Bố cục và nội dung của luận án ....................................................................... 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ DỌC TRỤC .........................................................6 1.1. Khái niệm chung về ổ từ ............................................................................... 6 1.1.1. Vài nét về lịch sử phát triển ổ đỡ từ .................................................... 6 1.1.2 Phân loại ổ đỡ từ .................................................................................. 7 1.2. Nghiên cứu tổng quan về ổ từ dọc trục ......................................................... 8 1.2.1 Khái quát về ổ từ dọc trục .................................................................... 8 1.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ổ từ dọc trục ............................... 10 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế .............................................. 12 1.3.1 Nghiên cứu phát triển cấu trúc và mô hình toán học ổ từ dọc trục .... 12 1.3.2 Các phương điều khiển ...................................................................... 16 1.4. Định hướng nghiên cứu của luận án ........................................................... 19 1.4.1. Chọn cấu hình ổ từ dọc trục .............................................................. 19 1.4.2. Xây dựng mô hình toán học và thiết kế điều khiển ổ từ dọc trục ..... 20 1.5. Kết luận chương 1 ....................................................................................... 22 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA Ổ TỪ CÓ ẢNH HƯỞNG DÒNG XOÁY ........................................................................................................................ 23 2.1. Xây dựng mô hình toán học ổ từ có ảnh hưởng dòng xoáy gồm một cặp cực từ hình E ................................................................................................................ 23 2.1.1 Mô hình toán học một cực từ hình E có ảnh hưởng dòng xoáy ......... 24 2.1.2 Mô hình toán học ổ từ hình E có ảnh hưởng dòng xoáy 1 cặp cực từ:35 2.2. Xây dựng mô hình toán học ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy gồm 3 cặp cực từ ..................................................................................................................... 39 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ DỌC TRỤC CÓ ẢNH HƯỞNG DÒNG XOÁY..................................................................................... 55 3.1. Cơ sở Toán học về phép đạo hàm bậc phân số ........................................... 56 iii
3.2. Thiết kế bộ điều khiển PD cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy ..... 60 3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển PD cho ổ từ một cặp cực từ........................... 60 3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PD cho ổ từ gồm 3 cặp cực ........................... 63 3.3. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping .......................................................... 66 3.3.1 Thiết kế điều khiển Backstepping cho đối tượng đạo hàm bậc phân số ........................................................................................................................... 66 3.3.2 Kỹ thuật điều khiển Backstepping cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy.................................................................................................................... 67 3.4. Kết luận chương 3 ....................................................................................... 76 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ DỌC TRỤC CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG DÒNG XOÁY ..... 77 4.1. Thiết kế bộ điều khiển trượt ........................................................................ 77 4.1.1 Thiết kế điều khiển trượt cho đối tượng đạo hàm bậc phân số .......... 77 4.1.2 Thiết kế điều khiển trượt cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy 78 4.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt kết hợp bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số (FO ESO). ......................................................................................................... 87 4.2.1 Bộ quan sát trạng thái mở rộng FO ESO ........................................... 88 4.2.2 Bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy. .............................................................................................. 91 4.3. Kết luận chương 4 ..................................................................................... 105 CHƯƠNG 5. XÂY DỰNG HỆ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..... 106 5.1. Mô tả cấu hình thí nghiệm ........................................................................ 106 5.2. Phần cứng của hệ điều khiển ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy ...... 113 5.2.1 Mô tả phần cứng của hệ điều khiển ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy.................................................................................................................. 113 5.2.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện của bộ biến đổi công suất ........... 114 5.2.3 Cảm biến khoảng cách ..................................................................... 115 5.3. Trình tự thực hiện thí nghiệm: .................................................................. 116 5.4. Xây dựng giao diện thí nghiệm:................................................................ 117 5.5. Thí nghiệm và lấy kết quả của giai đoạn nâng tĩnh .................................. 119 5.6. Kết luận chương 5 ..................................................................................... 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................... 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 123 PHỤ LỤC.............................................................................................................................. 129 iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng việt tắt 1 PID Proportional Integral Điều khiển tỷ lệ, vi phân, Derivative tích phân 2 PD Proportional Derivative Điều khiển tỷ lệ, tích phân 3 FO PID Fractional Order Proportional Điều khiển tỷ lệ, vi phân, Integral Derivative tích phân bậc phân số 4 SMC Sliding mode control Điều khiển Trượt 5 BSC Backstepping Điều khiển Backstepping 6 FO ESO Fractional order extended state Bộ quan sát trạng thái mở observer rộng bậc phân số 7 AMB Active magnetic bearing Ổ từ chủ động 8 PMB Passive Magnetic Bearing Ổ từ thụ động 9 HMB Hybrid Magnetic Bearing Ổ từ kiểu lai 10 FBL Feedback Linearization Phản hồi tuyến tính 11 ADRC Active Disturbance Rejection Điều khiển loại bỏ nhiễu Controller chủ động 12 BBĐ Bộ biến đổi 13 DC Direct Current Dòng điện một chiều 14 AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều 15 PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung 16 MMF Magnemotive Force Sức từ động 17 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn v
18 BIBO Bounded-input bounded-output Giới hạn đầu vào giới hạn đầu ra 19 DSP Digital Signal Proccessing Xử lý tín hiệu số 20 BĐ Biến đổi 2. Danh mục các ký hiệu STT Ký Hiệu Đơn vị Ý Nghĩa 01 ip , i A Dòng điện điều khiển trên miền thời gian, có giá trị thay đổi theo thời gian. 02 io A Dòng điện một chiều cố định (dòng tiền từ hóa). 03 I p s, A Dòng điện điều khiển trên miền tần số, có giá trị thay I s đổi theo tần số. 04 f dt N Lực từ phi tuyến trên miền thời gian tác dụng lên rotor 05 fp N Lực từ đã tuyến tính hóa quanh vị trí cân bằng 06 fo N Lực từ tại vị trí cân bằng 07 F t  N Lực từ trên miền thời gian 08 F s N Lực từ điều khiển trên miền tần số 09 Fp  s  N Lực từ điều khiển trên miền tần số 10 F  t  N Lực từ tuyến tính hóa quanh điểm làm việc 11 Fdt N Lực điện từ 12 g Mm Khe hở giữa rotor và stator 13 g o  zo  Mm Khoảng cách khe hở giữa stator và rotor khi rotor ở vị trí cân bằng 14 z g  p Mm Độ lệch vị trí của rotor so với vị trí cân bằng 15  (t ) Wb Từ thông trên miền thời gian vi
16  ( s) Wb Từ thông trên miền tần số 17  p ( s) Wb Từ thông điều khiển trên miền tần số 18 o Wb Từ thông cố định 19 M Kg Khối lượng của rotor 20 N Vòng Số vòng dây của cuộn dây điều khiển 21 a Mm ½ chiều cao cực từ 22 A m2 Diện tích mặt cắt ngang của cực từ 23 b Mm ½ chiều rộng cực từ 24 c Mm Chiều rộng nam châm điện 25 h Mm Chiều dài nam châm điện 26  S/m Độ dẫn điện của sắt 27 o H/m Độ dẫn điện của chân không 28 r Hệ số độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt 29  H/m Hệ số độ từ thẩm tuyệt đối 30 Ri 1/H Từ trở hiệu dụng của phần tử sắt thứ i 31 Rg 1/H Từ trở hiệu dụng của phần tử không khí 32 Rio 1/H Từ trở tĩnh của phần tử sắt thứ i 33 o Rg 1/H Từ trở tĩnh của phần tử không khí 34 Ki N/A Hệ số tỉ lệ với dòng điện (hệ số độ cứng dòng điện) 35 Kz N/m Hệ số tỉ lệ với độ dịch chuyển (hệ số độ cứng dịch chuyển) 36 K Tỉ số giữa Fp và  p 37 fz N Nhiễu tải tác động từ bên ngoài vào rotor 38 B t  T Mật độ từ thông vii
39 Bo T Mật độ từ thông cố định 40 Bp  t  T Mật độ từ thông điều khiển 41 H A/m Cường độ từ trường 42 Hs A/m Cường độ từ trường bề mặt 43 leff  x  M Chiều dài hiệu dụng của mạch từ 44 s  j Là toán tử Laplace  2n  2n  1  2 45 2 2   2 2 4b 1n  2n  1  2 46 2 2   2 1n 2 4b 47  so  r 48 12 2 g r 49 Ei  s  TurnxA Sức từ động trên phần tử i 50 Eip  s  TurnxA Sức từ động điều khiển trên phần tử thứ i 51 Eio  s  TurnxA Sức từ động cố định trên phần tử thứ i 52 D  z, Đạo hàm bậc    phân số của z theo t z f 53 d q f  z Đạo hàm bậc  q  phân số của f  z  theo t dt q 54 ( ) Hàm Gamma 55 B( p, q) Hàm chức năng beta. 56 J kg.m2 Mô men quán tính 57 ri Tín hiệu đặt trạng thứ i , i  1,...,5 viii
58 zi Tín hiệu điều khiển trạng thái thứ i , i  1,...,6 59 ˆ zi Tín hiệu quan sát trạng thái thứ i , i  1,...,6 60 zui Tín hiệu điều khiển trạng thái thứ i , i  1,...,5 của cặp cực từ u 61 zvi Tín hiệu điều khiển trạng thái thứ i , i  1,...,5 của cặp cực từ v 62 z wi Tín hiệu điều khiển trạng thái thứ i , i  1,...,5 của cặp cực từ w 63 ˆ zui Tín hiệu quan sát trạng thái thứ i , i  1,...,5 của cặp cực từ u 64 ˆ zvi Tín hiệu quan sát trạng thái thứ i , i  1,...,5 của cặp cực từ v 65 ˆ z wi Tín hiệu quan sát trạng thái thứ i , i  1,...,5 của cặp cực từ w 66 i Biến trung gian thứ i 67 ei Sai số giữa trạng thái điều khiển i và trạng thái đặt i, i=1,…,6 68 f N Lực từ 69 f zu N Nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor tại cặp cực từ u 70 f zv N Nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor tại cặp cực từ v 71 f zw N Nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor tại cặp cực từ w 72 T S Thời gian 73 a fe 2x r l fe 74 l fe , li M chiều dài của phần tử sắt 75  kg/m 3 khối lượng riêng ix
76 T1 4b 2 2 77  rad/s Tần số góc của dòng điện xoay chiều đặt vào 2 đầu cuộn dây nam châm điện 78 f Hz Tần số của dòng điện xoay chiều đặt vào 2 đầu cuộn dây nam châm điện 79 d  z N tổng nhiễu tải bên ngoài tại cặp cực từ 80 Fu1 , Fu 2 N Lực từ tại cặp cực từ u 81 Fv1 , Fv 2 N Lực từ tại cặp cực từ v 82 Fw1 , Fw 2 N Lực từ tại cặp cực từ w 83 i Cn1o , i  1,...,6 là hệ số của bộ quan sát FO ESO i i 84 o Cực (hệ số khuếch đại) của bộ quan sát FO ESO 85 Ks , w Các hệ số của bộ điều khiển trượt (SMC) 86 k i1 Hệ số ảnh hưởng của dòng xoáy phần tử sắt thứ 1 cực từ hình E 87 ki 2 Hệ số ảnh hưởng của dòng xoáy phần tử sắt thứ 2 cực từ hình E 88 ki 3 Hệ số ảnh hưởng của dòng xoáy phần tử sắt thứ 3 cực từ hình E 89 kg 4 Hệ số ảnh hưởng của dòng xoáy phần tử không khí thứ tư cực từ hình E 90 kg 5 Hệ số ảnh hưởng của dòng xoáy phần tử không khí thứ 5 cực từ hình E 91 kg 6 Hệ số ảnh hưởng của dòng xoáy phần tử không khí thứ sáu cực từ hình E 92 k Hệ số ảnh hưởng của dòng xoáy của toàn bộ cực từ hình E 93 ki Các tham số của bộ điều khiển  i  1,...5 x
94 imax A Dòng điện cực đại 95 V m3 Thể tích của khe hở không khí. 96 d M Đường kính vành trong rotor 97 H M Chiều dày rotor 98  Pha 99 PI  D Bộ điều khiển PID bậc phân số 100 ,  Bậc phân số của bộ điều khiển PID 101 Jx , Jy Kg.m2 Mô men quan tính quanh trục x và y 102 r M Bán kính của rotor 103 du  eu  N/kg Tổng nhiễu tải phi tuyến tại cặp cực từ u 104 dv  ev  N/kg Tổng nhiễu tải phi tuyến tại cặp cực từ v 105 d w  ew  N/kg Tổng nhiễu tải phi tuyến tại cặp cực từ w 106 W J Năng lượng được tích trữ trong khe hở không khí 107 i i  1,...,5 Biến điều khiển ảo thứ i 108  ui i  1,...,5 Biến điều khiển ảo của cặp cực từ u 109  vi i  1,...,5 Biến điều khiển ảo của cặp cực từ v 110  wi i  1,...,5 Biến điều khiển ảo của cặp cực từ w 111 D Hệ số cản dịu 112 Jz Kg.m2 Mô men quan tính quanh trục z xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Phân loại các loại ổ từ............................................................................... 7 Bảng 2.1: Các thông số của ổ từ hình E như Hình 2.2 ............................................ 25 Bảng 3.1: Các thông số của cực từ hình E như Hình 2.2 và Hình 5.6 ..................... 56 Bảng 3.2: Tham số điều khiển Backstepping ........................................................... 71 Bảng 3.3: Kết quả so sánh giữa bộ điều khiển BSC và PD ..................................... 71 Bảng 4.1: Tham số điều khiển của SMC .................................................................. 81 Bảng 4.2: Kết quả so sánh giữa bộ điều khiển SMC, BSC và PD ........................... 82 Bảng 4.3: Tham số điều khiển SMC kết hợp bộ quan sát trạng thái FO ESO ......... 94 Bảng 5.1: Các thông số của rotor ổ từ ................................................................... 110 xii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo ổ lăn .............................................................................................. 6 Hình 1.2: Cấu trúc hệ ổ từ.......................................................................................... 8 Hình 1.3: Cực từ hình C ............................................................................................. 9 Hình 1.4: Ổ từ hình nón.............................................................................................. 9 Hình 1.5: Sơ đồ các thành phần của ổ từ dọc trục................................................... 10 Hình 1.6: Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB ................................................ 11 Hình 1.7: Cấu trúc ổ từ gồm 3 cặp cực hình E ........................................................ 20 Hình 1.8: Cấu trúc điều khiển ổ từ dọc trục............................................................. 21 Hình 2.1: Biên độ lực từ của cực từ cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật (2.3) khi ΔI=0.01ω (A) ........................................................................................................ 24 Hình 2.2: Cực từ hình E có xét ảnh hưởng dòng xoáy ............................................. 25 Hình 2.3: Phần tĩnh của biên độ lực từ khi I1=0.2ω (A) ...................................... 26 Hình 2.4: Phần điều hòa của biên độ lực từ khi I1=0.2ω (A) ............................... 26 Hình 2.5: Phần tĩnh của biên độ lực từ khi I2=0.21ω (A) .................................... 27 Hình 2.6: Phần điều hòa của biên độ lực từ khi I2=0.21ω (A)............................. 27 Hình 2.7: Biên độ lực từ của cực từ cấu trúc gồm các lá thép kỹ thuật (2.3) và biên độ lực từ cực từ ảnh hưởng dòng xoáy xác định bằng FEM khi ΔI=0.01ω (A) ... 27 Hình 2.8: Phân bố mật độ từ thông B ...................................................................... 28 Hình 2.9: Phân bố cường độ từ trường H ................................................................ 29 Hình 2.10: Mạch từ cực từ hình E có xét ảnh hưởng dòng xoáy ............................ 29 Hình 2.11: Biên độ lực từ tính theo (2.3), (2.29) và xác định bằng FEM ................ 35 Hình 2.12: Mô tả ổ từ kép gồm một cặp cực từ hình E ............................................ 36 Hinh 2.13: Phân tích các lực tác động vào rotor trong các hệ tọa độ [34] ............. 39 Hình 2.14: Ổ từ dọc trục trong hệ z, x, y và u, v, w [34] ...................................... 49 Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển của ổ từ dọc trục trong hệ tọa độ z, x, y. ............ 52 Hình 3.1: Vùng ổn định của hệ thống hàm bậc phân số .......................................... 59 Hình 3.2: Cấu trúc hệ điều khiển PD đối với ổ từ gồm 1 cặp cực ........................... 60 Hình 3.3: Vị trí rotor z1 và giá trị đặt r1 đối với ổ từ gồm 1 cặp cực ....................... 62 Hình 3. 4: Dòng điện điều khiển PD đối với ổ từ gồm 1 cặp cực ............................ 63 Hình 3.5: Cấu trúc hệ điều khiển PD đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ........................... 64 Hình 3.6: Vị trí rotor z1 và giá trị đặt r1 đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ....................... 65 Hình 3.7: Dòng điện điều khiển PD đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ............................. 65 Hình 3.8: Cấu trúc hệ điều khiển BSC đối với ổ từ gồm 1 cặp cực ......................... 70 Hình 3. 9: Vị trí rotor z1 và giá trị đặt r1 đối với ổ từ gồm 1 cặp cực ...................... 71 Hình 3.10: Dòng điện điều khiển BSC đối với ổ từ gồm 1 cặp cực ......................... 72 Hình 3.11: Cấu trúc hệ điều khiển Backstepping đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ......... 74 Hình 3.12: Vị trí rotor z1 và giá trị đặt r1 với ổ từ gồm 3 cặp cực khi ω=0 (rad/s) . 75 Hình 3.13: Dòng điện điều khiển đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ................................. 75 Hình 4.1: Cấu trúc hệ điều khiển trượt (SMC) đối với ổ từ gồm một cặp cực ........ 80 Hình 4.2: Vị trí rotor z1 và giá trị đặt r1 đối với ổ từ gồm 1 cặp cực ....................... 81 Hình 4.3: Dòng điện điều khiển SMC đối với ổ từ gồm một cặp cực ...................... 82 Hình 4.4: Cấu trúc hệ điều khiển SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ........................ 84 Hình 4.5: Vị trí rotor z1 và giá trị đặt r1 SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực.............. 85 Hình 4.6: Biến trạng thái z2 và giá trị đặt r2 SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ....... 85 xiii
Hình 4.7: Vận tốc của rotor z3 và giá trị đặt r3 SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ... 86 Hình 4.8: Biến trạng thái z4 và giá trị đặt r4 SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ....... 86 Hình 4.9: Gia tốc z5 và giá trị đặt r5 SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ................... 86 Hình 4.10: Dòng điện điều khiển SMC đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ........................ 87 Hình 4.11: Cấu trúc hệ điều khiển SMC kết hợp FO ESO cho ổ từ gồm 1 cặp cực 94 Hình 4.12: Trạng thái mở rộng thực tế và quan sát đối với ổ từ gồm một cặp cực . 95 Hình 4.13: Vị trí của rotor z1 và giá trị đặt r1 đối với ổ từ gồm một cặp cực .......... 95 Hình 4.14: Biến trạng thái z2 và giá trị đặt r2 đối với ổ từ gồm một cặp cực .......... 95 Hình 4.15: Vận tốc của rotor z3 và giá trị đặt r3 đối với ổ từ gồm một cặp cực ...... 96 Hình 4.16: Biến trạng thái z4 và giá trị đặt r4 đối với ổ từ gồm một cặp cực .......... 96 Hình 4.17: Gia tốc z5 và giá trị đặt r5 đối với ổ từ gồm một cặp cực ...................... 96 Hình 4.18: Dòng điện điều khiển đối với ổ từ gồm một cặp cực ............................. 97 Hình 4.19: Cấu trúc hệ điều khiển SMC kết hợp với FO ESO ổ từ gồm 3 cặp cực . 99 Hình 4 20: Vị trí rotor z1 và giá trị đặt r1 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực .................................................................................................................... 100 Hình 4.21: Biến trạng thái z2 và giá trị đặt r2 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ................................................................................................................. 100 Hình 4.22: Vận tốc của rotor z3 và giá trị đặt r3 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ......................................................................................................... 101 Hình 4.23: Biến trạng thái z4 và giá trị đặt r4 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ................................................................................................................. 101 Hình 4.24: Gia tốc z5 và giá trị đặt r5 SMC kết hợp FO ESO ổ từ gồm 3 cặp cực 101 Hình 4.25: Dòng điện điều khiển SMC kết hợp FO ESO cho ổ từ gồm 3 cặp cực 102 Hình 4.26: Vị trí rotor z1 và giá trị đặt r1 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực .................................................................................................................... 102 Hình 4.27: Biến trạng thái z2 và giá trị đặt r2 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ................................................................................................................. 103 Hình 4.28: Vận tốc của rotor z3 và giá trị đặt r3 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ......................................................................................................... 103 Hình 4.29: Biến trạng thái z4 và giá trị đặt r4 SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm 3 cặp cực ................................................................................................................. 103 Hình 4.30: Gia tốc z5 và giá trị đặt r5 SMC kết hợp FO ESO ổ từ gồm 3 cặp cực 104 Hình 4.31: Dòng điện điều khiển SMC kết hợp FO ESO cho ổ từ gồm 3 cặp cực 104 Hình 5.1 : Cấu hình hệ thí nghiệm ......................................................................... 106 Hình 5.2: Cấu trúc mô hình thực nghiệm ổ từ dọc trục ......................................... 107 Hình 5.3: Hình dạng rotor mô hình........................................................................ 108 Hình 5.4: Thiết kế chi tiết rotor. ............................................................................. 109 Hình 5.5: Thiết kế trục của rotor............................................................................ 109 Hình 5.6: Hình dạng và kích thước của một cực từ ............................................... 111 Hình 5.7: Cụm nắp dưới đã lắp ráp. ...................................................................... 111 Hình 5.8: Rotor và cụm nắp trên đã lắp ráp. ......................................................... 112 Hình 5.9: Khung vỏ ổ từ dọc trục, động cơ và cảm biến ....................................... 113 Hình 5.10: Sơ đồ mô tả hệ thống điều khiển cho ổ từ dọc trục .............................. 113 Hình 5.11: Mạch vòng điều khiển dòng điện của bộ biến đổi................................ 114 Hình 5.12: Cấu hình kênh vào đo vị trí cho dS-1104 [34] ..................................... 116 Hình 5.13: Cấu hình kênh ra đặt dòng điện cho dS-1104 [34] .............................. 117 xiv
Hình 5.14: Giao diện điều khiển tuyến tính theo u, v, w. ....................................... 118 Hình 5.15: Giao diện điều khiển tuyến tính theo cặp cực từ góc u ........................ 119 Hình 5.16: Vị trí rotor khi nâng tĩnh theo các cặp cực từ u, v, w .......................... 120 Hình 6.1: Cực từ hình E có cùng kích thước như cực từ hình C như Hình 1.3 ..... 129 Hình 6.2: Mật độ từ thông qua khe hở không khí của cực từ hình C và hình E .... 130 Hình 6.3: Sơ đồ cấu trúc, đối tượng điều khiển và nhiễu tải bên ngoài tác động . 131 Hình 6.4: Bộ điều khiển PD đối với một cặp cực từ .............................................. 131 Hình 6.5: Sơ đồ cấu trúc, đối tượng điều khiển và nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, bộ điều khiển PD đối với ổ từ gồm ba cặp cực từ ........................................ 133 Hình 6.6: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Backstepping đối với một cặp cực từ ........... 133 Hình 6.7: Tạo tín hiệu đầu vào, đối tượng điều khiển và nhiễu tải phi tuyến đối với một cặp cực ............................................................................................................. 134 Hình 6.8: Sơ đồ điều khiển Backstepping đối với một cặp cực .............................. 136 Hình 6.9: Sơ đồ điều khiển Backstepping, đối tượng điều khiển đối với ổ từ gồm ba cặp cực từ ............................................................................................................... 137 Hình 6.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển SMC đối với một cặp cực ........................... 138 Hình 6.11: Sơ đồ điều khiển SMC đối với một cặp cực ......................................... 138 Hình 6.12: Đáp ứng đầu ra đối với một cặp cực ................................................... 139 Hình 6.13: Sơ đồ điều khiển SMC, đối tượng điều khiển ổ từ gồm ba cặp cực ..... 142 Hình 6.14: Cấu trúc điều khiển SMC kết với với ESO FO đối với một cặp cực .... 142 Hình 6.15: Sơ đồ điều khiển SMC kết hợp với FO ESO đối với một cặp cực ........ 143 Hình 6.16: Sơ đồ điều khiển SMC kết hợp FO ESO đối với ổ từ gồm ba cặp cực. 144 xv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ổ đỡ từ chủ động là thiết bị cơ điện sử dụng lực từ trường để nâng rotor hoặc để giữ rotor ở vị trí chính giữa trong khe hở không khí mà không có tiếp xúc cơ học. Do bộ truyền động ổ từ không tiếp xúc mang lại lợi ích to lớn cho nhiều ứng dụng công nghiệp bao gồm máy quay [1], vận chuyển kim loại [2], quy trình phủ kim loại [3], vận chuyển silicon [4], hệ thống servo công cụ [5] và quang khắc [6]. Mạch từ (stator và rotor) của ổ từ thông thường được ghép bằng các lá thép kỹ thuật để giảm tổn hao dòng xoáy khi có từ thông biến thiên trong vật liệu sắt từ, khi các lá thép kỹ thuật càng mỏng thì tổn hao dòng xoáy càng nhỏ, tuy nhiên các lá thép kỹ thuật dù mỏng đến mức nào vẫn tồn tại tổn hao dòng xoáy. Đối với những ứng dụng trên và một số ứng dụng khác của ổ từ thông thường, đặc biệt đối với ổ từ dọc trục do mối quan tâm đến kinh phí chế tạo và yêu cầu về độ bền cơ học nên rotor thường được cấu trúc nguyên khối, khi đó dòng xoáy ảnh hưởng rất lớn đối với ổ từ dọc trục khi có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator [7]. Định luật Faraday’s quy định rằng dòng xoáy sẽ xuất hiện trong bộ truyền động cho dù được cấu trúc bởi các lá thép kỹ thuật hay cấu trúc nguyên khối và ảnh hưởng rõ ràng nhất trong bộ truyền động cấu trúc nguyên khối khi cho dòng điện thay đổi theo thời gian vào đầu cuộn dây stator. Những dòng xoáy này tạo ra một từ trường chống lại sự thay đổi của trường biến thiên được tạo ra bởi dòng điện cuộn dây của bộ truyền động, gây ra sự giảm lực điện từ được tạo ra và dẫn đến lực thay đổi chậm hơn so với dòng điện, từ đó có thể khẳng định dòng xoáy có tác động rất lớn đến động lực học của ổ từ dọc trục cấu trúc nguyên khối do hiệu ứng dòng xoáy rất phức tạp. Một mô hình phân tích chính xác về động lực học của ổ từ dọc trục có ảnh hưởng của dòng xoáy sẽ rất có lợi trong giai đoạn thiết kế, để xác định tác động của các đặc tính hình học và vật liệu của bộ truyền động đối với hiệu suất của hệ thống ổ từ, kiến thức như vậy rõ ràng có thể được sử dụng trong tối ưu hóa thiết kế. Một mô hình động lực học chính xác cũng cho phép bù đắp tác động tiêu cực của dòng xoáy bằng một bộ điều khiển được thiết kế thuật toán phù hợp với mô hình toán học để có thể đạt được chất lượng làm việc tốt hơn, như Fittro và Knospe đã chứng minh [1]. Trong các nghiên cứu đã được công bố [7]–[14], các tác giả chỉ đưa ra mô hình toán học trên miền tần số của một cực từ hình trụ và hình C có ảnh hưởng của dòng xoáy và được trình bày khá chi tiết. Đối với cực từ có ảnh hưởng của dòng xoáy hình E có ưu điểm như mở rộng đường dẫn từ thông, tăng từ thông chính trong mạch từ, 1
tăng độ lớn lực từ so với cực từ hình C, các công trình trước đây chưa đưa ra được kết quả cũng như các bước xác định từ trở hiệu dụng và mô hình toán học. Do đó việc xây dựng được mô hình toán học cực từ hình E thay thế cực từ hình C nhằm nâng cao chất lượng làm việc của ổ từ dọc trục. Hơn nữa trong các công trình của Lei Zhu và Carl R Knsope [7]–[14] chỉ đưa ra mô hình toán học một cực từ có ảnh hưởng của dòng xoáy trên miền tần số, các mô hình toán học của ổ từ một cặp cực từ hoặc nhiều hơn chưa có tác giả nào công bố. Trong mô hình toán học của cực từ có ảnh hưởng của dòng xoáy mà Lei Zhu và Carl R. Knsope [7]–[14] đưa ra có chứa thành phần đạo hàm bậc phân số, đây là thành phần ảnh hưởng của dòng xoáy khi có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator, khi khởi động hoặc khi có nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor. Các công trình nghiên cứu về điều khiển ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy chưa có nhiều công trình được công bố. Vào năm 2014, Zackary W. Whitlow [15] đã nghiên cứu bộ điều khiển PID, FBL (phản hồi tuyến tính hóa) và FBL-PID, vào năm 2015 Jianpeng Zhong và Lichuan Li [16] cũng đã nghiên cứu bộ điều khiển PID bậc phân số (FO PID) cho ổ từ có ảnh hưởng của dòng xoáy, đa số các công trình nói trên các tác giả đã dùng phương pháp điều khiển cổ điển trên miền tần số, các phương pháp điều khiển hiện đại trên miền thời gian như BSC, SMC chưa có công trình công bố. Cho tới thời điểm hiện tại, hầu hết các công trình nghiên cứu và ứng dụng đối với ổ từ dọc trục phần lớn có đặc điểm chung là trong hệ thống điều khiển đều sử dụng cảm biến tốc độ quay để thu được tín hiệu phản hồi cho các mạch vòng điều khiển. Tuy nhiên, đối với ổ từ dọc trục dùng cảm biến để đo tốc độ quay có giá thành không hề rẻ, làm tăng chi phí cho toàn hệ thống, làm cho hệ thống có giá thành đắt, khó chấp nhận được. Bên cạnh đó, về mặt kỹ thuật, cảm biến đo tốc độ cần được tích hợp với ổ từ, chẳng hạn gắn thành phần đầu đo của cảm biến trên trục. Điều này làm tăng kích thước của hệ thống và yêu cầu về vấn đề bảo trì, bảo dưỡng thiết bị. Đồng thời, khi rotor quay với tốc độ lớn, hệ thống cũng bị suy giảm độ cứng vững cơ khí, tăng rung lắc, xung lực do quán tính và từ đó làm giảm độ tin cậy của hệ thống [17]. Với những phân tích ở trên, trong luận án này tác giả tập trung vào nghiên cứu ổ từ dọc trục có xét đến ảnh hưởng của dòng xoáy được ứng dụng trong thực tế gồm 3 cặp cực từ đặt lệch nhau một góc 120o, có xét ảnh hưởng sự xen kênh giữa các cặp cực từ, ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, ảnh hưởng của nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor, ảnh hưởng của tham số bất định của mô hình như Hình 1.8. Cụ thể thể sẽ tiến hành xây dựng mô hình toán học tiệm cận với mô hình thực tế trên miền thời 2
gian từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp với mô hình toán học để nâng cao chất lượng làm việc cho ổ từ dọc trục. Việc giải quyết các tồn tại do sử dụng cảm biến đo tốc độ gây ra là rất cần thiết cho các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Vì thế, chiến lược thiết kế bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số (FO ESO) nhằm mục đích quan sát được các trạng thái không thể dùng cảm biến thực tế để đo đạc, loại bỏ cảm biến tốc độ (điều khiển sensorless) đón nhận nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi. Nhằm mục đích tiết kiệm chi phí, tăng khả năng chịu tải, dễ dàng điều khiển và nâng cao chất lượng điều khiển cho ổ từ dọc trục. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mô hình toán học và hệ điều khiển ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy, trong đó mô hình toán học dạng bậc phân số. Phạm vi nghiên cứu: Ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng của dòng xoáy gồm ba cặp cực dạng hình E, đặt lệch nhau một góc 120o, có xét đến ảnh hưởng sự xen kênh giữa các cặp cực từ, ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, ảnh hưởng của nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor và ảnh hưởng của tham số bất định của mô hình. 3. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mô hình toán học của ổ từ dọc trục có xét ảnh hưởng dòng xoáy gồm 3 cặp cực hình E đặt lệch nhau một góc 120o tiệm cận với mô hình thực tế, xét đến ảnh hưởng sự xen kênh giữa các cặp cực từ, ảnh hưởng của tốc độ quay rotor, ảnh hưởng của nhiễu tải bên ngoài tác động vào rotor và ảnh hưởng của tham số bất định mô hình. Có ưu điểm mở rộng đường dẫn từ thông, tăng từ thông chính trong mạch từ, tăng độ lớn lực từ so với cực từ hình C, tiết kiệm chi phí chế tạo, dễ dàng điều khiển. Xây dựng hệ điều khiển phù hợp để đảm bảo hoạt động cho ổ từ dọc trục có ảnh hưởng của dòng xoáy gồm ba cặp cực từ. 4. Phương pháp nghiên cứu Với phương pháp nghiên cứu đi từ lý thuyết đến mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) và mô phỏng matlab để tính toán, mô phỏng mạch từ dạng hình C và E, kiểm chứng lại mô hình toán học và phương pháp điều khiển. Sử dụng cách tiếp cận hệ thống để nghiên cứu tổng quan về hiện tượng vật lý, mô hình toán học và phương pháp điều khiển của ổ từ dọc trục để lựa chọn cấu trúc ổ từ dọc trục có ảnh hưởng dòng xoáy và phương pháp điều khiển phù hợp đó là bộ điều khiển SMC kết hợp bộ quan sát trạng thái mở rộng bậc phân số (FO ESO) đảm bảo sự tin cậy của kết quả nghiên cứu đề ra. 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án có những đóng góp mới như sau: 3