Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ bánh đà

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

NGUYỄN DANH HUY

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH

HỢP TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ- BÁNH ĐÀ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả

trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố.

Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Bùi Quốc Khánh Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2019 Tác giả luận án Nguyễn Danh Huy

LỜI CẢM ƠN

Vượt qua một thử thách dài và khó khăn để có được kết quả này, tôi đã nhận

được sự giúp đỡ, động viên của nhiều người. Tôi rất biết ơn thầy hướng dẫn PGS Bùi

Quốc Khánh đã tận tình hướng dẫn chuyên môn và động viên tôi hoàn thành quyển

luận án. Xin trân trọng cảm ơn các thầy, các cô, các bạn đồng nghiệp tại Bộ môn Tự

động hóa Công nghiệp và nhiều bạn bè trong trường đã hỗ trợ, ủng hộ về mọi mặt

trong quá trình nghiên cứu của tôi. Cảm ơn gia đình đã chia sẻ và tạo mọi điều kiện

để tôi yên tâm hoàn thành công việc nghiên cứu cũng như tất cả công việc cơ quan,

xã hội.

Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2019

Nguyễn Danh Huy

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................................ vii

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... xv

1. CHƯƠNG 1 ................................................................................................................1

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG ......................................................................................................................1

1.1. Lịch sử phát triển hệ tích lũy năng lượng dùng bánh đà .......................................1

1.2. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ đỡ từ. ...................4

1.3. Phân tích nguyên lý chung hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ. .............................9

1.3.1. Nguyên lý làm việc của bánh đà. .................................................................... 10

1.3.2. Nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ – bánh đà............................. 11

1.3.3. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ ...................................................................... 11

1.4. Tổng quan các phương pháp điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ-bánh đà. .................................................................................................................. 16

1.5. Định hướng nghiên cứu...................................................................................... 19

1.5.1. Chọn cấu hình ổ từ chủ động ......................................................................... 19

1.5.2. Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ .................................................................. 22

1.5.3. Thiết kế điều khiển ......................................................................................... 22

1.5.4. Xây dựng mô hình thử nghiệm........................................................................ 22

1.6. Kết luận ............................................................................................................. 22

2. CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 23

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG .................................................................................. 23

2.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ. ................................................................. 23

2.1.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép. ....................................................... 23

2.1.2. Phương trình trạng thái cho một ổ từ chủ động. ............................................. 25

2.2. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động cơ-bánh đà. ........... 26

2.2.1. Phân tích lực cho hệ ổ từ. .............................................................................. 26

2.2.2. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong hệ tọa độ u, v, w . .......................... 30

2.2.3. Chuyển vị điều khiển. ..................................................................................... 41

2.2.4. Động lực học của bánh đà nâng bằng ổ từ trong hệ z, θx, θy . ......................... 44

2.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ. ....................... 45

2.4. Phân tích mô hình điều khiển. ............................................................................ 47

2.4.1. Đặc điểm về điều khiển: ................................................................................. 47

iii

2.4.2. Đặc điểm về hoạt động: ................................................................................. 48

2.5. Kết luận. ............................................................................................................ 49

3. CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 50

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ ........................................................................................ 50

3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ ..................................... 50

3.2. Thiết kế tuyến tính hóa cho một ổ từ kép. ........................................................... 51

3.3. Thiết kế điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ. ................... 56

3.3.1. Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí. ........................................................... 56

3.3.2. Mô phỏng điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ ............. 57

3.4. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mô hình tuyến tính của ổ từ. ................... 61

3.4.1. Mô phỏng hệ 3 ổ từ điều khiển tuyến tính. ...................................................... 63

3.5. Nhận xét. ........................................................................................................... 70

3.6. Kết luận. ............................................................................................................ 70

4. Chương 4 .................................................................................................................. 72

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ – BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG ....................................................................... 72

4.1. Nguyên lý phẳng và điều khiển phẳng ................................................................ 72

4.1.1. Định nghĩa hệ phẳng...................................................................................... 72

4.1.2. Thiết kế quỹ đạo đặt. ...................................................................................... 75

4.2. Thiết kế điều khiển phẳng khi nâng cho hệ ổ từ của truyền động động cơ–bánh đà theo hệ tọa độ u, v, w. ................................................................................................... 79

4.2.1. Thiết kế điều khiển theo phương pháp tựa phẳng. .......................................... 79

4.2.2. Thiết kế điều khiển quá trình nâng lên vị trí cân bằng. ................................... 85

4.2.3. Thiết kế điều khiển duy trì ở vùng vị trí cân bằng. .......................................... 92

4.2.4. Thiết kế bù nhiễu bằng bộ bù feedforward...................................................... 94

4.3. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ trong hệ z, θx, θy ........................ 96

4.3.1. Điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân bằng. ................................................. 96

4.3.2. Duy trì bánh đà ở vị trí cân bằng. .................................................................. 98

4.3.3. Mô phỏng điều khiển phi tuyến hệ bánh đà ổ từ. ............................................ 99

4.4. Kết luận, đánh giá. ........................................................................................... 100

5. CHƯƠNG 5 ............................................................................................................ 101

5.1. Mô tả cấu hình thí nghiệm................................................................................ 101

5.2. Trình tự thực hiện thí nghiệm: .......................................................................... 101

5.2.1. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển hệ ổ từ. ............... 101

5.2.2. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển động cơ truyền động bánh đà. .................................................................................................................. 104

5.3. Xây dựng giao diện thí nghiệm. ........................................................................ 105

5.3.1. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w............................................ 106

5.3.2. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w............................................ 108

5.4. Thí nghiệm và lấy kết quả của giai đoạn nâng tĩnh. .......................................... 110

5.4.1. Nâng tĩnh khi điều khiển theo u,v, w ............................................................. 110

5.4.2. Nâng tĩnh điều khiển theo z, θx, θy. ............................................................... 111

5.5. Thí nghiệm khởi động và duy trì tốc độ bánh đà. .............................................. 112

5.6. Thí nghiệm quá trình xả cho bánh đà. .............................................................. 114

5.7. Thí nghiệm điều khiển phi tuyến ....................................................................... 116

5.7.1. Xây dựng giao diện vận hành, giám sát cho phương pháp phi tuyến. ............ 116

5.8. Kết luận. .......................................................................................................... 119

6. PHỤ LỤC ............................................................................................................... 129

6.1. Thông số thiết kế .............................................................................................. 129

6.2. Thiết kế bánh đà............................................................................................... 129

6.3. Thiết kế ổ từ. .................................................................................................... 131

6.3.1. Tính toán lực nâng cho ổ từ ......................................................................... 132

6.3.2. Tính toán các thông số nam châm điện. ....................................................... 133

6.3.3. Chọn cảm biến đo vị trí và hệ đo vị trí. ........................................................ 135

6.3.4. Thiết kế cụm bệ đỡ bánh đà.......................................................................... 136

6.3.5. Thiết kế khung vỏ hệ bánh đà: ...................................................................... 137

6.3.6. Cơ cấu lắp cảm biến. ................................................................................... 139

6.3.7. Chế tạo, lắp ráp bánh đà, nam châm và cảm biến vị trí. ............................... 139

6.3.8. Lắp ráp cụm nắp dưới: ................................................................................ 139

6.3.9. Lắp ráp cụm nắp trên: ................................................................................. 140

6.3.10. Lắp ráp bánh đà .......................................................................................... 141

6.3.11. Lắp ráp khung vỏ và cảm biến. .................................................................... 141

6.4. Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi công suất, đo lường và điều khiển cho các ổ từ.

142

6.4.1. Thiết kế mạch khuyếch đại công suất ........................................................... 142

6.4.2. Thiết kế mạch điều khiển dòng điện.............................................................. 147

6.4.3. Hiệu chỉnh bộ điều chỉnh dòng điện ............................................................. 150

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Ghi chú Tiếng Anh Ý nghĩa

FESS Flywheel Energy Store System

Hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà

KERS Kinetic Energy Recovery Systems

Hệ thống thu hồi năng lượng bằng động năng

UPS Uninteruptible Power Supply Cấp nguồn không gián đoạn

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

MLS Magnetic Levitation System Hệ thống nâng từ

DSP Digital Signal Proccessing Xử lý tín hiệu số

ADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số

DAC Digital to Analog Converter Chuyển đổi số sang tương tự

SMC Sliding Mode Control Điều khiển chế độ trượt

PID Proportional Integral Derivative

Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – đạo hàm

DOD Depth of Discharge Độ xả sâu

BBĐ Bộ biến đổi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

Lực điện từ N Fem

Khối lượng bánh đà m kg

2 /m s

Gia tốc trọng trường g

Khe hở không khí m e

2W /b m Mật độ từ thông

Độ lệch vị trí đọc trục z m

,L L

,R R

Điện cảm cuộn dây nam châm H





Điện trở cuộn dây nam châm

0

Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ

r

Độ từ thẩm của môi trường chân không Độ từ thẩm tương đối

Số vòng dây n

Năng lượng tích trữ Wa

Hệ số tỷ lệ với dòng điện Ka

Hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển Kn

Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển KP

Hệ số đạo hàm của bộ điều khiển KD

Hệ số tích phân của bộ điều khiển KI

s Toán tử Laplace

A Tiết diện mạch từ



Hệ số cấu tạo nam châm ổ từ

u v w ,

F F F , v w

N Lực điện từ của các ổ từ tại các góc

z u

z w

m Độ lệch vị trí tại các góc bánh đà

zeF

N Lực điện từ dọc trục

M M ye

,xe

Nm Mô men điện từ lật theo trục x, y

y  ,x

vii

rad Góc nghiêng theo trục x, y

zdF

N Lực nhiễu dọc trục

M M yd

,xd

.N m s Mô men quán tính theo các trục x, y, z

J z

Nm Mô men nhiễu theo trục quay x, y

Bán kính tác động của ổ từ lên bánh đà r m

Đường kính vành ngoài bánh đà D

Đường kính vành trong bánh đà

Chiều dày bánh đà H

i 1 u i 2

i 1 v i 2

i 1 w i 2

Dòng điện các cuộn dây nam châm A

A Dòng điện tiền từ hóa (dòng điện lệch)

viii

Chu kỳ điều chế độ rộng xung của bộ biến đổi Tbx

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Bánh đà đã được thử nghiệm bởi USFS. ...................................................3

Hình 1.2. Hệ bánh đà do hãng Pillar (Đức) chế tạo. ................................................3

Hình 1.3. Hệ thống FES dùng bánh đà của hãng Beacon Power. .............................4

Hình 1.4. Một số kiểu FESS cỡ nhỏ dùng bánh đà. ..................................................4

Hình 1.5. Hệ thống động cơ - bánh đà với ổ từ 5 bậc tự do. .....................................5

Hình 1.6. Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng điển hình. .........................9

Hình 1.7. Nguyên tắc cơ bản nam châm điện. ........................................................ 12

Hình 1.8. Mô hình hệ nâng vật bằng lò xo. ............................................................ 12

Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của ổ từ chủ động. ........................................................ 13

Hình 1.10. Đặc tính quan hệ lực điện từ theo dòng điện. ....................................... 15

Hình 1.11. Hệ nâng từ bằng nam châm kép (ổ từ kép)............................................ 15

Hình 1.12. Cấu hình hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ làm mô hình thử nghiệm. .................................................................................................................. 20

Hình 1.13. Cấu hình hệ ổ từ của mô hình thử nghiệm. ........................................... 21

Hình 2.1. Mô tả ổ từ kép với hai nam châm điện. ................................................... 24

Hình 2.2. Cấu trúc một cơ cấu ổ từ. ....................................................................... 25

Hình 2.3. Phân tích lực bánh đà trong các hệ tọa độ. ............................................ 26

y  ) về vị trí và lực. .................... 28

Hình 2.4. Tính quy đổi giữa hệ (u, v, w) và (z,

z   ..................................... 41 ( ,

)

Hình 2.5. Mô tả các ổ từ tương đương trong hệ

i i và 2

i 2

i 2w

i Hình 2.6. Tương quan giữa các dòng điện 2

i 2

.......................... 43

Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý điều khiển ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động cơ -bánh đà. ........................................................................................................... 46

Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển ổ từ trong hệ ổ từ chủ động trong mô hình truyền động

động cơ -bánh đà. .................................................................................................. 47

Hình 3.1. Quan hệ giữa lực F và dòng điện i của các nam châm điện .................... 51

Hình 3.2. Nguyên lý ổ từ với dòng điện tiền từ hóa ................................................ 51

Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển ổ từ kép khi có dòng tiền từ hóa I0........................... 52

Hình 3.4. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau.............................................. 54

Hình 3.5. Cấu trúc ổ từ tại điểm làm việc tuyến tính .............................................. 54

Hình 3.6. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau khi y=0 (điểm cân bằng). ..... 55

Hình 3.7. Đặc tính F(y) với các giá trị I0 khác nhau khi iC=0................................. 55

Hình 3.8. Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A khi z thay đổi .............................................. 56

Hình 3.9. Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A tại z=0 (điểm cân bằng) ............................. 56

Hình 3.10. Cấu trúc mạch vòng vị trí lân cận điểm cân bằng. ................................ 57

Hình 3.11. Kết quả mô phỏng điều khiển ổ từ theo mô hình tuyến tính hóa. ........... 57



Hình 3.12. Cấu trúc điều khiển đầy đủ cho một ổ từ theo mô hình tuyến tính. ........ 58

0,01

)mm

tới điểm cân bằng với Hình 3.13. Mô phỏng ổ từ đơn nâng từ điểm (z



mạch vòng dòng điện lý tưởng và không có hạn chế tốc độ lượng đặt. ................... 58

0,1

)mm

tới điểm cân bằng với mạch Hình 3.14. Mô phỏng ổ từ đơn nâng từ điểm (z

vòng dòng điện lý tưởng và có hạn chế tốc độ lượng đặt. ....................................... 59

Hình 3.15. Vị trí (a), dòng điện (b), điện áp (c), của ổ từ với nguồn 250VDC ........ 60

z   . ................ 63 ,

Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển tuyến tính hệ bánh đà ổ từ theo

z   (a); , y

i u

i v

i (d) với w

z u

,z , z v

i  (c) và i

Hình 3.17. Vị trí (b); dòng điện

vị trí ban đầu nằm ngang, không có nhiễu. ............................................................ 64

z   (a); , y

z u

,z ,z v

i  (c) và i

i u

i v

i (d) với vị trí ban đầu nghiêng, không có nhiễu ngoài tác động................... 65 w

Hình 3.18. Vị trí (b); dòng điện điều khiển

z   (a); , y

i u

i v

i (d) với w

i  (c) và i

z u

,z ,z v

Hình 3.19. Vị trí (b); dòng điện

vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu ngoài tác động lên bánh đà. ................................ 66

Hình 3.20. Lực nhiễu tác động lên bánh đà tại các góc (a) và dao động vị trí (b). . 67

Hình 3.21. Động học bánh đà khi quay. ................................................................. 68

z   khi bánh đà không quay (a) và quay (b), có nhiễu. ......... 68 ,

Hình 3.22. Vị trí

Hình 3.23. Tốc độ quay và lực nhiễu tác động vào bánh đà khi tăng tốc. ............... 69

z   khi nâng bánh đà từ vị trí ban đầu xa điểm cân bằng. .... 69 ,

Hình 3.24. Vị trí

Hình 4.1. Cấu trúc tựa phẳng với mô hình ngược làm bộ điều khiển feedforward. . 73

Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với 2 bộ điều khiển feedforward và feedback. .............................................................................................................................. 74

Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với khâu tạo quỹ đạo đặt ........................ 74

Hình 4.4. Bộ điều khiển truyền thẳng (tính toán dòng điện đặt). ............................ 83

Hình 4.5. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho hệ đối xứng. ..................................... 86

z ................................................................ 87 ,

z và

Hình 4.6. Quỹ đạo đặt

Hình 4.7. Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực khi chưa có khâu bù sai lệch mô hình. .......... 87

Hình 4.8. Khâu bù sai lệch mô hình. ...................................................................... 88

Hình 4.9. Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mô hình cho ổ từ góc u. .......... 88

Hình 4.10. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng ............ 89

Hình 4.11. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng ............ 90

Hình 4.12. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng ............ 91

Hình 4.13. Vị trí (a), dòng điện (b), của ổ từ .......................................................... 93

Hình 4.14. Vị trí các góc (a) khi có lực nhiễu cân bằng tác động (b)...................... 94

Hình 4.15.Cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng với khâu bù nhiễu feedforward.. ....... 94

Hình 4.16. Khâu bù nhiễu feedforward. ................................................................. 95

Hình 4.17. Vị trí (a) và lực nhiễu tác động (b) khi hệ có bù feedforward. ............... 95

Hình 4.18. Vị trí các góc u, v, w của bánh đà khi có nhiễu không đối xứng. ........... 96

Hình 4.19. Khâu bù sai lệch mô hình và tính toán dòng điện cho trục z. ................ 97

x ...................... 98

Hình 4.20. Khâu bù và tính toán dòng điện đặt cho chuyển động

z   ............. 98 ,

Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển phẳng hệ ổ từ chủ động trong hệ

z   (b) khi nhiễu tác động lên bánh đà (c) trong ,

, z , z v

Hình 4.22. Vị trí (a);

một quá trình hoạt động của hệ truyền động động cơ – bánh đà ............................ 99

Hình 5.1. Cấu hình hệ thí nghiệm. ....................................................................... 101

Hình 5.2. Cấu hình kênh vào đo vị trí cho dS-1104. ............................................. 102

Hình 5.3. Cấu hình kênh ra đặt dòng điện cho dS-1104. ...................................... 104

Hình 5.4. Cấu hình hệ truyền động động cơ để nạp (quay) và xả (hãm) cho bánh đà. ............................................................................................................................ 104

Hình 5.5. Biến tấn và trở xả để nạp và xả cho bánh đà ........................................ 105

Hình 5.6. Giao diện điều khiển tuyến tính theo u, v, w. ........................................ 106

Hình 5.7. Phần nhập vị trí đặt, hiển thị vị trí thực và sai lệch vị trí mỗi góc. ........ 107

Hình 5.8. Phần nhập các thông số bộ PID điều chỉnh vị trí. ................................. 107

Hình 5.9. Phần hiển thị các giá trị ra của của bộ điều khiển vị trí và của từng thành

phần (P, I, D) của bộ điều chỉnh .......................................................................... 107

Hình 5.10. Phần đặt dòng từ hóa I0 và hiển thị dòng điện đặt ............................. 107

Hình 5.11. Giao diện điều khiển tuyến tính theo z, θx, θy. .................................... 108

Hình 5.12. Phần giao diện nhập vị trí, góc đặt, hiển thị vị trí và góc thực khi điều

khiển theo z, θx, θy. .............................................................................................. 109

Hình 5.13. Phần nhập các thông số bộ điều chỉnh vị trí. ...................................... 109

Hình 5.14. Phần hiển thị các giá trị ra của của bộ điều khiển z, θx, θy và giá trị chuyển đổi sang u, v, w ........................................................................................ 109

Hình 5.15. Phần đặt dòng từ hóa I0 và hiển thị dòng điện đặt .............................. 109

Hình 5.16. Vị trí và góc nghiêng khi nâng tĩnh theo u, v, w .................................. 110

Hình 5.17. Vị trí và góc nghiêng khi nâng tĩnh theo z, θx, θy ................................. 111

Hình 5.18. Vị trí và góc nghiêng khi quay ở 1350 v/phút. ..................................... 113

Hình 5.19. Vị trí và góc nghiêng tại thời điểm hãm bánh đà dùng (xả). ............... 115

Hình 5.20. Giao diện thử nghiệm thuật toán tạo quỹ đạo đặt. .............................. 116

Hình 5.21. Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt vị trí trên ControlDesk ........................... 117

Hình 5.22. Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt dòng điện trên ControlDesk. .................. 117

Hình 5.23. Tín hiệu ra đặt dòng điện thực của dS1104......................................... 118

Hình 5.24. Sai lệch tín hiệu ra đặt dòng điện thực do giới hạn tốc độ tính toán của

dS1104. ................................................................................................................ 118

Hình 6.1. HÌnh dạng bánh đà mô hình. ................................................................ 129

xii

Hình 6.2. Thiết kế chi tiết bánh đà. ...................................................................... 131

Hình 6.3. Thiết kế trục bánh đà. ........................................................................... 131

Hình 6.4. Tính chọn kích thước mạch từ. ............................................................. 133

Hình 6.5. Kích thước mạch từ nam châm. ............................................................ 134

Hình 6.6. Thiết kế cụm nam châm. ....................................................................... 134

Hình 6.7. Bố trí lắp ổ từ và ghép nối bánh đà – động cơ/máy phát. ...................... 137

Hình 6.8. Thiết kế khung vỏ ngoài. ....................................................................... 138

Hình 6.9. Thiết kế nắp trên và nắp dưới. .............................................................. 138

Hình 6.10. Thiết kế cơ cấu lắp cảm biến. ............................................................. 139

Hình 6.11. Cụm nắp dưới đã lắp ráp.................................................................... 140

Hình 6.12. Cụm nắp trên đã lắp ráp..................................................................... 140

Hình 6.13. Hệ ổ từ - bánh đà – đông cơ đã lắp ráp. ............................................. 141

Hình 6.14. Lắp đặt khung vỏ và cảm biến. ........................................................... 141

Hình 6.15. Sơ đồ nguyên lý ghép nối IR2110 cho mạch lực. ................................. 143

Hình 6.16. Cảm biến đo dòng Hall và cách kết nối. ............................................. 144

Hình 6.17. Mạch công suất với đo dòng dùng LA25P. ......................................... 144

Hình 6.18. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi. ............................................................... 145

Hình 6.19. Mạch lực bộ băm xung đã lắp ráp. ..................................................... 146

Hình 6.20. Mạch vòng dòng điện điều khiển các nam châm điện. ........................ 148

Hình 6.21. Mạch điều khiển dòng điện. ................................................................ 149

Hình 6.22. Mạch điều khiển đã lắp ráp. ............................................................... 150

xiii

Hình 6.23. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện. ...................................................... 151

DANH MỤC BẢNG

xiv

Bảng 3.1. Thông số mô hình thực nghiệm …………………………………………….42

Mở đầu

MỞ ĐẦU

i. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu nghiên cứu hệ truyền động động

cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Hệ truyền động động cơ – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) là hệ mà trong đó ngoài động

cơ thì có thêm bánh đà. Trong hệ này bánh đà cũng đóng vai trò là một thành phần

của nguồn động lực, có vai trò hỗ trợ cho động cơ. Trong các hệ thống có bánh đà

thông thường thì bánh đà nối với động cơ qua cơ cấu truyền giảm tốc, ví dụ như trong

các cơ cấu truyền động trục cán, máy nghiền, truyền động cho các phương tiện hạng

nặng như đường sắt, đường thủy.

Tuy nhiên, một hướng ứng dụng mới và đang rất được quan tâm nghiên cứu của

hệ TĐ ĐC-BĐ là trong hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (FESS - ﬂywheel

energy storage system). Trong hệ này, năng lượng được tích lũy bằng động năng của

bánh đà, động cơ truyền động cho bánh đà quay lên tốc độ rất cao khi nạp năng lượng.

Năng lượng sau đó có phát ra dưới dạng cơ năng khi bánh đà truyền chuyển động

quay cho phụ tải cơ. Nếu phụ tải cơ của bánh đà là máy phát điện thì FESS có thể

cung cấp điện năng cho hệ thống. FESS đã được ứng dụng trong các lĩnh vực công

nghệ cao, thiết bị đặc biệt và bắt đầu được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi hơn trong

các máy móc, thiết bị phục vụ đời sống. Một số lĩnh vực trong đó ứng dụng FESS

hiệu quả như là:

- Làm nguồn dự phòng tác động nhanh, ví dụ UPS bảo vệ cho các hệ thống dữ

liệu khi mất điện lưới. FES có thể cung cấp công suất tới megawatt để đảm bảo

khả năng đáp ứng nhanh của lưới điện tại một khu vực.

- Dùng để truyền động cho bơm làm mát thanh nhiên liệu trong lò phản ứng nhà

máy điện hạt nhân khi mất điện. FES có thể truyền động trực tiếp cho bơm hoặc

phát điện.

- Cung cấp công suất đỉnh cho lưới điện và là một phần quan trọng trong hệ thống

quản lý phân phối năng lượng trong các hệ thống dùng nguồn năng lượng tái

tạo (năng lượng gió hay năng lượng mặt trời).

Mở đầu

- Ứng dụng trong các cơ cấu phục hồi năng lượng (KERS) trên các ô tô lai giúp

tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.

- Có thể dùng làm thiết bị nạp và cấp năng lượng cho các xe bus chạy điện trong

thành phố mà không cần dùng pin hay acquy là các thiết bị rất không thân thiện

với môi trường.

Theo nguyên lý cơ học, động năng tích trữ trong bánh đà tỷ lệ bậc hai với tốc

độ quay, tỷ lệ bậc hai với bán kính bánh đà (bậc 4 nếu dạng hình trụ dài), và tỷ lệ với

khối lượng. Các yếu tố bán kính và khối lượng là các thông số cấu tạo, về cơ bản để

tăng các thông số đó cũng đồng nghĩa với việc phải tăng kích thước thiết bị, dùng vật

liệu có trọng lượng riêng lớn do đó tăng giá thành hệ thống. Khía cạnh khác, khi kích

thước lớn, khối lượng lớn sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định, bền bỉ của hệ

thống. Trong khi đó, việc tăng tốc độ mang lại đạt hiệu quả tích trữ năng lượng cao

hơn nhiều và cho phép hệ có kích thước nhỏ nhưng khả năng lưu trữ năng lượng lớn,

tức là mật độ năng lượng, mật độ công suất cao.

Do vậy, trong thực tế truyền động bánh đà thường được thiết kế để làm việc ở

vùng tốc độ rất cao (10.000 – 60.000 vòng/phút).

Thông thường, bánh đà gồm cả bánh đà tốc độ cao có thể dùng ổ đỡ cơ khí.

Dùng ổ đỡ cơ khí cho phép hệ thống có cấu tạo đơn giản nhưng đòi hỏi công nghệ,

chất lượng gia công, và vật liệu đặc biệt, mặc dù vậy vẫn không đảm bảo hoạt động

được ở tốc độ cao với thời gian dài, đặc biệt với tốc độ rất cao như nêu trên. Sử dụng

ổ đỡ cơ gây hạn chế rất nhiều cho hệ do các vấn đề:

- Ma sát lớn, đây là nguyên nhân chính gây tổn hao năng lượng của bánh đà. Ma

sát trong hệ TĐ BĐ-ĐC gồm ma sát của ổ đỡ cơ khí, mặc dù ổ đỡ cơ khí có cấu

tạo và chất lượng cao vẫn là kiểu ổ cơ, tiếp xúc cơ khí nên vẫn gây tổn thất. Ma

sát gây tổn thất chính cho bánh đà là ma sát với không khí khi bánh đà quay tốc

độ cao. Để loại trừ ma sát này, hệ truyền động bánh đà được đặt trong buồng

chân không hoặc áp suất thấp.

- Ổ đỡ cơ khí, phải bảo dưỡng, thay thế thường xuyên do tuổi thọ ngắn. Điều này

gần như không thể cho phép thực hiện đối với hệ bánh đà phải làm việc liên tục,

xvi

ví dụ như trong các hệ thống cấp nguồn không gián đoạn UPS.

Mở đầu

Do vậy, các hệ truyền động động cơ - bánh đà cần dùng một giải pháp khác làm

ổ đỡ để nâng cao chất lượng, đó là dùng các cơ cấu nâng bằng từ trường (ổ từ). Cơ

cấu ổ từ khắc phục hoàn toàn các hạn chế của ổ bi cơ sẽ không có tiếp xúc cơ, do vậy

không có ma sát và không cần bảo dưỡng, bôi trơn.

Với việc dùng ổ đỡ từ để nâng bánh đà đã loại bỏ được ma sát, hao mòn và bảo

dưỡng, qua đó cho phép phát huy tối đa tính năng để trở thành một thiết bị lưu trữ và

cung cấp năng lượng tiên tiến và thân thiện với môi trường. Chúng góp phần mạnh

mẽ trong việc phát triển các thiết bị lưu trữ và cung cấp điện năng từ các nguồn năng

lượng tái tạo hoặc thay thế cho acquy trong nhiều lĩnh vực qua đó giúp giảm bớt việc

sử dụng một sản phẩm độc hại trong sản xuất, sử dụng và đặc biệt khi sau khi loại bỏ.

Cơ cấu nâng bằng từ trường có thể dùng nam châm vĩnh cửu, vật liệu siêu dẫn

hay nam châm điện từ. Trong đó:

- Nam châm vĩnh cửu đơn giản nhưng không đảm bảo hệ thống ổn định do không

điều khiển được. Nam châm vĩnh cửu thường dùng kết hợp với nam châm điện

trong đó nam châm vĩnh cửu tạo phần lực nâng chủ đạo còn nam châm điện

dùng điều khiển với vai trò “trợ lực”. Tuy nhiên hệ này có nhược điểm là chế

tạo lắp ráp rất phức tạp và cần chế tạo nam châm vĩnh cửu phù hợp với bánh đà

- Dùng công nghệ vật liệu siêu dẫn thì khó ứng dụng trong điều kiện bên ngoài

phòng thí nghiệm vì quá phức tạp.

- Trong khi đó, nam châm điện từ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều

lĩnh vực. Ổ đỡ từ dùng nam châm điện cho phép bánh đà làm việc ổn định trong

nhiều điều kiện khác nhau và linh hoạt. Cơ cấu nâng bằng từ trường sử dụng

nguyên lý nâng không tiêp xúc bằng lực từ. Hệ thống nâng không tiếp xúc dùng

lực từ đã được nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực như thiết bị chống rung,

máy điện quay, tàu cao tốc đệm từ MAGLEV (Magnetic levitation train) ...

Khi hệ TĐ ĐC-BĐ dùng ổ từ chủ động, chuyển động quay của bánh đà và hoạt

động nâng hoặc giữ vị trí bánh đà của ổ từ tác động lẫn nhau và tác động lớn đến đến

chất lượng truyền động của hệ truyền động cũng như tính năng hoạt động chung của

hệ thống. Việc điều khiển ổ từ một cách phù hợp sẽ nâng cao chất lượng và tính năng

xvii

vận hành của hệ TĐ ĐC-BĐ.

Mở đầu

ii. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

a. Đối tượng nghiên cứu:

Một hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ bao gồm cơ cấu bánh đà kết nối với động

cơ (máy phát) và cơ cấu ổ từ để nâng bánh đà hoặc cả phần quay gồm bánh đà - rotor.

Hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ là hệ chưa có sản phẩm thương mại sản xuất loạt và

chuẩn hóa như các hệ truyền động truyền thống khác. Do vậy, hiện nay đang có nhiều

hướng có thể nghiên cứu, phát triển về hệ này bao gồm:

- Nghiên cứu, thiết kế bánh đà: gồm hình dạng, kích thước, vật liệu chế tạo và lắp

đặt bành đà.

- Nghiên cứu, thiết kế ổ từ: gồm hình dạng, kích thước, vật liệu chế tạo và lắp đặt

ổ từ.

- Nghiên cứu điều khiển hệ bánh đà - ổ từ: gồm điều khiển cơ cấu nam châm điện

của ổ từ, điều khiển hệ bánh đà ổ từ …

Khác với hệ dùng ổ đỡ cơ khi mà cơ cấu quay có thể hoạt động bất kỳ lúc nào

thì đối với hệ có tích hợp ổ từ, cơ cấu quay chỉ có thể bắt đầu làm việc sau khi ổ từ

đã di chuyển và ổn định phần quay ở vị trí cân bằng (giữa ổ từ). Đồng thời trong quá

trình hoạt động của hệ, chuyển động quay của động cơ – bánh đà cũng tương tác với

cơ cấu ổ từ và ảnh hưởng lẫn nhau. Do vậy, việc điều khiển ổ từ không chỉ điều khiển

ổn định vị trí cân bằng (vị trí làm việc) khi có các tác động nhiễu do chuyển động

quay của động cơ – bánh đà gây ra mà còn phải hoạt động phù hợp với các trạng thái

vận hành của cả hệ truyền động theo công nghệ.

Do vậy, đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ điều khiển ổ từ chủ động tích

hợp trong hệ truyền động động cơ – bánh đà.

b. Phạm vi nghiên cứu:

Với hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ, đối tượng chủ đạo cần điều khiển là ổ từ

với phần tử tạo lực nâng là nam châm điện- đây là một phần tử điện từ điển hình. Hệ

TĐ ĐC-BĐ quay với tốc độ rất cao nên dễ mất ổn định khi nạp hoặc xả, bộ điều khiển

xviii

ổ đỡ từ đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ổn định bánh đà.

Mở đầu

Cơ cấu chấp hành điện từ của ổ đỡ từ là các nam châm điện, mỗi cuộn dây của

nam châm điện được cung cấp năng lượng bởi một bộ biến đổi công suất và mỗi cụm

nam châm điện có thể coi là một hệ điện từ có điều khiển. Vì vậy với đối tượng đã đề

xuất, phạm vi nghiên cứu của luận án là:

Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động

động cơ - bánh đà.

iii. Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu:

- Xây dựng mô hình của hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ, kiểm

chứng mô hình bằng kết hợp mô phỏng và thực nghiệm.

- Nghiên cứu, thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động trong hệ truyền động động

cơ - bánh đà theo các phương pháp điều khiển đã đề xuất, mô phỏng và thực

nghiệm để đánh giá và hiệu chỉnh.

- Thử nghiệm phương pháp điều khiển đã thiết kế trên mô hình thực nghiệm và

đánh giá kết quả, từ đó đưa ra các hiệu chỉnh cần thiết và kết luận.

iv. Mục tiêu và dự kiến kết quả đạt được

a. Mục tiêu của luận án:

Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong truyền động

động cơ - bánh đà để nâng cao chất lượng của hệ.

b. Dự kiến kết quả đạt được:

- Xây dựng được mô hình điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động

cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ.

- Thiết kế thành công điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong hệ truyền

động động cơ – bánh đà.

v. Đóng góp mới của luận án:

- Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ mới cho hệ truyền động động cơ-bánh đà, với ba ổ từ

kép đặt lệch nhau 1200 thay cho một ổ từ kép dạng vành khăn. Cấu trúc mới có

ưu điểm: Dễ chế tạo và khi thiết kế điều khiển ba bậc tự do sẽ tạo nên sự ổn

xix

định bánh đà khi quay, không bị nghiêng lật, chao đảo.

Mở đầu

- Xây dựng động lực học tổng quát của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động

cơ - bánh đà ở các chế độ vận hành. Đề xuất mô hình động lực học hệ ổ từ theo

, wu v

z   thuận lợi cho việc xây dựng mô ,

hai hệ tọa độ: Tọa độ và tọa độ

hình điều khiển và thiết kế điều khiển.

- Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng cho

hệ ổ từ chủ động của truyền động động cơ - bánh đà, góp phần nâng cao được

chất lượng điều khiển.

vi. Nội dung luận án

Nội dung của luận án được trình bày trong 5 chương và một phụ lục gồm các

vấn đề nghiên cứu:

Chương1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ.

Nội dung trình bày tóm tắt nguyên lý cấu tạo của ổ từ. Tóm lược các công trình

nghiên cứu về điều khiển hệ truyền động bánh đà có tích hợp ổ từ. Đề xuất mô hình

nghiên cứu hệ truyền động bánh đà có tích hợp ổ từ với ba cụm ổ từ và mô hình điều

khiển ổ từ ba bậc tự do

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ truyền động động cơ- bánh đà có

tích hợp ổ từ chủ động.

Từ mô hình ổ từ đề xuất trong chương 1, nội dung chương 2 đi xây đựng động

lực học của hệ trong các chế độ làm việc: nâng đến vị trí cân bằng, nạp năng lượng,

giữ ổn định và phóng năng lượng. Mô hình động lực học của hệ truyền động cơ -

bánh đà nâng bằng ổ từ được xây dựng là hệ đa kênh và phi tuyến. Đề xuất mô hình

, wu v

z   thuận lợi ,

động lực học hệ ổ từ theo hai hệ tọa độ: Tọa độ và tọa độ

cho việc xây dựng mô hình điều khiển và thiết kế điều khiển.

Chương 3 Thiết kế điều khiển tuyến tính cho hệ ổ từ chủ động của truyền động động

cơ – bánh đà.

Xuất phát từ mô hình điều khiển hệ ổ từ trong chương 2, nội dung chương 3

xây dựng mô hình tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc cân bằng, từ đó thiết kế điều

khiển tuyến tính cho hệ. Kết quả thu được cho thấy ưu nhược điểm và giới hạn áp

Mở đầu

dụng của phương pháp thiết kế này. Đồng thời cũng chỉ ra sự cần thiết phải áp dụng

điều khiển phi tuyến cho hệ.

Chương 4 Thiết kế điều khiển phi tuyến cho hệ ổ từ chủ động của truyền động

động cơ – bánh đà.

Luận án lựa chọn áp dụng điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng

cho điều khiển hệ ổ từ của hệ truyền động động cơ-bánh đà. Kết quả thu được là hệ

điều khiển đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề ra trong các chế độ làm việc, mở ra khả năng

triển khai ứng dụng vào thực tiễn.

Chương 5: Thử nghiệm hệ điều khiển ổ từ chủ động trong mô hình truyền động

động cơ - bánh đà.

Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình và thiết kế điều khiển

phi tuyến cho hệ ổ từ của truyền động động cơ - ổ từ, phần phụ lục (PL) đã trình bày

vấn đề thiết kế mô hình hệ truyền động động cơ – bánh đà có tích hợp ổ từ. Mô hình

được chế tạo và lắp đặt tại phòng thí nghiệm. Kết quả thực nghiệm thu được đã minh

xxi

chứng tính đúng đắn của mô hình điều khiển và thiết kế điều khiển.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

1. CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ

TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

Như đã giới thiệu trong phần mở đầu, các hệ TĐ ĐC-BĐ trong thực tế hiện nay

có thể chia thành hai nhóm. Nhóm tốc độ thấp với động cơ thông thường hoạt động

ở tốc độ 3000 vòng/phút trở xuống. Trong nhóm này bánh đà có vai trò trợ lực, giảm

chấn cho động cơ và thường nối với động cơ qua hộp giảm tốc. Điển hình là trong

các máy gia công có xung lực lớn như máy dập, máy cán, trong các hệ truyền động

công suất rất lớn, … Do chạy với tốc độ thấp, cơ cấu nặng nề nên các hệ này phù hợp

với cơ cấu ổ đỡ cơ thông thường.

Nhóm thứ hai là nhóm tốc độ cao và có một điểm đáng lưu ý là hầu như ứng

dụng trong các thiết tích lũy năng lượng dạng động năng do đặc điểm động năng tỷ

lệ bậc hai với tốc độ. Trong hệ này thì động cơ đóng vai trò chuyển đổi năng lượng

vào/ra cho bánh đà. Với tốc độ cao và rất cao nên việc sử dụng các cơ cấu chuyển đổi

tốc độ là rất hạn chế, thường rotor động cơ được nối trực tiếp với bánh đà (dùng khớp

nối linh hoạt, nối cứng trục, hoặc bánh đà kiêm luôn rotor) và chạy cùng tốc độ với

bánh đà. Với các đặc điểm về tốc độ và một số yêu cầu khác liên quan, hầu hết các

hệ TĐ ĐC-BĐ không dùng ổ đỡ cơ mà dùng ổ đỡ không tiếp xúc hay còn gọi là ổ từ.

Nhóm này đang rất được quan tâm nghiên cứu và cũng là đối tượng nghiên cứu

của luận án. Vì vậy luận án sẽ khái quát các vấn đề về ứng dụng, cấu tạo và điều khiển

của hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ.

1.1. Lịch sử phát triển hệ tích lũy năng lượng dùng bánh đà

Nguồn gốc và việc sử dụng công nghệ bánh đà để lưu trữ năng lượng cơ học đã

bắt đầu từ cách đây 100 năm và đã được phát triển trong suốt Cách mạng công nghiệp.

Bánh đà cơ khí thuần túy đã được sử dụng như một bộ giảm chấn để làm cho máy

móc chạy mềm mại hơn, ví dụ như trong các máy nghiền, các máy gia công kim loại

có tải dạng xung kích, hỗ trợ pitton trong các thiết bị như động cơ đốt trong [1].

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Vào năm 1917, Stoloda đã có những nghiên cứu về hình dạng rotor của bánh đà

và ứng suất quay [2]. Các mốc quan trọng tiếp theo là trong thời kỳ những năm 1960

và 1970 khi NASA tài trợ cho các chương trình đề xuất dùng bánh đà lưu giữ năng

lượng làm nguồn cung cấp chính cho các thiết bị trong sứ mệnh không gian. Thập kỷ

tiếp theo đã chứng minh rằng tính năng của bánh đà "pin cơ học" đã vượt qua các loại

pin hóa học để có thể dùng cho nhiều ứng dụng [3] [4].

Tới những năm 1970, vấn đề lưu trữ năng lượng bằng bánh đà đã được đề xuất

cho các lọai xe điện và phục hồi năng lượng [5] [6]. Thập kỷ 1980, việc áp dụng các

thiết bị điện tử bán dẫn, hệ thống ổ đỡ từ và máy phát điện động cơ mật độ cao làm

cho công nghệ tích lũy năng lượng bằng bánh đà trở nên có thể áp dụng rộng rãi [7].

Thiết bị lưu trữ năng lượng động năng bao gồm một bánh đà nối với một máy

điện có thể chạy ở chế độ động cơ hoặc máy phát. Khi nạp năng lượng, điện năng

được dùng để tăng tốc cho bánh đà, tức là biến năng lượng điện thành năng lượng cơ

của bánh đà. Trong quá trình hệ thống hoạt động thì năng lượng của bánh đà được

huy động để thiết bị hoạt động ví dụ như xe điện. Khi đó năng lượng cơ năng qua bộ

biến đổi chuyển thành năng lượng điện. Một số hệ thống xe bus chạy điện dùng bánh

đà để tích năng lượng khi dừng ở trạm và cấp năng lượng để xe chạy từ trạm này tới

trạm khác (không dùng acquy), các trạm có thể cách nhau tới 6km [8] [9].

Bánh đà có nhiều ưu điểm để làm thiết bị lưu trữ năng lượng [10] [11] với:

- Mật độ công suất cao.

- Mật độ năng lượng cao.

- Không suy giảm dung lượng, tuổi thọ không phụ thuộc tốc độ xả và số lần

xả như hệ thống lưu trữ bằng pin.

- Có thể giữ cân bằng rất tốt cả khi nặng tải hoặc nhẹ tải, trong khi đó các hệ

thống dùng pin rất khó làm việc ổn định với tải thay đổi.

- Không phải bảo dưỡng định kỳ.

- Thời gian xạc ngắn.

- Vật liệu chế tạo không độc hại, quá trình hoạt động không ảnh hưởng tới

môi trường.

Các thiết kế rotor bánh đà hiện nay có mật độ năng lượng có thể sử dụng từ 45

đến 90 Whrs/kg [12]. Bánh đà có thể xả năng lượng đến bằng không nhiều lần mà

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

không ảnh hưởng gì đến chất lượng, không giống như sự lão hóa của các loại pin hóa

học. Hơn nữa, hiệu suất chuyển đổi cho phép xả sâu tới 95% (depth of discharge -

DOD) và hơn nữa. Cũng theo [2], tổ chức USFS (hệ thống bánh đà Mỹ) đã thực hiện

thử nghiệm hệ thống bánh đà theo chu trình nạp và xả sâu tới 90% với số chu trình

lên tới 50.000 lần mà tính năng vẫn không bị suy giảm, bánh đà hoạt động với tốc độ

60.000 vòng/phút, tương ứng với tốc độ ngoài vành là 1km/s. Tương tự, đại học

Austin ở Texas đã thử nghiệm một bánh đà bằng vật liệu tổng hợp hoạt động với tốc

độ khoảng 48.000 vòng/phút với hơn 90.000 chu kỳ nạp-xả mà tính năng cũng không

suy giảm [10].

Hình 1.1. Bánh đà đã được thử nghiệm bởi USFS.

Hình 1.2. Hệ bánh đà do hãng Pillar (Đức) chế tạo.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Hình 1.3. Hệ thống FES dùng bánh đà của hãng Beacon Power.

Hình 1.4. Một số kiểu FESS cỡ nhỏ dùng bánh đà.

Bánh đà đã được nghiên cứu sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thu hồi năng

lượng cho cầu trục bánh lốp (RTG - Rubber Tired Gantry) tại cảng biển để tiết kiệm

năng lượng và giảm khí thải [9], dùng phát năng lượng kiểu xung phục vụ cho các

thiết bị quân sự [13]. Hình 1.2, 1.3 và 1.4 là một số hệ thống bánh đà tích trữ năng

lượng đã được cung cấp ở mức độ thương mại hoặc nghiên cứu ứng dụng. Có thể

thấy rằng do bánh đà có đường kính và khối lượng lớn so với phần máy điện nên

FESS thường thiết kế lắp đặt theo phương đứng để trọng tâm cơ học trùng với trọng

tâm hình học làm tăng độ cứng vững tự nhiên của hệ thống.

1.2. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ đỡ từ.

Hệ TĐ ĐC-BĐ, được hiểu là bánh đà tích lũy năng lượng dưới dạng động năng,

nó được nạp và phóng năng lượng thông qua hệ truyền động (Máy điện- Bộ biến đổi

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

điển tử công suất). Ổ từ sử dụng trong hệ với mục đích để hệ có thể vận hành ở tốc

độ cao và giảm tổn thất cơ khi phóng năng lượng.

Trên hình 1.5 giới thiệu một hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà với hệ ổ đỡ

từ 5 bậc tự do [6]. Hệ thống bánh đà bao gồm một bánh đà thép đặc đặt bên trong một

thùng chân không.

Hình 1.5. Hệ thống động cơ - bánh đà với ổ từ 5 bậc tự do.

Bánh đà được thiết kế vừa làm nhiệm vụ lưu trữ năng lượng và tích hợp cả phần

quay của động cơ/máy phát điện. Bánh đà/máy điện được nâng đỡ bởi hệ ổ đỡ từ gồm

các ổ từ ngang trục trên và dưới và ổ từ dọc trục có nhiệm vụ nâng toàn bộ trọng

lượng bánh đà. Ổ từ dọc trục gồm nam châm vĩnh cửu tạo lực nâng nền và nam châm

điện để điều chỉnh và ổn định vị trí. Cấu hình này có thể thay đổi thành một số biến

thể khác và đều có thể sử dụng miễn là đảm bảo khả năng nâng đỡ bánh đà và không

bị nghiêng khi hoạt động. Ổ từ kiểu đồng cực hoạt động ưu việt hơn và càng cải thiện

hơn khi có nam châm vĩnh cửu làm nền. Việc sử dụng ổ từ có nam châm vĩnh cửu

làm nền cho phép giảm một nửa số bộ khuyếch đại công suất, chỉ còn một cho mỗi

trục. [14] đồng thời đề xuất cấu trúc cấp nguồn cho hoạt động của ổ đỡ từ bằng chính

năng lượng từ bánh đà, khi đó cho phép hệ thống làm việc hoàn toàn độc lập.

Hệ ổ từ nâng bánh đà thường gồm 5 bậc tự do (còn gọi là 5 trục), với hai bậc để

ổn định ngang trục cho đầu trục phía trên và hai bậc để ổn định phương ngang trục

cho đầu trục phía dưới, ổ từ còn lại ổn định dọc trục và tạo lực nâng chính để nâng

bánh đà. Với các cơ cấu cỡ nhỏ và dạng thân dài như động cơ ổ từ thì cấu trúc này là

phù hợp. Tuy nhiên đối với các bánh đà trọng lượng lớn và dạng đĩa dẹt thì cấu trúc

này không phù hợp. [7] đã đề xuất cấu trúc chuyển ổ từ dọc trục thành 3 bậc tự do kết

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

hợp với bai bậc để ổn định ngang trục. Cấu trúc này cho phép tăng lực nâng dọc trục,

không làm tăng số bậc tự do của hệ thống, giảm dòng điện cho nam châm điện và bộ

khuyếch đại (do tiết diện mạch từ lớn và phẳng).

[15] nghiên cứu hệ bánh đà ổ từ có thêm ổ đỡ cơ lai (kết hợp ngang và dọc trục)

làm dự phòng và ổ từ thụ động (nam cham vĩnh cửu) tạo lực nâng nền. Ổ từ tích cực

nâng bánh đà ở chế độ làm việc bình thường. Hệ điều khiển ổ từ (bộ điều khiển và

khuyếch đại công suất) ban đầu được cấp nguồn từ ngoài, sau đó được cấp nguồn từ

chính máy phát của hệ FESS. Mặc dù hệ ổ từ tích cực 5 trục làm nhiệm vụ nâng và

ổn định bánh đà nhưng hệ có một ổ từ thục động tạo lực nâng dọc trục có tác dụng

đỡ một nửa khối lượng bánh đà. Cơ cấu này cho phép giảm công suất và kích thước

của hệ ổ từ chủ động đồng thời giảm tải trọng cho ổ đỡ cơ dự phòng khi ổ đỡ từ chủ

động bị lỗi. Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá các tình huống lỗi và các

phương thức vận hành hệ động cơ - bánh đà khi có lỗi để đảm bảo an toàn và tăng

tuổi thọ cho các phần tử gồm cả bánh đà, ổ từ, ổ đỡ dự phòng.

Khả năng lưu trữ năng lượng của bánh đà tỷ lệ thuận với mô men quán tính theo

khối lượng ngang trục và bình phương tốc độ quay, nhưng không phụ thuộc mô men

quán tính dọc trục. Vì vậy, nếu xem xét khía cạnh tăng khả năng lưu trữ năng lượng,

bánh đà đường kính rộng sẽ lưu trữ tốt hơn bánh đà thân trụ dài. Tuy nhiên, mô men

con quay hồi chuyển của bánh đà đường kính rộng lớn hơn bánh đà kiểu trụ dài, có

thể làm cho hệ thống kém ổn định, đặc biệt với hệ nâng bằng ổ từ do có khe hở.

Để đánh giá và so sánh sự ổn định của của hệ TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ theo các

kiểu thiết kế, [16] đã thử nghiệm hai hệ với kiểu bánh đà trái ngược nhau, với hai

bánh đà có cùng dung lượng 5kWh tại tốc độ quay 18.000 vòng/phút. Với cùng bộ

điều khiển, hệ bánh đà đường kính lớn bắt đầu không ổn định ở tốc độ khoảng 9.000

vòng/phút trở lên. Ngược lại, bánh đà trụ thân dài vẫn ổn định ngay khi tốc độ trên

20.000 vòng/phút. Khi tăng hệ số khuyếch đại điều khiển, hệ bánh đà vành rộng tăng

được dải tốc độ làm việc ổn định nhưng độ nhạy với nhiễu cũng tăng.

Tuy nhiên, về mặt năng lượng thì bánh đà kiểu vành rộng lưu trữ được nhiều

năng hơn bánh đà thân trụ dài tính theo mật độ năng lượng trên đơn vị khối lượng

(kWh/kg). Với khối lượng của bánh đà vành rộng chỉ bằng chỉ bằng 60% so vói bánh

đà thân trụ dài nhưng năng lượng lưu được nhiều hơn 70%. Như vậy, FESS với tỷ lệ

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

mô men quán tính ngang trục/mô men quán tính dọc trục lớn thích hợp hơn với tỷ lệ

quán tính nhỏ hơn. [16] cũng cho thấy với một hệ truyền động bánh đà có ổ từ, vấn

đề ưu tiên không chỉ là hiệu suất năng lượng mà còn là sự ổn định của hệ thống.

Một đối tượng mà vai trò của thiết bị lưu trữ năng lượng rất quan trọng là vệ

tinh địa tĩnh. Hệ thống lưu trữ năng lượng trong vệ tinh địa tĩnh có nhiệm vụ cung

cấp điện cho hệ thống khi pin mặt trời không hoạt động vì vệ tinh nằm trong bóng

của Trái đất. Vệ tinh địa tĩnh điển hình bay một vòng trái đất trong khoảng 90 phút

và có thể dùng trực tiếp năng lượng mặt trời trong hơn một nửa thời gian này. Thời

gian còn lại do hệ thống lưu trữ cung cấp. Với vệ tinh có thời gian hoạt động cỡ 10

năm thì hệ thống lưu trữ năng lượng trải qua khoảng 60.000 chu trình sạc/xả, vượt

quá giới hạn độ bền của pin điện hóa điển hình. Do đó việc sử dụng FESS cho phép

kéo dài đáng kể tuổi thọ của vệ tinh so với dùng acqui thông thường. FESS có thể

hoạt động với số chu kỳ sạc/xả không giới hạn. Hơn nữa, nếu sử dụng ổ đỡ từ và động

cơ/máy phát không chổi than cho FESS, rotor có thể bị treo mà không có bất kỳ tiếp

xúc cơ học nào, khi đó cho phép tốc độ quay và mật độ năng lượng rất cao mà không

ảnh hưởng đến tuổi thọ của hệ thống.

Đối với FESS hoạt động trên vệ tinh thì có yếu tố độ tin cậy và mật độ lưu trữ

năng lượng, theo đơn vị trọng lượng hoặc thể tích đều quan trọng. Nếu phần tử và hệ

thống càng phức tạp thì độ tin cậy càng thấp. Với tư tưởng đó, [17] đề xuất một thiết

kế đơn giản hơn là ổ đỡ từ điện động đơn cực. Những ưu điểm chính của ổ đỡ từ điện

động đơn cực so với ổ đỡ từ chủ động (AMB) là sự đơn giản và công suất phần bộ

biến đổi và điều khiển rất thấp, dẫn đến độ tin cậy của hệ thống cao hơn, đó là một

yếu tố quan trọng cho các ứng dụng không gian. Mặt khác, thiết kế cũng có thể phù

hợp cho các ứng dụng thương mại do chi phí thấp hơn so với AMB.

Khác với các kiểu ổ đỡ từ chủ động hay ổ đỡ từ điện động đơn cực, [18] đề xuất

hệ thống ổ đỡ từ không tiếp xúc thụ động. Ưu điểm của ổ đỡ từ thụ động so với ổ đỡ

từ chủ động là độ ổn định, và do đó có độ tin cậy cao hơn, là yếu tố quan trọng trong

các ứng dụng ổ đỡ không tiếp xúc cho các hệ như FESS. Thiết kế ở đỡ từ thụ động

có một số hạn chế như là tổn thất quay lớn, yêu cầu chế tạo có độ chính xác cao và

các vấn đề động học.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Trong số các kiểu ổ đỡ từ hoạt động dựa trên sự tương tác của đối tượng dẫn từ

(vật được nâng) với trường thay đổi theo thời gian, có một kiểu thiết bị sử dụng các

vòng dẫn khép kín gắn trên rotor và di chuyển qua từ trường được tạo ra bởi các thiết

bị từ tính được gắn trên stator. Thay đổi theo thời gian là bởi vì được quan sát từ phía

rotor, trong khi nó vẫn không đổi trong hệ tọa độ stator và có thể được tạo ra bởi nam

châm vĩnh cửu, trong trường hợp đó không cần nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài

để vận hành hệ thống. Loại ổ đỡ từ này đã được đề xuất gần đây [18], và nó ưu việt

hơn so với các phương pháp tương tự đã biết trước đó sử dụng dòng xoáy cảm ứng

trong các dây dẫn di chuyển so với nam châm vĩnh cửu, nhất là theo hướng giảm thiểu

tổn thất quay. Phương án [18] đưa ra có ưu điểm làm tổn thất quay nhỏ hơn và độ

nhạy với sự thay đổi hình dạng của vòng dẫn thấp hơn, sự thay đổi này có thể xảy ra

do sản xuất không chính xác hoặc rotor bị căng ra do lực ly tâm. Với kiểu ổ từ này,

tổn thất quay có thể được khử hoàn toàn nếu chỉ có tải trọng dọc trục. Đặc điểm này

rất phù hợp cho các ứng dụng cố định như hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà.

Ổ đỡ từ thụ động không cần hệ thống điều khiển bên ngoài và nguồn điện, đơn

giản, chi phí thấp và độ tin cậy rất cao nên có thể là một giải pháp làm ổ đỡ từ cho

các ứng dụng tốc độ cao không đòi hỏi độ chính xác cao định vị rotor.

Một kiểu ổ đỡ không tiếp xúc rất phù hợp cho bánh đà là ổ đỡ siêu dẫn. Ổ đỡ

siêu dẫn có lực cản quay rất nhỏ so với tất cả các loại ổ đỡ khác, kể cả ổ đỡ từ chủ

động. Nhưng một nhược điểm của ổ đỡ siêu dẫn là độ cứng vững thấp. Ổ đỡ từ siêu

dẫn cung cấp hiệu ứng lực duy trì ngang bởi từ trường của lớp siêu dẫn, ngay cả khi

rôto được nâng theo chiều dọc. Tuy nhiên độ cứng theo phương ngang ổ đỡ từ siêu

dẫn cho rôto bánh đà rất hạn chế với chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

[19] đề xuất một giải pháp dùng nam châm vĩnh cửu phụ trợ di chuyển có điều

khiển để cải thiện độ cứng bên của hệ thống bánh đà nâng bằng ổ đỡ từ siêu dẫn. Hệ

thống bánh đà được nâng bằng các ổ đỡ từ siêu dẫn nhiệt độ cao và được tích hợp

thêm một bộ phận nam châm vĩnh cửu ở đầu rotor. Nguyên tắc hỗ trợ tích cực ở đây

là điều khiển di chuyển nam châm vĩnh cửu phụ trợ ngược pha với sự dịch chuyển

rotor. Thử nghiệm cho thấy tác động phụ trợ bằng chuyển động nam châm vĩnh cửu

điều khiển tích cực làm giảm đáng kể độ rung của rotor bánh đà, độ cứng ngang trục

của rôto bánh đà được cải thiện nhờ sự hỗ trợ nam châm vĩnh cửu.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Tuy nhiên sự chậm trễ pha lớn của dịch chuyển nam châm phụ trợ có thể gây ra

sự mất ổn định trong hệ thống nâng rotor. Như vậy, yếu tố quan trọng trong việc thực

hiện phương pháp này là hệ nam châm phụ trợ phải phản ứng đủ nhanh so với những

biến đổi động học của rotor bánh đà.

Có thể thấy rằng, các phương pháp thực hiện ổ đỡ từ không tiếp xúc bao gồm:

sử dụng các vật liệu từ tính (không siêu dẫn), đối tượng được nâng tương tác với từ

trường biến thiên theo thời gian (ổ đỡ từ điện động đơn cực), mômen quay hồi chuyển,

vật liệu siêu dẫn, ổ đỡ từ thụ động, hoặc hệ thống điều khiển có phản hồi hay còn gọi

là ổ đỡ từ tích cực v.v… đều đã được nghiên cứu, thử nghiệm và đánh giá ở nhiều

mức độ khác nhau [20] [21]. Tuy vậy, trong thực tế, chỉ có giải pháp ổ đỡ từ tích cực

đã được triển khai ứng dụng tương đối rộng rãi trong thực tế. Có được điều đó là do

so với các phương pháp khác, ổ đỡ từ tích cực có khả năng chịu tải cao, độ cứng vững

tốt, mức tổn hao quay thấp và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng. Tuy nhiên, nó cũng

có một số hạn chế như cần cấp nguồn liên tục và hệ điều khiển phức tạp.

1.3. Phân tích nguyên lý chung hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ.

Hệ TĐ ĐC-BĐ dùng ổ từ trong thực tế có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung

một nguyên lý được trình bày trên hình 1.6. Bánh đà được gắn phần rotor của động

cơ (máy điện), phần stator nối với bộ biến đổi BBD và qua biến áp nối vào lưới điện.

Bánh đà được nâng bởi năm ổ từ: ổ từ dọc trục cho trục z (OTz) và hai ổ từ ngang trục

cho trục x1, y1 (OTx1y1) phía trên và hai ổ từ ngang trục cho trục ổ từ x2, y2 (OTx2y2)

OTx1,y1

Rotor

Stato

BBD

OTz

Máy điện

Bộ biến đổi

Biến áp

Nguồn điện

OTx2,y2

phía dưới.

Hình 1.6. Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng điển hình.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

1.3.1. Nguyên lý làm việc của bánh đà.

Bánh đà là khối đồng nhất được quay với tốc độ . Khi bánh đà quay đến tốc

2 J  .

1 2

độ cho phép thì năng lượng tích lũy là.

(1.1)

Trong đó:

E : là năng lượng động năng.

J : là mô men quán tính của phần quay.

- : là tốc độ quay.

Mô men quán tính phụ thuộc vào hình dạng và khối lượng của bánh đà, ví dụ



với rotor phổ biến hình trụ tròn, J có thể biểu diễn như sau:

GD g 4.

(1.2)

Trong đó:

 G m g



  .H.

D 4

- là trọng lượng bánh đà (N)

- D : là đường kính bánh đà (

- H : là độ dày bánh đà (

(kg/

- m : là khối lượng bánh đà (kg)

3 )m

(

2 )m s /

- : là khối lượng riêng vật liệu chế tạo bánh đà

g : là gia tốc trọng trường

Ta thấy rằng động năng tích lũy của bánh đà tỷ lệ bậc 2 với tốc độ quay, tỷ lệ

bậc 4 với đường kính bánh đà và tỷ lệ với khối lượng riêng của vật liệu chế tạo bánh

đà. Các thông số đường kính, khối lượng và khối lượng riêng của bánh đà là các thông

số cơ bản để thiết kế bánh đà. Các yếu tố bán kính và khối lượng là các thông số cấu

tạo, về cơ bản để tăng các thông số đó cũng đồng nghĩa với việc phải tăng kích thước

thiết bị, chọn vật liệu có trọng lượng riêng lớn do đó tăng giá thành hệ thống. Mặt

khác khi kích thước lớn, khối lượng lớn sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định,

bền bỉ của hệ thống.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

1.3.2. Nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ – bánh đà.

Hệ truyền động cho bánh đà gồm máy điện và bộ biến đổi. Hệ truyền động có

hai nhiệm vụ:

- Nạp năng lượng cho bánh đà, lúc đó máy điện nhận điện năng từ lưới thông

qua bộ biến đổi điện tử công suất, để quay bánh đà lên tốc độ tối đa (theo thiết

kế), lúc này máy điện làm việc trong chế độ động cơ, ta có quá trình biến đổi

điện năng thành cơ năng.

- Phóng năng lượng từ bánh đà, khi lưới điện bị mất hoặc giảm điện áp, lúc đó

bánh đà sẽ phóng năng lượng tích lũy, máy điện làm việc ở chế độ máy phát,

phát năng lượng điện vào lưới thông qua bộ biến đổi. Ta có quá trình biến đổi

cơ năng thành điện năng.

1.3.3. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ

Như phần trước đã giới thiệu và phân tích, trong hệ TĐ ĐC-BĐ có ổ từ, bánh

đà quay ở tốc độ cao và lâu dài nên nhiệm vụ của ổ từ là thay cho ổ cơ để loại bỏ ma

sát. Theo cấu hình chung hệ ổ từ gồm các phần dọc trục z (OTz) và hai cặp ngang trục

x1, y1 và x2, y2 (OTx1, OTy1 và OTx2, OTy2). Trong đó phần dọc trục nâng cả khối

lượng hệ quay gồm có bánh đà và rotor máy điện. Hai cặp ổ từ ngang trục cho trục

X-Y có vai trò giữ trục quay của hệ nằm ở chính giữa các ổ từ và stator máy điện theo

hướng ngang trục, như vậy về điều khiển ổ từ hình 1.6 có 5 bậc tự do.

Nguyên tắc cơ bản của nam châm điện

Nguyên lý làm việc của nam châm điện được trình bày trên hình 1.7. Một vật

(vật liệu có độ từ thẩm cao, thường bằng sắt từ) có thể tương tác với một nam châm

vĩnh cửu hoặc nam châm điện (là một cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ). Như trong

hình 1.7, vật bằng sắt sẽ bị kéo bởi nam châm khi có dòng điện đi qua cuộn dây nam

châm. Một đặc điểm cần lưu ý là lực tạo bởi nam châm điện chỉ tác động theo một

chiều, tức là chỉ có thể hút chứ không thể đẩy vật.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

F,l

i,n

Z Z0

Fem FG

Hình 1.7. Nguyên tắc cơ bản nam châm điện.

Lực tác động của nam châm lên vật phụ thuộc hai tham số:

- Dòng điện qua cuộn dây nam châm.

- Khoảng cách giữa vật và nam châm (khoảng e).

Nếu dòng điện I không đổi, lực điện từ Fem kéo vật về phía nam châm sẽ tăng

lên khi khoảng cách giữa vật và nam châm giảm. Vì vậy, do lực trọng trường FG

không đổi theo vị trí vật nên khi khoảng cách giữa nam châm và vật đủ nhỏ để lực

điện từ Fem lớn hơn lực trọng trường FG sẽ làm vật tiến lại và dính vào nam châm.

Ngược lại, nếu đối tượng dịch chuyển quá xa nam châm, khi đó lực trọng trường

lớn hơn lực từ và vật sẽ bị rơi.

Hiện tượng này ngược với hoạt động của vật được treo bằng lò xo như hình 1.8,

lực kéo của lò xo giảm khi vật đi lên và tăng khi vật đi xuống. Có thể nói rằng lực

căng của lò xo có độ cứng dương – sự biến thiên của lực lò xo có dấu âm theo chiều

di chuyển của vật, trong khi đó, lực điện từ của nam châm có độ cứng âm. Theo cách

khác có thể nói rằng nam châm điện không điều khiển không thể nâng vật mà không

Fspring

Z Z0

làm vật dính vào nam châm.

Hình 1.8. Mô hình hệ nâng vật bằng lò xo.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Nguyên lý cơ bản của ổ từ

Ổ từ trong hệ truyền động là thay các ổ bi và ổ trượt bằng các ổ đỡ bằng lực từ sao

cho phần chuyển động luôn giữ một khoảng cách với phần tĩnh, khi đó các ổ đỡ sẽ

không tồn tại ma sát và hệ có thể quay tốc độ rất cao. Yêu cầu cơ bản của các ổ từ là

phải đảm bảo không được tiếp xúc giữa phần tĩnh và phần quay, tức là phải duy trì

khoảng cách khe hở ở giá trị cho phép trong các chế độ làm việc. Do vậy cần phải

thiết lập điều khiển cho ổ từ để duy trì khoảng cách khe hở trong các chế độ vận hành.

Ổ từ được thiết lập từ nam châm điện có điều khiển được gọi là ổ từ chủ động, với

nguyên lý cấu tạo được trình bày trên hình 1.9 [21].

Để có thể duy trì ổn định vị trí của vật với nam châm điện, cần phải điều chỉnh

được dòng điện một cách liên tục. Vị trí của vật được đo bằng một cảm biến vị trí

như hình 1.9, qua một bộ điều khiển để điểu chỉnh dòng điện (thường là điều chỉnh

điện áp điều khiển ở đầu vào bộ khuyếch đại công suất). Cảm biến vị trí, bộ điều

i,n

F,l

khuyếch đại công suất

Bộ điều khiển vị trí

Z Z0

Fem FG

Cảm biến vị trí

khiển và bộ khuyếch đại công suất là các phần tử chủ đạo của bộ điều khiển ổ từ.

Hình 1.9. Cấu trúc cơ bản của ổ từ chủ động.

Một ưu điểm quan trọng của ổ đỡ từ trong hình 1.9 so với hệ lò xo trong hình

1.8 hay bất kỳ kiểu ổ đỡ từ thụ động nào khác là có thể điều chỉnh dòng điện để duy

trì sai lệch vị trí so với vị trí mong muốn gần như là không cho dù ngoại lực tác động

lên vật (lực tĩnh hoặc biến đổi chậm). Nó tương đương với hệ ở hình 1.8 khi lò xo có

độ cứng vô hạn.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Tất cả các ổ đỡ từ ngoài phần chấp hành điện từ đều có 3 bộ phận nữa là cảm

biến vị trí, bộ điều khiển và bộ khuyếch đại công suất như trong hình 1.9.

Các phương trình và đặc tính cơ bản của ổ từn chủ động. Lực hút của ổ từ được tính toán theo năng lượng từ trường. Khi khe hở không

khí không quá lớn, từ trường trong khe hở coi là đều và năng lượng từ trường trong



B H V . .

B H A e . .2.

vùng khe hở không khí như sau:

1  W . 2

1 2

(1.3)

Trong đó, V là tổng thể tích phần khe hở không khí, A là tiết diện mạch từ, e là



độ rộng khe hở không khí.

Ae 2. .

Giả thiết độ rộng khe hở không khí hai bên là đều thì . Coi độ từ thẩm

của sắt từ là rất lớn so với không khí (µr >> 1), lực tác động lên mạch từ được tạo ra

 



B H A

bởi sự biến đổi năng lượng từ trường trong khe hở không khí như sau:

W d de

2 . B A  0

(1.4)

 0

Với nam châm điện, mật độ từ thông B biểu diễn theo dòng điện cuộn dây là [21]:

n i . e 2.

(1.5)

Trong đó, n là số vòng dây, i là dòng điện qua cuộn dây. Từ (1.4) và (1.5) ta có biểu



A n .

thức tính lực từ:

 0

 . 0

  . A  

2    

n i . e 2.

1 4

i e

(1.6)

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Hình 1.10. Đặc tính quan hệ lực điện từ theo dòng điện.

emF theo dòng điện i là đường bậc hai

Hình 1.10 biểu diễn đặc tính lực điện từ

nên lực không tỷ lệ tuyến tính theo dòng điện. Đặc biệt, khi bắt đầu điều khiển (lân

cận điểm gốc) hay khi muốn tạo lực nhỏ thì lực hầu như không thay đổi theo dòng

điện. Do đó làm cho việc tạo ra dòng điện phù hợp để bù lại ngoại lực và giữ vật ở vị

i2,n

Z+

Z-

i1,n

trí mong muốn rất khó đạt được.

Hình 1.11. Hệ nâng từ bằng nam châm kép (ổ từ kép)

Bởi vì lực tương tác giữa nam châm điện từ và vật được nâng chỉ là lực kéo nên

ổ từ trong hình 1.9 chỉ có thể hoạt động nếu ngoại lực tác động lên vật (ví dụ như lực

trọng trường FG) ngược với nam châm điện từ (kéo vật ra xa khỏi nam châm). Để có

thể tạo lực tác động lên đối tượng theo cả hai chiều, cần dùng hai nam châm điện từ

đặt hai phía đối diện so với đối tượng theo trục tác động của lực như hình 1.11. Ví

dụ, nếu ngoại lực tác động theo hướng dương của trục z, nam châm phía trên có thể

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

được cấp nguồn để tác động ngược lại với lực và giữ vật đứng yên. Ngược lại, nếu

ngoại lực tác động theo chiều âm của trục, nam châm phía dưới sẽ được cấp nguồn

để cân bằng.

Với hệ nâng từ như hình 1.11, để điều khiển lực tổng hợp của cặp nam châm tác

động với 1 dòng điện và dịch khỏi điểm phi tuyến của đặc tính lực điện từ Fem theo

dòng điện I, một thành phần dòng điện cố định I0 được cấp cho cả hai cuộn dây nam

châm Z+ và Z- gọi là dòng điện dịch (còn gọi là dòng điện tiền từ hóa). Nếu đối tượng

ở vị trí giữa hai nam châm và cả hai cùng được cấp một dòng điện bằng nhau, lực

tổng tạo bởi hai nam châm lên vật là bằng không (nam châm ở dưới sẽ kéo vật xuống

còn nam châm ở trên sẽ kéo vật lên với cùng một lực). Như vậy, chỉ với một dòng

điện dịch tự nó không điều khiển được lực tác động lên vật. Để tạo ra một lực theo

chiều nào đó, một thành phần dòng điều khiển Ic được đưa vào cả hai cuộn dây nhưng

với chiều sao cho cùng chiều với dòng điện dịch I0 (cộng thêm) trong một cuộn dây

và ngược chiều với I0 (giảm bớt) trong cuộn dây còn lại.

Ví dụ, để tạo lực theo chiều dương trục z, dòng điều khiển Ic sẽ cùng chiều với

I0 trong cuộn dây phía trên và ngược chiều với I0 trong cuộn dây phía dưới.

1.4. Tổng quan các phương pháp điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền

động động cơ-bánh đà.

Ổ đỡ từ chủ động (Active magnetic bearings -AMB) là kỹ thuật được phát triển

để khắc phục các vấn đề của ổ trục và vòng bi thông thường. AMB dùng các nam

châm điện để giữ các phần tử hay trục quay của máy nên không có tiếp xúc và ma sát.

Ban đầu, AMB chủ yếu dùng cho các lĩnh vực đặc biệt trong hàng không, vũ trụ như

là thiết bị quay với tốc độ cao, trong môi trường chân không, không thể bôi trơn [3],

[22]. Tuy nhiên, ngày nay ABM được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh

vực công nghiệp như tàu đệm từ, thiết bị cách ly chống rung, thiết bị y tế ... Từ các

kiểu AMB ban đầu có chức năng thay thế riêng rẽ cho từng ổ bi thông thường trong

thiết bị, AMB liên tục được nghiên cứu cải tiến, tổ hợp vào trong thiết bị để làm thiết

bị nhỏ gọn hơn, giảm kích thước, giá thành cũng như nâng cao chất lượng thiết bị

[23].

[24] đã thử nghiệm với một hệ bánh đà cỡ nhỏ gồm một rôto hình đĩa treo bởi

ba ổ đỡ từ chủ động (AMB). Phương pháp điều khiển PID được sử dụng rộng rãi

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

trong hệ thống điều khiển với những ưu điểm như nguyên tắc đơn giản, dễ thực hiện.

Nghiên cứu này sử dụng ba mạch vòng điều khiển PID riêng biệt cho 3 ổ đỡ từ. Một

vùng giới hạn sai lệch được dùng để áp dụng điều khiển thích nghi đơn giản, khi sai

lệch lớn hơn mức giới hạn thì sử dụng bộ điều khiển PD, khi sai lệch nhỏ hơn giới

hạn thì sử dụng bộ điều khiển PID để đảm bảo độ chính xác. Điều khiển PID trong

trường hợp này đã được áp dụng khá thành công để ổn định bánh đà khi có nhiễu

ngoài, có các đặc tính động và tĩnh tốt. Mô hình toán học đã được phản ánh chính xác

bởi đặc tính điều khiển. Thử nghiệm cho thấy hiệu suất của hệ thống để ngăn chặn

hiệu ứng nhiễu trực tiếp là tốt.

[25] áp dụng điều khiển PID mờ để cải thiện chất lượng điều khiển PID. Với

phương pháp mờ không cần mô hình toán học chính xác của đối tượng, có độ bền

vững cao và không nhạy với sự biến đổi tham số hệ thống. Kết quả thử nghiệm trên

mô hình giống như [26] cho thấy chất lượng của hệ thống bộ điều khiển PID mờ tốt

hơn so với bộ điều khiển PID thông thường.

Tuy vậy, ổ đỡ từ là một đối tượng phi tuyến điển hình, vì vậy điều khiển PID có

nhiều hạn chế [27]. Nhiều nghiên cứu tập trung vào các giải pháp điều khiển phi tuyến

giải quyết các vấn đề của ổ đỡ từ tích cực.

Để áp dụng điều khiển tuyến tính cho hệ ổ từ chủ động, nguyên lý chung là phải

tuyến tính hóa hệ thống với dòng điện tiền từ hóa I0 [22]. Dòng I0 này gây ra một số

vấn đề như [21] đã nêu. [28] đưa ra phương án dùng bộ điều khiển phi tuyến theo luật

tuyến tính hóa vào - ra để loại bỏ dòng điện I0 mà vẫn làm cho quan hệ giữa đầu ra vị

trí và tín hiệu vào là tuyến tính. Nhược điểm của phương pháp tuyến tính hóa vào-ra

là nhạy với sự sai khác giữa mô hình và đối tượng thực. Vấn đề này được khắc phục

bằng bộ điều khiển trượt. Mô phỏng đã cho thấy độ bền vững của điều khiển trượt.

Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng điều khiển phi tuyến cho chất lượng tốt hơn so với

điều khiển tuyến tính để loại bỏ phản ứng mất cân đối và giảm đáng kể tiêu hao năng

lượng.

Thông thường, trong các hệ dùng ổ đỡ từ tích cực, bộ điều khiển được thiết kế

cho điều kiện vận hành bình thường để giảm chi phí và độ phức tạp. Ngoài sự ổn định

của hệ thống, các cách thức phản ứng cũng được xét cho điều kiện bình thường. Tuy

nhiên, trong trường hợp khẩn cấp, nhiệm vụ của hệ điều khiển là phải ưu tiên duy trì

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

sự ổn định. [29] đặt mục tiêu kiểm soát sự ổn định của hệ thống AMB khi có nhiễu

loạn gia tốc tối đa. Phương pháp điều khiển phi tuyến được đề ra nhằm đóng ngắt

dòng điều khiển của nam châm điện theo vị trí rôto, khi rôto tiếp cận một nam châm,

dòng điện cuộn trong nam châm đó bị tắt, còn dòng điện trong nam châm phía đối

diện được bật để hút rotor ngược lại. Quá trình chuyển đổi tiếp tục cho đến khi rotor

trở về vị trí cân bằng và ổn định.

Một số điều kiện được áp dụng để mô hình toán học của hệ TĐ ĐC-BĐ có tích

hợp ổ đỡ từ tích cực có các trục độc lập với nhau. Cấu trúc của điều khiển chuyển

mạch phi tuyến khi đó được áp dụng cho riêng từng trục. Bộ điều khiển cho hệ chuyển

mạch phi tuyến là bộ điều khiển thích nghi đầu ra backstepping và bộ quan sát phi

tuyến được dùng để ước lượng trạng thái không đo được với sai lệch hội tụ để làm tín

hiệu phản hồi. Thực nghiệm với nhiễu loạn gia tốc ở các tốc độ quay khác nhau cho

thấy khả năng chống nhiễu của điều khiển thích nghi cao gấp hai so với điều khiển

PID.

[30] nghiên cứu trên một hệ dùng ổ đỡ từ 5 bậc tự do điển hình với hai ổ từ

ngang trục cho mỗi đầu và một ổ từ dọc trục, mỗi ổ từ ngang trục gồm hai cặp nam

châm điện. Hệ bánh đà – ổ đỡ từ gồm 4 bậc x1, y1, x2, y2 ngang trục và bậc z dọc trục.

Động cơ/máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu truyền động bánh đà quay quanh trục

z. Chuyển động quay này chính là nguồn gốc gây ra nhiễu loạn tác động lên các trục

xi, yi. Do tồn tại đồng thời các chuyển động dịch chuyển và chuyển động quay so với

các trục điều khiển nên có sự xen kênh điều khiển giữa các ổ đỡ từ. Mô hình phi tuyến

cho hệ bánh đà – ổ đỡ này được xây dựng bằng phương trình Lagrange và áp dụng

phương pháp điều khiển PID không tập trung. Mỗi bậc tự do (mỗi cặp nam châm)

được điều khiển bởi một bộ PID riêng rẽ và có một dòng điện I0 cấp cho cả hai cuộn

dây của hai nam châm đối xứng. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển

PID có thể duy trì rôto ở sát vị trí mong muốn ngay cả khi có nhiễu.

Phương pháp điều khiển trượt (SMC – Sliding Mode Control) cũng được áp

dụng trên mô hình tương tự và kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp điều khiển

SMC rất phù hợp để thiết kế điều khiển cho hệ [31]. Khả năng ổn định, đáp ứng nhanh

của phương pháp SMC vượt trội hơn so với điều khiển PID. Đặc biệt, ở tốc độ rất cao

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

của bánh đà, SMC vẫn đảm bảo rotor được điều khiển bám sát vị trí mong muốn ngay

cả khi có nhiễu và hiệu ứng động [32].

[33] thiết kế hệ điều khiển phản hồi phi tuyến vị trí cho một bậc tự do và cả hệ

ổ đỡ từ, theo hướng loại dòng tiền từ hóa. Sử dụng tính chất phẳng, Levine và cộng

sự đã đưa ra giải pháp đơn giản cho việc lập qũy đạo chuyển động và ổn định theo

điều kiện liên kết dòng điện hoặc điều kiện gần liên kết dòng điện để đảm bảo rằng

chỉ có một nam châm điện trong mỗi cặp hoạt động tại một thời điểm. Thiết kế phi

tuyến được thực hiện cho cả điều khiển dòng điện và điện áp, đồng thời thiết kế bộ

điều khiển phản hồi nối tầng để bù sai lệch so với quỹ đạo đặt.

Các kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt giữa các phương pháp dựa trên

điều kiện liên kết dòng điện và điều kiện gần liên kết dòng điện hầu như không đáng

kể. Việc thiết lập quỹ đạo đặt rất hữu ích vì phương pháp điều khiển tuyến tính không

có quỹ đạo đặt nên không có động học bám so với điều khiển phi tuyến, bất kể mức

dòng điện tiền từ hóa. So với quỹ đạo đặt, điều khiển tuyến tính bám tốt hơn khi dòng

điện tiền từ hóa tương đối nhỏ, nhưng độ nhạy với nhiễu loạn lại quá cao. Khi tăng

dòng điện tiền từ hóa, độ bền vững với nhiễu được cải thiện nhưng đáp ứng hệ thống

với sai lệch lớn bị giảm dần, làm bão hòa dòng điện và điện áp.

Cả hai phương pháp phi tuyến (điều khiển theo điện áp và dòng điện) đều đảm

bảo độ bám tốt và độ bền vững với nhiễu chấp nhận được. Điểm đáng lưu ý là để làm

giảm nhiễu, bộ điều khiển phi tuyến phẳng lại tạo dòng điện và điện áp lớn hơn bộ

điều khiển tuyến tính có dòng điện tiền từ hóa (dòng điện lệch – bias current) lớn.

1.5. Định hướng nghiên cứu

1.5.1. Chọn cấu hình ổ từ chủ động

Chọn cấu hình cơ khí hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ chủ động

Với định hướng thiết kế điều khiển cho hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ trong hệ

thống FES, để đối tượng nghiên cứu phù hợp với thiết bị thực tế, ta chọn cấu hình cơ

khí cho hệ động cơ-bánh đà như hình 1.12. Trong đó rotor động cơ được lắp cứng

trục với bánh đà. Stator được cố định với phần khung tĩnh bên ngoài. Khi quay, phần

quay gồm bánh đà và rotor được nâng bởi hệ ổ từ năm bậc tự do như đã đề cập ở phần

trước. Điểm cần lưu ý của hệ này là khi hệ thống nghỉ không hoạt động thì phần quay

sẽ “đứng” trên phần tĩnh. Để hệ thống hoạt động, trước hết phần quay phải được ổ từ

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

dọc trục nâng lên và giữ ổn định theo chiều dọc, sau đó các ổ từ ngang trục tác động

đưa phần quay về vị trí làm việc trước khi động cơ cho bánh đà quay. Với cấu hình

như hình 1.12 thì ổ từ dọc trục chịu tải trọng lớn tức là phải tạo lực nâng lớn. Trong

khi đó các ổ từ ngang trục chỉ cần tạo lực nhỏ vì để di chuyển hoặc giữ ổn định theo

phương ngang. Khi đó do không có tiếp xúc nên lực cản rất nhỏ.

Cấu hình của các hệ truyền động đông cơ - bánh đà như hình 1.1, hình 1.2 hay

1.3 như trên thường gồm 2 cụm ổ từ ở hai đầu trục (4 bậc tự do) để điều khiển vị trí

ngang trục còn nhiệm vụ nâng và điều khiển ổn định dọc trục cho toàn bộ cơ cấu động

bánh đà – máy điện chỉ có một ổ từ và cũng phải bố trí trên trục quay. Do vậy kích

thước dọc trục của hệ thống bị kéo dài làm hệ thống cồng kềnh và giảm tính bền vững,

ổn định.

Từ các nhận xét trên cũng như từ đặc điểm hình dạng của bánh đà, luận án đề

xuất cấu hình ổ từ chủ động mới cho hệ truyền động động cơ - bánh đà. Hình 1.12

cũng mô tả điểm cơ bản của đề xuất này đó là chỉ dùng 1 cụm 2 ổ từ ngang trục để

điểu khiển và giữ vị trí 1 đầu trục. Một cơ cấu ổ từ dọc trục sẽ có chức năng nâng và

giữ bánh đà trong mặt phẳng nằm ngang (vuông góc với trục dọc). Với trục quay (dọc)

và bánh đà là một khối cứng thì cấu hình trên vẫn hoàn toàn đảm bảo nâng và giữ

được bánh đà không tiếp xúc giữa các ổ từ như hệ thông thường. Sau khi ổ từ dọc

trục đã nâng và giữ cứng bánh đà trong phương ngang thì vị trí ngang trục chỉ cần

Ổ từ ngang trục

Cảm biến

Bánh đà

Ổ từ dọc trục

Stator

Rotor

điều khiển bởi 1 cụm ổ từ.

Hình 1.12. Cấu hình hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ làm mô hình thử nghiệm.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Đề xuất cấu hình ổ từ nâng bánh đà.

Với cấu hình như trên thì nhiệm vụ của các ổ từ dọc trục không chỉ nâng mà

còn phải quay (lật) bánh đà sao cho mặt phẳng bánh đà vuông góc với trục dọc của

hệ (hay chính là trục dọc của stator máy điện). Từ yêu cầu điều khiển như trên và với

bánh đà dạng vành tròn rộng, luận án đề xuất cấu hình mới cho cụm ổ từ nâng bánh

i2u,F2u

i2w,F2w

i2v, F2v

i1u, F1u

i1w,F1w

i1v,F1v

đà như hình 1.13.

Hình 1.13. Cấu hình hệ ổ từ của mô hình thử nghiệm.

Với bánh đà dạng vành rộng trong mặt phẳng ngang, có khối lượng và kích

thước tương đối lớn, để nâng bánh đà theo phương đứng (dọc trục) đồng thời giữ mặt

phẳng bánh đà vuông góc với trục dọc (trục stator) đó, 3 ổ từ được bố trí nằm trên 3

góc u, v, w tạo thành các góc 1200 so với tâm hệ ổ từ (tâm stator).

2uF ,

tạo lực - Ổ từ trục u gồm hai nam châm, nam châm trên với dòng điện 2ui

1uF . Tổng hợp hai lực thành lực

tạo lực nam châm dưới với dòng điện 1ui

có chiều và giá trị tùy ý tác động tại góc u của bánh đà.

- Cảm biến đo vị trí dọc trục cũng đặt tại trục u đo độ dịch chuyển uz theo

phương dọc trục của góc u bánh đà do với vị trí cân bằng là vị trí bánh đà giữa

hai nam châm trên và dưới. Các góc v và w tương tự.

Các ổ từ này kết hợp vừa có vai trò nâng dọc trục vừa giữ mặt phẳng bánh đà.

Các nam châm này thuận lợi để tạo lực nâng chủ đạo để nâng bánh đà vì sử dụng

chính bề mặt bánh đà bằng thép có độ dẫn từ tốt nên có tiết diện mạch từ lớn, giảm

được dòng điện nam châm, giảm tiêu hao năng lượng cho ổ từ.

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

Với cấu hình hệ bánh đà như đã mô tả như hình 1.12 và hình 1.13, ta thấy hệ ổ

từ có thể chia làm hai phần:

- Phần ổ từ ngang trục tương tự như ổ từ trong các loại động cơ có tích hợp ổ

từ, có nhiệm vụ giữ cho đầu trục phía trên ổn định ở chính giữa ổ từ. Sau khi

bánh đà đã được nâng để không tiếp xúc với phần tĩnh thì ổ từ này có thể điều

khiển độc lập. Điều khiển cho kiểu ổ từ này đã được một số nghiên cứu trong

nước gần đây quan tâm và đã có những kết quả nhất định [34] [35].

- Phần nâng bánh đà gồm 3 ổ từ tạo thành hệ ổ từ 3 bậc tự do như hình 1.13.

Đây là một cấu trúc mới, có nhiều ưu điểm về mặt thiết kế chế tạo và hoạt

động nhưng cũng là một đối tượng điều khiển mới.

1.5.2. Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ

Mặc dù hệ ổ từ hình 1.13 chỉ có ba bậc tự do điều khiển nhưng nó có tính xen

kênh và phi tuyến. Vì vậy trong nội dung luận án sẽ định hướng nghiên cứu xây dựng

được động học của ổ từ ba bậc tự do.

1.5.3. Thiết kế điều khiển

Định hướng nghiên cứu của luận án sẽ theo hướng ứng dụng điều khiển đa biến

phi tuyến phi tuyến cho ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động cơ- bánh đà.

1.5.4. Xây dựng mô hình thử nghiệm

Để minh chứng nghiên cứu luận án sẽ đi xây dựng mô hình thử nghiệm và tiến

hành các thử nghiệm trên mô hình để kiểm chứng kết quả nghiên cứu.

1.6. Kết luận

Nội dung chương 1 đã trình bày tóm tắt nguyên lý cấu tạo của ổ từ. Tóm lược

các công trình nghiên cứu về điều khiển hệ truyền động bánh đà có tích hợp ổ từ. Đề

xuất mô hình nghiên cứu hệ truyền động bánh đà có tích hợp ổ từ với ba cụm ổ từ và

mô hình điều khiển ổ từ ba bậc tự do.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

2. CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

2.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ.

Trên cơ sở cấu hình ổ từ đã chọn trên hình 1.9 với hệ ba cặp ổ từ u, v, w, nội

dung chương 2 sẽ xây dựng động lực học quá trình điện- cơ của hệ để phục vụ thiết

kế điều khiển cho hệ ổ từ. Theo nguyên lý chung vận hành hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp

ổ từ ta có các quá trình:

- Ổ từ nâng bánh đà đến vị trí làm việc (khi đó bánh đà chưa quay), ta có quá

trình điện-cơ nâng bánh đà.

- Khi bánh đà ở vị trí làm việc, động cơ quay bánh đà đến giá trị tốc độ ổn định

và truyền động chạy với tốc độ ổn định, ta có quá trình tích năng lượng.

- Quá trình phóng năng lượng, thông qua động cơ làm việc ở chế độ máy phát,

bánh đà sẽ để cấp năng lượng điện cho tải.

Căn cứ vào quá trình vận hành, ta chia động lực học hệ ra hai phần: Động lực

học quá trình nâng tĩnh (khi bánh đà chưa quay) và động lực học quá trình động (khi

bánh đà quay). Đầu tiên ta sẽ nghiên cứu động lực học của một ổ từ nam châm kép

làm cơ sở để nghiên cứu hệ ổ từ.

2.1.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép.

Hệ ổ từ u, v, w ở hình 1.13 được tạo thành bởi 3 ổ từ nam châm kép như hình

1.11, trong đó mỗi nam châm chỉ tạo lực theo 1 hướng (kéo vật về phía nam châm)

nên ổ từ phải dùng hai nam châm để có thể tác động lên đối tượng (bánh đà) theo cả

hai hướng qua đó điều khiển vị trí của đối tượng trong vùng làm việc với độ nhạy cao.

Hình 2.1 mô tả một ổ từ kép với hai nam châm và đối tượng ở các vị trí khe hở cân

bằng và không cân bằng. Khi đối tượng ở điểm cân bằng tác là điểm chính giữa hai

z  , 0

nam châm, khe hở giữa đối tượng và hai châm là bằng nhau và độ lệch vị trí

điểm này coi là điểm gốc của vị trí. Khi đối tượng lệch khỏi điểm cân bằng một

z

)

z

)

z  thì khe hở giữa đối tượng và hai nam châm khác nhau (

khoảng . và (

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

i2,n

Z+

Z-

i1,n

Hình 2.1. Mô tả ổ từ kép với hai nam châm điện.

Trong hình 2.1, chiều dương của vị trí được chọn theo chiều của trọng trường.

Cuộn dây Z+ ở trên và tạo lực kéo lên F2, cuộn dây Z- ở dưới và tạo lực kéo xuống

F1. Với các nam châm đã thiết kế và chế tạo giống nhau, (1.6) có thể viết gọn lại

thành:



i e





1/ 4

.A n

(2.1)

 

2

Trong đó là hệ số cấu tạo của nam châm. Từ hình 2.1 và biểu

thức (2.1), khi vật lệch khỏi tâm ổ từ một khoảng z, lực tác động tổng của hai nam







châm lên vật là:

 F F 2 1



  i 1   z

 

  i 2   z

(2.2)



F G

Phương trình động lực học của vật được nâng như sau:

1 mg

   . m z F F  2   F G

(2.3)

z m là độ dịch chuyển của bánh đà so với vị trí chính giữa ổ từ (điểm

]

Trong đó: [

[

]

]m kg là khối lượng của bánh đà,

[

GF N là lực trọng trường,



9,81

m s [ /

]

cân bằng),

]

F N là lực kéo bánh đà xuống, 1 [

F N là ] 2 [

là gia tốc trọng trường,

1F và

2F được sinh ra do hai dòng điện 1i và 2i (xem

lực nâng bánh đà lên. Hai lực

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

2.2). Từ (2.2) và (2.3) có thể biểu diễn sơ đồ động học của một ổ từ nam châm kép

như trên hình 2.2:

Ổ từ



1 m

1 s



Hình 2.2. Cấu trúc một cơ cấu ổ từ.

2.1.2. Phương trình trạng thái cho một ổ từ chủ động.

Từ hệ (2.2), đặt:

z  x 1

 x 1   x 2

2 i 1 2 i 2

  u 1  u  

(2.4)







)

Từ (2.3) và (2.4) có:

 x 2

x 2 1 ( m e (

)

(

u  1  x 1

u  2  x 1

x 1

   x 1       z

(2.5)



Và phương trình trạng thái dạng tổng quát như (2.6):

 x A x B u N d  .     z C x .

(2.6)



u 1 u

0 mg

x 1 x 2

  

  

  

  

  

  



c 11 c

c 12 c

a 11 a 21

a 12 a 22

b 11 b 21

b 12 b 22

n 11 n 21

n 12 n 22

  

  

  

  

  

  

Trong đó:

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



0 a ,



1 a ,







a 11

)

(

)

1 2 m x . . 1

 u 1  x 1

 u 2  e x 1

  

  



0 b ,



b 11

0 b , 12

b 22

2m e (

 

)

 

)

2m e (

x 1



x 1  0

c 11

c 12

c 22



0 n ,



0 n ,



0 n ,



1 m /

n 11

2.2. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động cơ-bánh đà.

2.2.1. Phân tích lực cho hệ ổ từ.

Cơ cấu động cơ-bánh đà nâng bằng ổ từ đề xuất như hình 1.12 với 3 cụm ổ từ

bố trí thành tam giác đều, có nhiệm vụ nâng bánh đà dọc trục (phương thẳng đứng)

và giữ bánh đà ổn định trong mặt phẳng ngang trong quá trình hoạt động. Coi bánh

đà là đĩa phẳng, cứng tuyệt đối, vị trí của bánh đà, vị trí tác động của ổ từ (cơ cấu

chấp hành) và vị trí đo được thể hiện như hình 2.3. Với giả định không xét chuyển

động ngang trục do đã có ổ đỡ ngang trục, điểm gốc O là điểm giao giữa mặt phẳng

(ngang) chính giữa khe hở ổ từ với đường trục (phương đứng) giữa 3 cụm ổ từ. Để

thuận tiện, ta chọn trục x trùng với trục u của ổ từ. Vị trí tác động của các ổ từ và

Fz,z ω

Fu,zu

Mx,θx

Fw,zw

u x

Fv,zw

My,θy

cảm biến đo vị trí cũng được thể hiện trong hình 2.3.

Hình 2.3. Phân tích lực bánh đà trong các hệ tọa độ.

F F F tại , u

- Các ổ từ tác động lên bánh đà với lực theo phương thẳng đứng

các vị trí u, v, w.

z u

z v

z là độ dịch chuyển so với điểm cân bằng w

- Hệ tọa độ u, v, w: vị trí

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

(điểm giữa ổ từ) của bánh đà theo phương thẳng đứng đi qua các điểm u, v, w

đo được trực tiếp bởi cảm biến.

- Hệ tọa độ u, v, w thích hợp khi nâng bánh đà không quay và luôn thăng bằng.

Tuy nhiên nếu bánh đà bị nghiêng khi nâng hoặc khi bánh đà quay sẽ có lực

Gyroscopic làm cho mặt phẳng bánh đà chao đảo, sử dụng hệ tọa độ u, v, w để

z   . , ,x

mô tả là khó khăn, vì vậy ta cần xây dựng hệ tọa độ thích hợp là

z   : vị trí dọc trục z của bánh đà là khoảng cách giữa giao điểm ,

- Hệ tọa độ

x là góc quay của

mặt phẳng bánh đà với trục z và điểm gốc. Góc nghiêng

mặt phẳng bánh đà theo trục x, tức là góc giữa giao tuyến của mặt phẳng bánh

y là góc quay của mặt

đà với mặt phẳng yOz với trục Oy . Góc nghiêng

phẳng bánh đà theo trục y, tức là góc giữa giao tuyến của mặt phẳng bánh đà

với mặt phẳng xOz với trục Ox .

z   : Để xây dựng quan hệ ( ,

)

Tính quy đổi giữa hai hệ tọa độ (u, v, w) và

z   và (u, v, w) ta dựa trên các quy chiếu như hình 2.4. ( ,

)

giữa hai trục tọa độ

Trong đó:

 ) r

r : khoảng cách từ điểm tác động của cụm ổ từ đến trục z (

r u

  r v

r w

xgt : là giao tuyến của mặt phẳng bánh đà với mặt phẳng xOz

ygt : là giao tuyến của mặt phẳng bánh đà với mặt phẳng sang song với yOz

đi qua các điểm tác động của cụm ổ từ v và w.

- Fze, Mxe, Mye: là lực nâng điện từ do ổ từ tác động lên bánh đà theo phương z,

và mô men điện từ do ổ từ tác động lên bánh đà theo trục x, trục y. Fzd, Mxd,

J là mô men quán tính của bánh đà theo các

Myd: là lực nhiễu, mô men nhiễu tác động vào bánh đà, gồm cả trọng lực.

- m là khối lượng bánh đà,

x y z . , ,

trục

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

θy

w v z

u z

gtx

gty

θx

r/2

r .

zvw

1 2 0 0

O z

O x

u x

r .

(a)

θy

gtx

gty

r/2

θx

r .

1 2 0 0

O z

O x

u x

(b)

y  ) về vị trí và lực.

Hình 2.4. Tính quy đổi giữa hệ (u, v, w) và (z,

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



F ze M



F zd M

Phương trình động lực học cơ bản khi nâng bánh đà ở hai hệ tọa độ:

m 0 0

0 J x 0

 z   x   y

 .  (2.7)

    

  0   0 .     J  

    

    

    

    

    

  z     x     y     

Và tương quan giữa các đại lượng vị trí giữa hai trục tọa độ như hình 2.4(a).

(

)

z z z , u v

Khi các cảm biến đo được độ dịch chuyển tại tại các góc u, v, w thì có thể

z   theo (2.8). ( ,

)

1 3







xác định được chuyển động trong hệ

z u z

    

    

    

 z    x    y

    



2 r 3.

1 3 1 . 3 1 r 3.

        

      .        

. (2.8)

z   thì sẽ có sự thay đổi vị trí ( ,

)

Ngược lại khi bánh đà có một dịch chuyển

tại các góc như (2.9).









    

    

 z    x    y

    

 z    x    y

    

   r   2  r    2

3 2 3 2

  1   1    1  

-1 . (2.9)

F F F do các ổ từ u, v, w tác động lên bánh đà sẽ tạo thành lực nâng

Lực

M M như sau: ye

,xe

zeF và các mô men lật







F ze M

dọc trục

3 2

F u F v F w

    

    

    

    

    



3 2 r 2

            

r 2

. (2.10)

F F F độc lập với nhau và chỉ phụ thuộc vào dòng điện

        ,

Trong đó các lực

z u

z v

z tại điểm tác động của ổ từ đó: w

của mỗi cặp ổ từ u, v, w vị trí dọc trục

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động









a ( )

F u

F 1u

F 2

i 1u z

i 2u z

   

   









b ( )

F v

F 1v

F 2

i 1v z

i 2v z

   

   









c ( )

F w

F 1

F 2

i w 1 z

i w 2 z

   

     

   

     

          

(2.11)

2.2.2. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong hệ tọa độ u, v, w .

Theo nguyên tắc điều khiển thông thường, với cơ cấu chấp hành và đo lường

u v w thì đối tượng điều khiển ở đây là vị trí bánh đà

z z , v w

đều đặt tại các góc

,u v w.

tại các góc

Khi nâng bánh đà trong điều kiện cân bằng, bánh đà không quay.

,u v w với giả thiết nâng bánh đà trong điều

Xét hệ trên hình 1.13 với ba ổ từ

kiện cân bằng. Cụ thể: khoảng cách nâng từ vị trí ban đầu về vị trí làm việc là đồng



)

z v

, bánh đà đồng nhất được coi là tấm phẳng cứng tuyệt đối, trong quá đều (

trình nâng không có nhiễu ngoài tác động và động học quá trình điện từ của ba nam

châm đồng đều. Lực tác động của ba cặp nam châm cũng sẽ bằng nhau. Khi đó ta có





mg 3 /

a ( )

 z u

F 1u





mg 3 /

b ( )

các phương trình động lực học cho hệ.



 z v

F F - 1v 2v





mg 3 /

c ( )

 z w

F 1w

m 3 m 3 m 3

   

(2.12)

Do vậy có thể áp dụng (2.6) cho hệ ba ổ từ, khi đó trọng lực của bánh đà sẽ phân



2 i iu

2 i 2 u

;



2 x 2

bố tác động đều đến ba ổ từ. Đặt:



2 u



x 1 u x 1 x 1

 x 1 u  x 1 v  x 1

    

2 i iv 2 i iw

2 i 2 v 2 i 2 w

 u 1 u  u  1 v  u  1



x i

x 1u

x 2u

x 1v

x 1

x 2





(2.13)

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



u 1v







z x z , u v



w



;

(



mg 3 /

)





d d d d d d , 3

d d d , 4

 . u









F u

F 1u

F 2

 . u 1u z



2u z









 . u









Lực do các ổ từ tác động vào bánh đà:

F v

F 1v

F 2

 . u 1v z



2v z









 . u









F w

F 1

F 2

 . u 1w z



2w z









          

(2.14)



Ta có phương trình trạng thái của hệ ổ từ:



2 v

d d d d d d

 x 1u  x 2u  x 1v  x  x 1w  x

u 1u u 2u u 1v u u 1w u

2 w

x 1u x 2u x 1v x x 1w x 2 w

2 w

. . .

         

         

         

         

         

         

          x 1u

2u x 1v

(2.15)

z u z

    

     

x 1w

2 w

         

         

  .



Trong đó:

; 

; 

; 

 c c 11 16    

 A A 11 13    

 B B 11 13    

 N N 11 13    

c 31

c 36

A 31

A 33

    

    

     

    

     

    

     

    



 là ma trận vuông cấp 6 với:

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



;



;



A 11

A 22

A 23



0 0   0 0 

  

0 0   0 0 

  

 u 1u  ( e

2m x .

)

2m x .

 u 2u  ( e

)

x 1u

    

    



;



;





0 0   0 0 

  

0 0   0 0 

  

 u 1v  ( e

2m x .

)

2m x .

 u 2v  ( e

)

x 1v

    

    



;



;





0 0 0 0

  

  

  

  

 u 1w  ( e

)

2m x .

 u 2 ( e

w 

)

2m x . 1

x 1

    

    

 cũng là ma trận vuông cấp 6 với:

0 0



;



;



;

0 0

  

  

0 0   0 0 

  

 

2m e (

)

x 1u

   2m e ( x 1u

    

    



;



;



;

0 0   0 0 

  

0 0   0 0 

  

2m e (

)

 

x 1v

   2m e x ( 1v

    

    

0 0

;



;



;



0 0

  

  

0 0   0 0 

  

)

2m e (

)

0  

0    x 2m e ( 1

x 1

    

    

0 0



, N



0 1

0 0

  

  

  

  



1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0

    

    



(

)

Khi nâng bánh đà trong trong điều kiện không đối xứng

z u

Ta vẫn chọn đại lượng đầu ra là và đặt các biến trạng thái tương tự

như trường hợp nâng bánh đà trong điều kiện đối xứng, chỉ khác về nhiễu tác động,

ta có:

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



2 i 2 u



;

2 x 2



2 u

x 1 u x 1 x 1

 x 1 u  x 1 v  x 1

    

2 i 1 u 2 i 1 v 2 i 1 w

2 i 2 v 2 i 2 w

 u 1 u  u  1 v  u  1







x i

x 1u

x 2u

x 1v

x 1

x 2







u i

u 1u

u u , 1v

u 1





z x z , u v

w

(2.16)

(

)

Tuy nhiên khi hệ ổ từ không đối xứng ta tác động xen kênh giữa ba trục

z u

z v

. Ta có quy đổi lực giữa hai hệ trục:







F z M

F zd M



F ud F vd F

F u F v F w

    

    

    

    

  z     x     y

    

    

    

    

    

 . . . (2.17)

Lực tác động của ba cặp ổ từ lên các góc bánh đà vẫn như (2.14), nhưng nhiễu

 

F ud



 

tải tác động lên hệ ổ từ là:

F vd

F ud F vd F

    

    

 

mg 3 mg 3 mg 3

        

        

(2.18)

 

F ud

mg 3

d 1 d

Và vector nhiễu tải khi không đối xứng:

 

F vd

mg 3

d d d d

         

         





mg 3

             

            

(2.19)

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

Kết hợp (2.7), (2.10) và (2.15) ta có được:



=-1.-1..



F vd F

 z u  z v  z w

F u F v F w

    

    

    

    

    

    

  z     x     y

    

-1 . -1.-1. . (2.20)

Đặt:

(2.21) =-1.-1. 

Với:





3 2

0 J 0

0 0 J

 1 m  . 0   0 

    

 



    . 0    

3 2 r 2

       

r 2

        

(2.22)

h 11 h 21 h 31

3 2 3 2 h 12 h 22 h 32

h 13 h 23 h 33

  1   1    1        

r 2 r 2     

 

Biến đổi ta có phương trình trạng thái của hệ ổ từ khi nâng không đối xứng:





d 1 d d d d d

 x 1 u  x 2  x 1  x  x 1  x

u 1 u u 2 u 1 v u u 1 u

x 1 u x 2 x 1 v x x 1 x 2

         

         

         

         

         

         

         

         

  

(2.23)



    

    

x 1 u x 2 x 1 v x x 1 w x 2

         

         

 

Trong đó:

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



 N N 11 13    

A A 13 11    

B B 13 11    

A 31

A 33

     

    

     

    

     

    



;

A 11

(



)

h 11

 u 1u  ( e

)

x 1u

 u 2u  ( 2x e x 1 1u

    

     



;

A 12

(

)



h 12

 u 1v  ( e

)

u  2v  ( e

)

x 1v

    

     



;

A 13

(



)

h 13

)

u  2 w  ( e

)

 u 1w  ( x e 1w

x 1w

    

     

 ;  ; 



;

(



)

h 21

 u 1u  ( e

)

x 1u

u  2u  x ( 2x e 1u 1

    

    



;



A 22

(

)



h 22

 u 1v  ( e

)

u  2v  ( e

)

x 1v

    

    





;

A 23

(



)

h 23

)

 u 2 w  ( e

)

 u 1w  ( x e 1w

x 1w

    

    





;

A 31

(



)

h 31

 u 1u  ( e

)

x 1u

u  2u  x ( 2x e 1u 1

    

    





;

A 32

(

)



h 32

 u 1v  ( e

)

 u 2v  ( e

)

x 1v

    

    



Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



;

A 33

(



)

h 33

)

u  2 w  ( e

)

 u 1w  ( x e 1w

x 1w

    

    



;

h 11

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1u

   x 1u

    

     



;

h 12

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1v

   x 1v

    

     



;

h 13

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1w

   x 1w

    

    



;

h 21

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1u

   x 1u

    

     



;

h 22

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1v

   x 1v

    

     



;

h 23

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1w

0    x 1w

    

    



;

h 31

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1u

0    x 1u

    

     



;

h 32

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1v

   x 1v

    

     



Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



;

h 33

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1w

0    x 1w

    

    



0 0

0 h 12

0 h 13

0 h 11

  

  

   

  

  

   ;

;



0 0

0 h 23

0 h 22

0 h 21

  

  

   

  

  

  

;



h 32

h 33

h 31

  

  

  

  

  

  





1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0

    

    



Khi bánh đà quay.

Khi bánh đà quay quanh trục z với tốc độ , động lực học của hệ sẽ có thêm

thành phần gyroscopic, tác động xen kênh giữa hai trục x và y tỷ lệ với tốc độ quay

và lực cản dịu . Theo [36], [37] ta có phương trình động lực học như sau:







F ud F vd F

F u F v F w

    

    

    

    

  z     x     y

    

  z     x     y

    

(2.24)   . (+ ω) .  . .



Với:



; 

0 0 0

0 D 0

0 0 D

0 0 0

0 0  G

0 G 0

    

    

    

    

 là ma trận cản dịu và  là ma trận Gyroscopic có các thành phần phụ thuộc

J .

. tốc độ  và mô men quán tính của bánh đà theo trục z,







 z u  z  z

F ud F vd F

 z u  z v  z w

F u F v F w

    

    

    

    

    

    

    

    

(2.25)  (+ ω). .. . .

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

Và phương trình động lực học của bánh đà khi quay:







 z u  z  z

F ud F vd F

F u F v F w

 z u  z v  z w

    

    

    

    

    

    

    

    

(2.26)  -1 (+ ω) -1.-1.. -1.-1..

Đặt:

k 11 k k

k 12 k k

k k k

     

     

(2.27) =-1 (+ ω) = 

Ta có phương trình động lực học khi quay và không cân bằng:





F ud F vd F

 z u  z v  z

 z u  z v  z w

F u F v F w

    

    

    

    

    

    

    

    

(2.28)   . .

Đặt các biến tương tự như (2.16) và ta có phương trình trạng thái tổng quan



N N 11 13   

tương tự (2.23) với:



 A A 11 13    

 B B 11 13    

     

    

A 31

A 33

     

    

     

    

;



 ;  ; 

A 11

(



)

k 11

h 11

 u 1u  ( e

)

x 1u

 u 2u  ( 2x e x 1 1u

    

    



;



A 12

)

(



h 12

 u 1v  ( e

)

u  2v  ( e

x 1v

    

    



;



A 13

(



)

h 13

)

 u 2w  ( e

)

 u 1w  ( x e 1w

x 1w

    

    



Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



;

(



)

h 21

 u 1u  ( e

)

x 1u

u  2u  x ( 2x e 1u 1

    

    



;



A 22

(



)

h 22

 u 1v  ( e

)

u  2v  ( e

x 1v

    

    



;



A 23

(



)

h 23

)

u  2 w  ( e

)

 u 1w  ( x e 1w

x 1w

    

    





;

A 31

(



)

h 31

 u 1u  ( e

)

x 1u

u  2u  x ( 2x e 1u 1

    

    





;

A 32

(



)

h 32

 u 1v  ( e

)

 u 2v  ( e

x 1v

    

    

;





A 33

(



)

h 33

)

u  2 w  ( e

)

 u 1w  ( x e 1w

x 1w

    

    



;

h 11

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1u

   x 1u

    

     



;

h 12

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1v

0    x 1v

    

     



;

h 13

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1w

0    x 1w

    

    



Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động



;

h 21

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1u

0    x 1u

    

     



;

h 22

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1v

0    x 1v

    

     



;

h 23

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1w

   x 1w

    

    



;

h 31

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1u

   x 1u

    

     



;

h 32

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1v

   x 1v

    

     

;



h 33

2 e .(

)

2 e .(

)

  x 1w

   x 1w

    

    



0 0

0 h 12

0 h 13

0 h 11

  

  

   

  

  

   ;

;



0 0

h 22

0 h 23

h 21

  

  

   

  

  

  

;



0 0

0 h 32

0 h 33

0 h 31

  

  

  

  

  

  





1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0

    

    



Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

2.2.3. Chuyển vị điều khiển.

u v w như trên, luận án đề xuất

Từ đặc điểm xen kênh khi điều khiển theo hệ

)

y  , mặc dù cơ cấu

phương án điều khiển hệ bánh đà nâng bằng ổ từ trên hệ (z,

u v w . Khi đó các biến trạng thái của

chấp hành và đo lường được thực hiện trên hệ

hệ cũng là các biến của phương trình động lực học nên thuận tiện cho việc thiết kế

u v w và (z, ( , )

)

y  . ,

điều khiển. Phương pháp điều khiển có thể được thiết kế và so sánh với cả hai hệ

Ta giả thiết có một hệ ổ từ giả định cho bánh đà được thiết kế để tác động trực

)

y  như hình 2.5(a, b). Để thuận tiện cho việc phân tích,

tiếp theo các đại lượng (z,

ta tách riêng các trục tác động. Hình 2.5(a) mô tả riêng ổ từ trục z để nâng bánh đà di

chuyển dọc trục theo phương z. Hình 2.5(b) mô tả riêng ổ từ trục x có tác dụng xoay

x ), trục y tương tự trục x.

i2z

Fz2

z + e

Fz1

z - e

(a)

i1z

i2x

Fz2

x θ . r + e

θx

Fz1

x θ . r - e

(b)

i1x

bánh đà quanh trục x (góc

z   ( , ) , x

Hình 2.5. Mô tả các ổ từ tương đương trong hệ

a. Ổ từ tương đương trục nâng z:

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

Trong hình 2.5(a) ta có cặp ổ từ giả định nằm trùng với trục z ở chính giữa bánh

2zF , nam châm

đà có nhiệm vụ nâng/hạ bánh đà. Nam châm phía trên tạo lực kéo lên

1zF Tương tự như ổ từ ở hình 2.1, ta có:





phía dưới tạo lực kéo xuống

F z

 F 1 z

F 2

 i 1 

 i 2 

 

 z  z

 

 z  z

(2.29)

b. Ổ từ tương đương trục quay x:

Trong hình 2.5(b), chỉ xét chuyển động quay quanh trục x, ta có cặp ổ từ giả

định nằm ở vành bánh đà trên trục y với điểm tác động cách trục x khoảng r (bán

kính), tác động của ổ từ này tạo mô men quay Mx quanh trục x. Cũng tương tự như ổ

 . r









(

từ ở hình 2.1, ta có:

F 1

F r ). 2 x



 x  r .

 e

 i 1   x

 i 2   x

(2.30)

 .









(

c. Ổ từ tương đương trục quay y tương tự trục quay x:

F 1

F r ). 2 y

 i 1  

 i 2  

  r .



  r .



(2.31)

Có thể thấy rằng các biểu thức (2.19, (2.20) và (2.21) cũng tương tự như (2.11)

tức là các lực và mô men được điều khiển độc lập mỗi trục bởi các ổ từ giả định.

u v w tác động tương đương như các ổ từ giả

Để điều khiển các ổ từ thực tại

định, ta cần thiết lập quy đổi dòng điện của hai hệ ổ từ này. Vì các nam châm chỉ tạo

lực kéo nên ta xét riêng các nhóm nam châm trên (kéo lên) và dưới (kéo xuống) của

hai hệ. Tương quan tác động của các nam châm trên hệ ổ từ giả định và ổ từ thực tế

có thể biểu diễn như hình 2.6, bên trái là ổ từ giả định, bên phải là ổ từ thực tế.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

2wi

2ui

2yi

θx

2zi

u x

2 / 3 r

1vi

2xi

θy

i i và 2

i 2

i 2w

i Hình 2.6. Tương quan giữa các dòng điện 2

i 2

i u

i v

i như w

i từ dòng điện y

Từ hình 2.6 ta thấy có thể tạo được dòng điện

biểu thức 2.32:

1 1 1

(2.32)     0 .

i  2  i  2  i  2

    

i 2 i 2 i 2 i 2 i 2 i 2                 1         3 2 1 2              3 2 1 2

Tương tự với các nam châm dưới:

1 1 1

(2.33)   0 .  

i 1 u i 1 v i 1

    

    

i 1 i 1 i 1 i 1 u i 1 v i 1                 1         3 2 1 2              3 2 1 2

z   với đầu ra là dòng điện ( ,

)

Như vậy, khi điều khiển vị trí bánh đà trong hệ

i iu

i iv

i iw

i iy

i điều khiển giả định , iz cho các các ổ từ thực

i ix u v w theo (2.32) và (2.33) như sau:



i iu

có thể tạo ra dòng điện điều khiển thực tế (i=1,2)



; (i=1,2)



i iz i ix i iy

i iz i ix i ix

i iv i iw

i iz i ix i ix

    

    

    

    

    

    

    

    



1 3 1 3 1 3

2 3 1 3 1 3

1 3 1 3

        

        

(2.34) . -1

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

2.2.4. Động lực học của bánh đà nâng bằng ổ từ trong hệ z, θx, θy .

Khi bánh đà không quay.

Phương trình động lực học của bánh đà như sau:

.   (2.35) F ze M M F zd M M   z     x     y                         

Cũng do đặc điểm bánh đà là phẳng và chuyển động trong khe rất hẹp của ổ từ

z   rất nhỏ. Do vậy nhiễu bất kỳ tác động lên bánh đà đều có thể quy đổi ,

nên

F M M . Trong đó trọng lượng của bánh đà

thành các lực và mô men nhiễu

udF .

m g .

F zd

F zd M



cũng là một thành phần của nhiễu

  M M

y d

xd M d y

    

    

    

    

(2.36)



;



 . Khi

 x

 0; y

Trường hợp khi bánh đà cân bằng thì ta có z



m g M ;



u 0;

w  . 0

F dz

không có nhiễu ngoài tác động thì

Khi bánh đà quay. Tương tự (2.25) ta có:

m. F zd





  . (+ ) . (2.37)

  z     x     y

    

  z     x     y

    

F ze M M   g M M                    

Theo [38], [36], [39] thì các thành phần cản dịu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như

là vật liệu bánh đà, tính chất môi trường ngoài, hình dạng của trục quay… và rất khó

xác định. Với hệ bánh đà như luận án đề cập hoạt động trong không khí hoặc chân

không, trục quay ngắn, coi như không bị uốn và chỉ duy trì vị trí cân bằng thì thành

phần cản dịu có thể bỏ qua [40], [41]. Thành phần gyroscopic được đưa vào để đánh

giá mức độ ảnh hưởng khi bánh đà quay và có thể phải xét điều khiển để khử tác động

nếu cần. Tuy nhiên theo, [42] [37] thì thành phần phần này có xu hướng giữ cho hệ

thống ổn định khi quay với tốc độ cao.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

2.3. Cấu trúc chung hệ điều khiển ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ.

Từ cấu hình hệ ổ từ đã đề xuất nguyên lý điều khiển ổ từ dùng nam châm điện,

ta cơ sơ đồ điều khiển cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ như hình 2.7. Các thành

phần của hệ với một số tính chất điều khiển cần có cho ổ từ bao gồm:

- Nam châm điện: tạo thành cơ cấu chấp hành cho ổ từ. Nam châm điện trong ổ

từ là nam châm dòng điện một chiều.

- Cảm biến đo vị trí: để kiểm soát vị trí được vị trí bánh đà khi điều khiển ổ từ

phải đo được khoảng vị trí của bánh đà trong khe hở giữa hai nam châm. Với

mỗi cụm ổ từ kép sẽ có một cảm biến riêng và kết hợp với và bộ điều khiển

dòng điện riêng để do vị trí nên có thể tạo thành 1 mạch điều khiển vị trí độc

lập. Với khe hở rất nhỏ, bánh đà quay với tốc độ cao và có thể hoạt động lâu

dài nên yêu cầu cảm biến phải đo được khoảng cách nhỏ với độ phân giải và

độ chính xác cao, đồng thời không tương tác cơ học lên bánh đà.

- Mạch khuyếch đại công suất (bộ biến đổi – BBĐ): có nhiệm vụ cấp nguồn điện

phù hợp cho các cuộn dây của nam châm điện ổ từ theo tín hiệu điều khiển của

bộ điều khiển vị trí. Với các nam châm điện một chiều thì mạch khuyếch đại

công suất là các bộ biến đổi có đầu ra cho tải một chiều.

- Từ phân tích các phương trình cơ bản và đặc tính ổ từ kép trên hình 2.1, ta thấy

để điều khiển lực nâng của ổ từ, cần điều khiển cả hai dòng điện cho cuộn nam

châm trên và dưới. Mặt khác, do tính chất thay đổi điện cảm của cuộn dây nam

châm khi khe hở từ thay đổi, nên cần có mạch vòng điều chỉnh để giữ dòng

điện thực bám theo dòng điện đặt. Do vậy cấu trúc điều khiển của một ổ từ kép

sẽ có hai mạch vòng dòng điện cho hai nam châm điện trên và dưới. Mạch vòng

ngoài là mạch vòng điều khiển vị trí.

Các thành phần của hệ ổ từ chủ động với các tính chất điều khiển yêu cầu như

trên đã được thiết kế, chế tạo như trong phần phụ lục để phục vụ thử nghiệm.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

RIu2

BBĐu2

iu2

Fu2

Fgrav

Fu1

Đo vị trí góc u

iu1

RIu1

BBĐu1

θ* x

RIv2

BBĐv2

iv2

Fv2

í r t ị v n ể i h k

Fgrav

Đo vị trí góc v

Fv1

i* v1

iv1

RIv1

BBĐv2

u ề i đ ệ H

θ* y

BBĐw2

RIw2

iw2

i* w2

Fw2

Fgrav

Fw1

i* w1

iw1

RIw1

BBĐw1

θx

θy

Đo vị trí góc w

Quy đổi vị trí

Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý điều khiển ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động

cơ -bánh đà.

Phần ngoài vùng nét đứt chính là cơ cấu hệ TĐ ĐC-BĐ nâng bằng ổ từ với các

bộ biến đổi, đo lường đã chế tạo và là đối tượng điều khiển của hệ. Nguyên lý, cấu

tạo, thông số kỹ thuật của các khâu trong vùng này đã được thiết kế, tính toán chỉnh

định chi tiết trong phần phụ lục. Hệ điều khiển vị trí (trong vùng nét đứt) được thực

hiện trên môi trường số với các công cụ như là card DSP để thu thập, xử lý tín hiệu

cho phép ghép nối với thiết bị vòng ngoài thuận tiện, các phần mềm thiết kế, tính toán

điều khiển cho phép thực hiện các hệ điều khiển đa dạng.

Như vậy, từ hình 2.7 và các biểu thức (2.7), (2.8), (2.9) và (2.10), ta có cấu trúc

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

iu1

D/A

GKi

z

iu2

1 s2

D/A

GKi

θ*

A/D

θx

iv1

D/A

GKi

x

x

θ*

iv2

toàn hệ điều khiển cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ như hình 2.8.

Mx R M

S-1

í r t ị v n ể i h k u ề i đ ệ H

1 s2

D/A

GKi

θy

A/D

iw1

D/A

w1 GKi

y

y

iw2

S

1 s2

D/A

GKi

P S D

A/D

Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển ổ từ trong hệ ổ từ chủ động trong mô hình truyền

động động cơ -bánh đà.

2.4. Phân tích mô hình điều khiển.

Với hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ chủ động đã thiết kế, có

thể thấy hệ có các đặc điểm.

2.4.1. Đặc điểm về điều khiển:

z   . ( , ,

)

- Đại lượng cần điều khiển: Vị trí dọc trục và góc nghiêng

vF F F ,

- Đại lượng tác động : ba lực của ba ổ từ tại các góc

* i u 2

* i v 2

, - Đại lượng điều khiển: dòng điện cấp cho các nam châm của ổ từ * i ,u 1 , * i ,v 1

* * i i , w1 w2

- Đại lượng đo: vị trí bánh đà tại các cụm ổ từ (độ lệch khe hở giữa bánh đà so

z z ) đo được trực tiếp từ cảm biến v

với vị trí giữa hai nam châm của ổ từ:

vị trí.

- Cơ cấu chấp hành: gồm 3 cụm ổ từ chủ động nam châm kép. Các ổ từ này có

đặc tính phi tuyến. Theo các biểu thức (2.2) và (2.11) có thể thấy tính chất phi

tuyến của ổ từ gồm cả phi tuyến về cấu trúc do đầu ra của ổ từ là lực nâng tỷ lệ

bậc hai với đầu vào là dòng điện qua cuộn dây nam châm, và phi tuyến về tham

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

số do đầu ra và tham số điện cảm của cuộn dây phụ thuộc vào khe hở hay vị trí

của bánh đà.

- Với cơ chế dùng nam châm kép thì mỗi cụm ổ từ lại là hệ MISO (2 đầu vào 1

đầu ra). Như vậy ổ từ là đối tượng phi tuyến cả về cấu trúc, cả động học và tham

số.

2.4.2. Đặc điểm về hoạt động:

Các hệ bánh đà làm nguồn tích trữ năng lượng nói chung và bánh đà có tích hợp

ổ từ trong quá trình hoạt động thường có các giai đoạn:

- Giai đoạn đưa bánh đà về vị trí cân bằng (flying-up). Đây là giai đoạn mọi bánh

đà dùng ổ từ đều phải có. Trong giai đoạn này, bánh đà (có thể gồm cả động

cơ/máy phát nếu tích hợp liền hoặc nối cứng) được nâng từ vị trí nghỉ lên vị trí

cân bằng. Đặc điểm cần lưu ý của giai đoạn này là ban đầu khe hở từ giá trị cực

z , khi đó lực

đại. Nếu không có các hạn chế cơ khí thì trong biểu thức (2.2) e

nam châm phía dưới gần như vô cùng lớn cho dù dòng điện rất nhỏ. Trong thiết

kế mô hình thực tế có cơ cấu cơ khí để giữ bánh đà không chạm vào mặt nam

châm với khoảng cách 0,2 mm (tức là giới hạn độ lệch khe hở so với vị trí giữa

là 0,8 mm).

- Giai đoạn thứ hai là giai đoạn nạp năng lượng cho bánh đà. Khi đó máy điện

làm việc ở chế độ động cơ để quay và tăng tốc bánh đà lên tốc độ tối đa (nạp

đầy). Trong giai đoạn này sẽ có nhiễu cơ học tác động vào trục của bánh đà.

Nhiễu này bao gồm cả mô men xoắn, lực tác động ngang trục và dọc trục.

- Giai đoạn thứ 3 là giai đoạn duy trì bánh đà quay gần như tự do. Thời gian có

thể dài hoặc ngắn tùy theo đặc điểm ứng dụng của bánh đà.

- Giai đoạn thứ 4 là giai đoạn bánh đà xả năng lượng. Khi đó máy điện làm việc

ở chế độ máy phát để cấp nguồn cho tải ngoài. Do phản ứng phần ứng của máy

điện thì nhiễu cơ học tác động vào bánh đà cũng có tính chất tương tự như giai

đoạn 2.

- Ngoài ra một số hệ bánh đà có thể có giai đoạn 5 là giai đoạn dừng.

Hệ điều khiển cho ổ từ nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động bánh đà có

thể xây dựng theo hai hướng:

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ TĐ ĐC-BĐ cơ tích hợp ổ từ chủ động

- Dùng phương pháp tuyến tính hóa và điều khiển tuyến tính. Phương pháp này

sẽ được thử nghiệm và đánh giá trong chương 3.

- Dùng các phương pháp điều khiển phi tuyến được thử nghiệm và đánh giá trong

chương 4.

2.5. Kết luận.

Nội dung chương 2 đã phân tích và xây dựng được mô hình động học của hệ

TĐ ĐC-BĐ nâng bằng ổ từ trong các chế độ vận hành:

- Chế độ cân bằng.

- Chế độ không cân bằng.

- Chế độ bánh đà quay (tích trữ năng lượng)

Từ đó phân tích tính chất điều khiển của đối tượng phục vụ thiết kế điều khiển.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

3. CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ

Từ mô hình động lực học đã xây dựng ở chương 2 có thể thấy hệ ổ từ là phần

tử phi tuyến. Tuy nhiên nếu giả thiết vùng làm việc giới hạn ta có thể tuyến tính hóa

mô hình xung quanh điểm làm việc [43] [28].

Nội dung của chương 3 sẽ thực hiện:

- Phân tích khả năng và giới hạn tuyến tính hóa mô hình.

- Thiết kế hệ để có thể tuyến tính hóa mô hình.

- Thiết kế hệ điều khiển ổ từ trên mô hình tuyến tính của hệ ổ từ trong các

chế độ nâng bánh đà.

- Trên cơ sở đó định hướng và đề xuất phương pháp điều khiển phi tuyến

phù hợp.

3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ

Theo cấu trúc mô hình điều khiển hệ ổ từ của TĐBĐ-OT gồm ba ổ từ kép là ba

cơ cấu chấp hành của hệ. Ta phân tích tính chất phi tuyến của một ổ từ kép, từ đó sẽ

thực hiện tuyến tính hóa cho hệ ổ từ.



i (

)

Từ biểu thức (2.29) ta thấy rằng lực tác động tổng của mỗi ổ từ kép tỷ lệ thuận

với bình phương dòng điện và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách ,

tức là đại lượng lực do ổ từ tạo ra có quan hệ phi tuyến với cả đầu vào (dòng điện)

và đầu ra (vị trí). Xét theo đầu vào dòng điện thì đặc tính lực tác động đầu ra của các

cuộn nam châm có đặc tính dạng paraboll như hình 3.1 (tính theo số liệu mô hình ổ

( )F i .

từ đã thiết kế trong phụ lục), như vậy ổ từ có tính phi tuyến theo quan hệ vào/ra

Tại điểm lân cận điểm cân bằng (0,0), hệ số khuyếch đại gần như bằng không, nhưng

khi dịch xa khỏi điểm cân bằng hệ số khuyếch đại thay đổi nhanh. Với ổ từ hai nam

châm sẽ có hai tín hiệu điều khiển đầu vào độc lập với nhau (i1, i2) sinh ra hai lực

tương ứng là F1 và F2, tổng hợp lại ta có là lực tổng F tác động lên bánh đà. Nếu giữ

nguyên đặc tính trên hình 3.1 thì hệ phi tuyến rất khó điều khiển, vì vậy cần tác động

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

( )F i trở nên gần tuyến tính, đó là nội

để chuyển dịch điểm làm việc sao cho đặc tính

F (N)

300

F1 vs i1 F2 vs i2

200

= const

DF1 Di1

100

 0

DFi Dii

(A) i

-4

-3

-2

-1

I0 2

-100

= const

DF2 Di2

-200

-300

dung thiết kế tuyến tính hóa mô hình.

Hình 3.1. Quan hệ giữa lực F và dòng điện i của các nam châm điện

3.2. Thiết kế tuyến tính hóa cho một ổ từ kép.

Để thực hiện tuyến tính hóa cho mô hình điều khiển một ổ từ kép theo đầu vào

là dòng điện, ta sẽ thực hiện chuyển dịch điểm làm việc bằng cách đưa một dòng điện

không đổi, cùng chiều trong cả hai cuộn dây nam châm (còn gọi là dòng chuyển dịch

hay dòng điện tiền từ hóa) I0. Khi đó điểm làm việc của các nam châm được đẩy ra

vùng có hệ số khuếch đại khác không. Lực tổng tác động lên vật được điều khiển











  



bằng một dòng điện điều khiển ( Ci ) đưa vào hai cuộn dây với chiều ngược nhau.

F 2

F 1

0 

0  e

 

i C 2 

  e

i C 2 

(3.1)

I0-iC,n

Z+

e 

e - 

e < < z

Z-

I0+iC,n

Mô tả ổ từ khi có dòng điện tiền từ hóa I0 như hình 3.2.

Hình 3.2. Nguyên lý ổ từ với dòng điện tiền từ hóa

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Cấu trúc ổ từ kép khi có thêm dòng tiền từ hóa được trình bày trên hình 3.3:

Ổ từ



1 m

1 s2



Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển ổ từ kép khi có dòng tiền từ hóa I0.

Việc chọn giá trị I0 rất quan trọng với việc tuyến tính hóa mô hình điều khiển,

bởi vì lực tác động có quan hệ phi tuyến với hai đại lượng đầu vào là dòng điện và

đầu ra mô hình là vị trí, điều này có nghĩa là giá trị dòng 0I sẽ ảnh hưởng tới mô hình

tuyến tính hóa theo dòng điện đầu vào và cả vị trí đầu ra.

0I theo điều kiện nâng ban đầu: Tại thời điểm ban đầu ổ từ

Xác định giá trị

e . Dòng điện I0 phải

phải nâng được bánh đà lên từ vị trí cực hạn dưới, tức là z

I (khi đó

0F  ) thì lực F2 của nam châm 1

chọn sao cho khi dòng điều khiển



trên phải thỏa mãn:





m g .

F 2

0 2

   2

I 

(3.2)

để ổ từ nâng được Suy ra giá trị giới hạn thấp nhất dòng điện chuyển dịch 0 min

bánh đà lên từ vị trí nghỉ:



2 m g e ( . .

) /

  I 0

(3.3)

Khi đó ổ từ mới nâng được đối tượng lên. Nếu I0 nhỏ thì không thể nâng đối

tượng lên (tiến về điểm cân bằng) dù cho iC bằng bao nhiêu. Về lý thuyết thì I0 càng

lớn càng tốt nhưng nếu I0 quá lớn lớn thì việc luôn duy trì một dòng điện lớn qua cả

hai cuộn dây ổ từ sẽ gây phát nóng và tổn hao thậm chí có thể là bão hòa mạch từ của

nam châm.

Để chọn I0 và xác định thông số mô hình tuyến tính hóa cho ổ từ đã thiết kế, ta

tiến hành mô phỏng để dựng các đường đặc tính của ổ từ. Số liệu mô phỏng ổ từ trình

bày trên bảng 3.1 được lấy theo thông số mô hình đã thiết kế ở phụ lục.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Bảng 3.1. Thông số mô hình thực nghiệm.

Tên thông số

Số TT 1. Năng lượng tích lũy 2. Khối lượng bánh đà 3. Đường kính vành ngoài bánh đà 4. Đường kính vành trong bánh đà 5. Chiều dày bánh đà 6. Mô men quán tính Giá trị 2000 42 0.46 0.34 0.057 1.71 Đơn vị J kg m m m kg.m2

7. Tốc độ lớn nhất 1571 rad/s

8. Tốc độ nhỏ nhất 314 rad/s

9. Diện tích cực từ 10. Số vòng dây quấn Ký hiệu E M D d H J max min A n 0.0022 280 m2 vòng

11. Khe hở chuẩn 12. Hệ số cấu tạo nam châm m



13. Điện trở dây quấn 14. Điện cảm dây quấn 15. Dòng điện danh định 0.001 5,4186.10-5 0,97 0,0542 3,5 Ω H A e  R1, R2 L1, L2 Idm

A )

e ) khi

. Để kiểm Từ biểu thức (3.3) và thông số ở bảng 3.1, tính được 0 min 1,354(

nghiệm giá trị I0 trên, tiến hành mô phỏng ổ từ ở trạng thái cực hạn dưới ( z

F (N)

1000

F vs iC ( I0 = 1,1A)

F vs iC ( I0 = 1,354A)

800

600

400

200

(A)

(a)

(b)

-200

-1.3544

-1.3542

-1.354

-1.3538

-1.3536 -1.3536

-1.1004

-1.1002

-1.1

-1.0998

-1.0996

thay đổi iC với các giá trị I0 khác nhau, được họ đặc tính như hình 3.4.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

F (N)

1000

F (e10N) 14

F vs iC ( I0 = 1.65A)

F vs iC (I0 = 1.6A)

800

600

400

200

(A)

(c)

(d)

-200

-2

-1.5

-1

-0.5

0.5

1.5

-1.6004

-1.6002

-1.6

-1.5998

-1.5996

Hình 3.4. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau.

I

I Có thể thấy rằng khi chọn 0

0 min

, lực F tổng tác động lên vật có dấu âm tức

I

I là ngược chiều trọng trường và ổ từ nâng vật lên được. Khi 0

0 min

, lực F chỉ có

dấu dương tức là vật bị kéo xuống và ổ từ không nâng bánh đà lên được dù cho dòng

điều khiển iC có tăng bao nhiêu. Ngoài ra cũng dễ thấy là khi bánh đà lệch xa khỏi vị

0) thì đặc tính F(iC) vẫn phi tuyến.

trí cân bằng (z

e , (3.1) trở thành:

I và y 0

Theo [21], giả thiết khi





K i . i đk

(3.4)

2 0

Trong đó:



K ;

K i

 4. . I 2 e

 I 4. . 3 e

(3.5)

Từ (3.5) ta có cấu trúc của một ổ từ nam châm kép tuyến tính hóa quanh điểm

F 1 m

1 s

cân bằng với đầu vào là dòng điện iC như hình 3.5.

Hình 3.5. Cấu trúc ổ từ tại điểm làm việc tuyến tính

Để chọn giá trị I0 ta xây dựng họ đặc tính F(iC) với ổ từ ở trạng thái cân bằng

I

I và các giá trị 0

0min

Ci  ) và bánh đà di

như hình 3.6. và họ đặc tính F(y) khi (

chuyển trong khe hở ổ từ như hình 3.7a và dao động lân cận điểm cân bằng như hình

3.7b.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

F (N)

2000

1500

1000

I0 = 1.4A I0 = 1.6A I0 = 1.8A I0 = 2.0A I0 = 2.2A

500

(A)

-500

-1000

-1500

-2000

-2

-1.5

-1

-0.5

0.5

1.5

(105N)

F (N) 300

F 1.5

200

I0 = 1.4A I0 = 1.6A I0 = 1.8A I0 = 2.0A I0 = 2.2A

100

0.5

(mm)

(mm) z

-100

-0.5

-200

-1

-300

-1.5

-0.1

-0.08 -0.06

-0.04

-0.02

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

-0.6

-0.4

-0.2

0.2

0.4

0.6

Hình 3.6. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau khi y=0 (điểm cân bằng).

(a) (b)

I

Hình 3.7. Đặc tính F(y) với các giá trị I0 khác nhau khi iC=0

I Ta thấy rằng tại điểm cân bằng, khi 0

0 min

thì các đặc tính F(iC) đều tuyến

tính. I0 càng lớn thì hệ số khuyếch đại càng cao, tức là độ nhạy điều khiển càng lớn.

Tuy nhiên nếu y thay đổi (bánh đà di chuyển giữa ổ từ) thì lực F biến thiên rất lớn khi

vật di chuyển quá một nửa khe hở ổ từ như hình 3.7a và chỉ tuyến tính ở vùng hẹp



0,1

mm )

như hình 3.7b. lân cận điểm cân bằng, khoảng 10% khe hở ổ từ (

Chưa xét đến các vấn đề phát nóng của cuộn dây và vùng bão hòa của nam châm,

3,5A

dm 

, có thể chọn dòng căn cứ vào dòng điện làm việc liên tục được thiết kế là I

 1,8A ( 50% I

I  0

)dm

. Khi đó dòng qua một trong hai cuộn dây khi dòng điều khiển

I

I lớn nhất sẽ là 0

i  và đảm bảo yêu cầu 0 I

0min

I 

1,8A

và bánh đà thay đổi vị trí trong ổ từ. Hình 3.8 là họ đặc tính F(iC) khi 0

Có thể nhận thấy rằng khi bánh đà di chuyển càng xa khỏi điểm cân bằng thì đặc tính

F(iC) càng phi tuyến, tức là hệ chỉ tuyến tính ở lân cận điểm cân bằng.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

(N)

F 6000

4000

z = 0,5× e z = 0,25× e z = 0 z = -0,25× e z = -0,5× e

2000

(A) iC

-2000

-4000

-6000

-2

-1.5

-1

-0.5

0.5

1.5

(N)

F 1500

1000

500

(A)

-500

-1000

-1500

-2

-1.5

-1

-0.5

0.5

1.5

Hình 3.8. Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A khi z thay đổi

Hình 3.9. Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A tại z=0 (điểm cân bằng)

693;

iK 

5 16,6 10

 . Các kết quả mô phỏng theo cấu trúc đầy đủ như hình 3.7b và 3.9

yK 

Từ các thông số của hệ thống như bảng 3.1, theo (3.5) tính được

cũng phù hợp với tính toán.

Có thể kết luận khi dùng dòng điện tiền từ hóa I0 = 1,8A để di chuyển điểm làm

việc của ổ từ khỏi vùng phi tuyến, ta có cấu trúc ổ từ tuyến tính hóa quanh điểm cân

bằng như hình 3.5. Cấu trúc này thậm chí có thể đơn giản hóa khi xét hệ chỉ làm việc

ở vùng rất hẹp quanh điểm cân bằng (dải biến thiên y < 10-5). Khi đó có thể bỏ qua

thành phần phản hồi Ky*y do quá nhỏ so với Ki*iC.

3.3. Thiết kế điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ.

3.3.1. Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí.

Mạch vòng dòng điện được tổng hợp theo hàm chuẩn mô đun tối ưu (xem phần

phụ lục thiết kế), vì vậy gần đúng ta có hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ



1  1 2 T s bx Từ (3.6) sẽ có cấu trúc của mạch vòng điều khiển vị trí của bánh đà trên hình

(3.6)

0z  ), ta có thể đưa hàm truyền của

3.10, đồng thời xét bánh đà tại vị trí cân bằng (

mạch vòng vị trí về dạng như hình 3.10. Trong đó mạch vòng trong là mạch vòng

Gci

1 m

1 s2

(-)

dòng điện và mạch vòng ngoài là mạch vòng điều khiển vị trí.

Hình 3.10. Cấu trúc mạch vòng vị trí lân cận điểm cân bằng.

Từ cấu trúc như hình 3.10 và mạch vòng dòng điện như (3.6), theo tiêu chuẩn

tối ưu đối xứng, tổng hợp được bộ điều chỉnh vị trí là bộ điều chỉnh PD.





 (1 8 32

T s m ) bx 2 T K . bx

m 2 T K . bx

m T K 4 . bx

(3.7)

3.3.2. Mô phỏng điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ

Hình 3.11 thể hiện đáp ứng của ổ từ đơn theo cấu trúc tuyến tính hóa như hình

  e

mm 1

3.10 khi nâng bánh đà từ vị trí ban đầu là vị trí nghỉ tới vị trí cân

z  và không có lực ngoài tác động.

(10-4m)

z 2

zđặt zthực

-2

-4

-6

-8

-10

(ms)

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

bằng

Hình 3.11. Kết quả mô phỏng điều khiển ổ từ theo mô hình tuyến tính hóa.

Như kết quả mô phỏng, vật có thể được điều khiển dịch chuyển từ điểm nghỉ

tới điểm cân bằng và giữ ổn định vị trí. Tuy nhiên kết quả này không thể hiện khả

năng hoạt động của hệ ổ từ với đầy đủ cấu trúc thiết bị và thông số thực tế.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Để đánh giá sự phù hợp của bộ điều khiển xây dựng bằng phương pháp tuyến







 . Thông số và điều kiện làm việc

i vòng dòng điện coi là lý tưởng 1

i ;C

i 2

i C

tính hóa như trên, tiến hành mô phỏng với ổ từ có cấu trúc đầy đủ như hình 3.3, mạch

tương tự điều kiện tuyến tính hóa:



A 0 1,8 , z 0, 01



i* 1



Gci

PD Rz

1 m

1 s2

(+)

iC i* 2



Gci

- (10 m , gần điểm cân bằng).

(10-4m)

zđặt zthực

-2

-4

1 . 0

-6

-8

(a)

-10

(ms) t

0.1

0.02

0.04

0.06

0.08

(105A)

i1 i2

-2

-4

-6

(b)

-8

(ms)

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1



0,01

)mm

Hình 3.12. Cấu trúc điều khiển đầy đủ cho một ổ từ theo mô hình tuyến tính.

Hình 3.13. Mô phỏng ổ từ đơn nâng từ điểm (z tới điểm cân bằng với

mạch vòng dòng điện lý tưởng và không có hạn chế tốc độ lượng đặt.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Trong hình 3.13 thấy rằng khi không có hạn chế tốc độ lượng đặt vị trí, mặc dù

bộ biến đổi là lý tưởng (khả năng đáp ứng dòng điện là vô cùng lớn), vị trí ban đầu

của bánh đà ở khá gần điểm cân bằng (1% độ rộng khe hở - 10 m ) nhưng ổ từ vẫn

không nâng và giữ được bánh đà, bánh đà bị rơi xuống chạm nam châm dưới. Do đặc

trưng của hệ treo và bộ điều chỉnh có thành phần đạo hàm nên theo [44] cần thêm

khâu giảm tốc độ lượng đặt. Ở đây chọn khâu giảm tốc độ lượng đặt là khâu dạng

(10-5m)

yđặt ythực

-2

-4

-6

-8

-10

(a)

(ms)

0.004

0.008

0.012

0.016

0.02

(A)

i1 i2

-2

-4

-6

(b)

0.004

0.008

0.012

0.016

0.02

(ms) t

“ramp”.



0,1

)mm

tới điểm cân bằng với Hình 3.14. Mô phỏng ổ từ đơn nâng từ điểm (z

mạch vòng dòng điện lý tưởng và có hạn chế tốc độ lượng đặt.



/m ms

Khi áp dụng thêm khâu hạn chế tốc độ lượng đặt thì đáp ứng của ổ từ được cải

thiện đáng kể, có thể thấy thấy rằng khi có hạn chế tốc độ lượng đặt vị trí ( 20 ),

ổ từ có thể nâng bánh đà từ vị trí xa hơn di chuyển về vị trí cân bằng và dòng điện

khá hợp lý (tối đa 9A). Dòng điện điều khiển ở vị trí cân bằng rất nhỏ nhưng dòng

A 1,8

I tổng qua mỗi cuộn dây khá lớn, gần bằng dòng lệch 0

Tuy vậy, mạch dòng điện ở đây vẫn coi mạch vòng dòng điện là lý tưởng. Để

đánh giá khả năng hoạt động của ổ từ theo cấu trúc đã thiết kế và mô hình đã chế tạo,

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ



0,1

e , (10% )

A 0 1,8 ,

z 0

z (10-5m)

zđặt zthực

(a)

(s) t

0.04

0.08

0.12

0.16

0.2

(A)

i1 i2

-1

-2

(b)

(s) t

0.04

0.08

0.12

0.16

0.2

u (V) 300

200

U1 U2

100

-100

-200

(c)

-300 0

0.04

0.08

0.12

0.16

0.2

(s) t

thực hiện mô phỏng với mạch vòng dòng điện đầy đủ như hình 2.15 với điều kiện:

Hình 3.15. Vị trí (a), dòng điện (b), điện áp (c), của ổ từ với nguồn 250VDC

Ở hình 3.15 với mức nguồn 250VDC, ổ từ nâng bánh đà êm, giữ bánh đà tĩnh

và chính xác. Do bánh đà di chuyển êm nên tác động ra của bộ điều khiển vị trí và

tương ứng là dòng điện và điện áp ít “rung”. Mức điện áp này khá cao nhưng vẫn có

thể phù hợp để dùng cho hệ thống thực. Với các mô phỏng thử nghiệm cho ổ từ đơn,

có thể chọn thông số điện áp nguồn cấp và tốc độ tăng tín hiệu đặt vị trí cho hệ điều

khiển tuyến tính là:

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

- Nguồn một chiều cấp cho mạch khuyếch đại công suất: 250VDC

/mm s

- Tốc độ tăng tín hiệu đặt: 2

3.4. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mô hình tuyến tính của ổ từ.

Sau khi thiết kế, mô phỏng để đánh giá và xác định một số đặc tính điều khiển

tuyến tính cho ổ từ đơn, các kết quả đó được vận dụng để thiết kế điều khiển nâng







F ze

F 1

F 2

 i 1 

 i 2  e

 

 z  z

 

 z  z

 .









(

bánh đà theo mô hình tuyến tính. Ta có hệ các lực và mô men tác động vào bánh đà:

F 1 x

F r ). 2 x

 



 i 1   x

 i 2   x

 .

    









(

F 1

F r ). 2 y

 i 1  

 i 2  



 x  r .   r .



 x  r .   r .

  

(3.8)



e r ;



e r ;

 e

 . x

 . y

Giả thiết bánh đà ở lân cận điểm cân bằng, khi đó

Theo phương pháp tuyến tính hóa với dòng 0I tương tự như một ổ từ, lực và mô men



tác động vào bánh đà là hàm tuyến tính như sau:



z K

 .





x K

x  .

K i . iz z K i . ix x K i . iy

  F  ze  M   

(3.9)

2 0



K ;

K iz

 4. . I 3 e

2 0

Trong đó:



K ;

K ix

2 0



K ;

K iy

 I 4. . 2 e  I 4. . . r 2 e  I 4. . . r 2 e

 4. . . I r 3 e  I 4. . . r 3 e

(3.10)

Từ (2.21) và (3.9) ta có hệ phương trình động lực học của bánh đà như sau:

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ





 M z K i .

 . M. z





 .

K i . x ix





 .

.   . x   . y

K i . iy

    

(3.11)

xJ ,

yJ là mô men quán tính bánh đà theo

Trong đó M là khối lượng bánh đà,

trục x, trục y và có giá trị như trong bảng 3.1. Phương trình (3.11) có thể biểu diễn ở

dạng phương trình trạng thái như sau:

   x A x B u N d . . y C x .

(3.12)

   z     y x

  

 

  

 

z   x y

  0 0 T 

     d M g



Với:

; 

; 

; 

 c c 11 16    

A A 11 13    

B B 11 13    

N N 11 13    

A 31

A 33

c 31

c 36

     

    

     

    

     

    

     

    



0 K



A 22

A 33

A 11

0 K J

   

0 K iz M

   

     

    

     

    

0 0



A 12

A 13

0 0

   

  

 là ma trận 3x6 với:

0 K



;



B 12

B 13

B 21

B 31

B 32

B 11

0      0  

0 K J

    

0 K iz M

    

     

    

     

    

 là ma trận vuông cấp 6 với:

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0

     

    



z   được điều khiển hoàn toàn độc lập, tách ,

Từ (3.11) ta thấy các đại lượng

kênh từ tín hiệu điều khiển tới đầu ra vị trí nên ta có thể áp dụng cách thức tổng hợp

z   như (3.13). ,

bộ điều khiển vị trí tuyến tính như với ổ từ đơn. Ta có các bộ điều chỉnh vị trí cho







 s KP KI s . z

 (1 8 32

(a)







 s KP KI s . x

R  x

 (1 8

M T K 4 . bx J x T K 4 . bx J







(b) (3.13)

 s KP KI s . y

R  y

T s M ) bx 2 T K . iz bx  T s J ) (1 8 bx 2 32 T K . bx ix T s J ) bx 2 T K . bx

M 2 T K . bx J x 2 T K . bx J y 2 T K . bx

y T K 4 . bx

(c)

Với hệ 3.12 và các bộ điều khiển (3.13) ta có cấu trúc điều khiển tuyến tính cho

Hệ điều khiển vị trí (DSP)

Bánh đà và cảm biến

Ổ từ i1u

* iu

hệ bánh đà – ổ từ như hình 3.16.

+

z

BBĐu

(2.2)

i2u

-

i1v

+

x

θx

* ix

θx

Rθx

BBĐv

(2.2)

i2v

-

1 s2

F

M

S-1

R

i1w

+

* iw

y

* θy

* iy

θy

Rθy

BBĐw

(2.2)

i2w

-

S

z   . , ,x

Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển tuyến tính hệ bánh đà ổ từ theo

3.4.1. Mô phỏng hệ 3 ổ từ điều khiển tuyến tính.

Để kiểm nghiệm hoạt động của hệ bánh đà – ổ từ với điều khiển tuyến tính, mô

phỏng với các kịch bản được thực hiện ở các hình 3.17, 3.18 và 3.19.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

(10-5m)

z 15

zđặt zthực

(rad)

0 θx 1

θxđặt θxthực

(rad)

-1 θy 1

θyđặt θythực

(a)

-1

0.1

0.2

0.4

0.5

0.3

0.6

(s) t

(10-5m)

zu zv zw

(b)

-2

0.6

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(s) t

(A)

0.5

iz iθx iθx

-0.5

-1

-1.5

-2

-2.5

(c)

0.1

0.2

0.4

0.5

0.3

(s) t

(A)

i 0.1

iu iv iw

-0.1

-0.2

-0.3

-0.4

-0.5

-0.6

-0.7

-0.8

(d)

-0.9

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(s) t

Trường hợp nâng bánh đà cân bằng và không có nhiễu ngoài tác động.

z   (a); , y

z u

,z ,z v

i  (c) và i

i u

i v

i (d) w

Hình 3.17. Vị trí (b); dòng điện

với vị trí ban đầu nằm ngang, không có nhiễu.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

(10-5m)

z 15

zđặt zthực

(10-5rad)

0 θx 10

θxđặt θxthực

(10-5rad)

θy 0

θyđặt θythực

-5

(a)

-10

0.1

0.2

0.4

0.5

0.3

(s) t

0.6

z (10-5m) 20

zu zv zw

(b)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

(s) t

(A)

0.5

iz iθx iθx

-0.5

-1

-1.5

-2

-2.5

(c)

0.6

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(s) t

(A)

iu iv iw

0.5

-0.5

-1

-1.5

(d)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

(s) t

Trường hợp nâng bánh đà không cân bằng và không có nhiễu tác động.

z u

,z ,z v

z   (a); , y

i  (c) và i

Hình 3.18. Vị trí (b); dòng điện điều khiển

i u

i v

i w

(d) với vị trí ban đầu nghiêng, không có nhiễu ngoài tác động

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

(10-5m)

zđặt zthực

(10-5rad)

0 θx 8 6

θxđặt θxthực

4 2

(10-5rad)

0 θy 0

-5

θyđặt θythực

-10

(a)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(s) t

0.6

(10-5m)

zu zv zw

(b)

-2

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

(s) t

(A)

0.5

iz iθx iθx

-0.5

-1

-1.5

-2

-2.5

(c)

0.6

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(s) t

(A)

iu iv iw

0.5

-0.5

-1

-1.5

(d)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

(s) t

Trường hợp nâng bánh đà không cân bằng và có nhiễu tác động.

z   (a); , y

z u

,z ,z v

i  (c) và i

i u

i v

i (d) w

Hình 3.19. Vị trí (b); dòng điện

với vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu ngoài tác động lên bánh đà.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

F (N)

200

Nhiễu góc u Nhiễu góc v Nhiễu góc w

100

-100

-200

-300

(a)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

(s) t

(10-6m)

zthực

y 2 1

(10-6rad)

-1 -2 θx 1

θxthực

0.5

(10-6rad)

-0.5 -1 θy 1

θythực

(b)

-1

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(s) t

0.6

Hình 3.20. Lực nhiễu tác động lên bánh đà tại các góc (a) và dao động vị trí (b).

 

0,15



Hình 3.17 là kết quả mô phỏng nâng bánh đà với điều kiện mô phỏng như sau:

mm  ; x

 y



rad



rad

)

- Vị trí ban đầu ( , bánh đà nằm ngang.

  0 m ; x

 ; y

- Vị trí cân bằng ( .

- Không có lực nhiễu tác động

 

0,15

mm ;

 

0,0001

rad

;

 

0,0001

rad

)

Hình 3.18 là kết quả mô phỏng nâng bánh đà với điều kiện mô phỏng như sau:

 x

 y

- Vị trí ban đầu ( , bánh đà

nghiêng cả phương x và y.

- Không có lực nhiễu tác động

 

0,15

 

0,00012

rad

 

0,00008rad)

Hình 3.19 là kết quả mô phỏng nâng bánh đà với điều kiện mô phỏng như sau:

 ; mm x

 ; y

- Vị trí ban đầu ( , bánh đà

nghiêng cả phương x và y.

- Bánh đà sau khi được nâng lên và duy trì ổn định ở vị trí cân bằng thì có nhiễu

lực ngoài tác động tại các góc với chiều kéo lên hoặc nén xuống như hình 3.20.

Mặc dù lực ngoài tác động khá lớn nhưng bánh đà chỉ dao động rất nhỏ và trở

lại cân bằng.

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Nâng bánh đà lên vị trí cân bằng và nạp năng lượng cho bánh đà.

Quá trình nạp năng lượng cho bánh đà là quá trình quay và tăng tốc bánh đà lên

tốc độ cao. Khi đó xuất hiệu hiệu ứng gyroscopic như đã nêu trong chương 2. Cấu

trúc động học của bánh đà xuất hiện thành phần tác động giữa trục quay x và y tỷ lệ

1 M

1 s

θx

1 s

1 Jx

θy

1 s

1 Jx

với tốc độ quay  của trục z như hình 3.21.

(10-5m)

(10-7rad)

0 θx 1

θx

0.5

0 -0.5

-1

(10-7rad)

θy 4

θy

-2

0.5

1.5

2.5

(s) t

(10-5m)

(10-7rad)

0 θx 1

rung

θx

0.5

rung

-0.5

rung

-1

(10-7rad)

θy

rung

θy

-2

2.5

0.5

1.5

(s) t

Hình 3.21. Động học bánh đà khi quay.

z   khi bánh đà không quay (a) và quay (b), có nhiễu. ,

Hình 3.22. Vị trí

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

ω (rad/s)

2000

Duy trì

1500

Xả năng lượng

1000

500

Nạp năng lượng

F (N)

Nhiễu góc u Nhiễu góc v Nhiễu góc w

-5

-10

-15

0.5

1.5

2.5

(s) t

Hình 3.23. Tốc độ quay và lực nhiễu tác động vào bánh đà khi tăng tốc.

z   của bánh đà trong một quá trình nâng, ,

Hình 3.22(b) mô phỏng vị trí

khởi động nạp năng lượng, duy trì và phóng năng lượng. Ở các giai đoạn nạp và

phóng năng lượng do tác động của động cơ nên gây lực nhiễu tác động vào bánh đà.

Tốc độ quay và nhiễu biểu diễn như hình 3.23. Bánh đà được tăng tốc lên 2000 rad/s,

tương đương 19100 vòng/phút khi nạp và xả xuống 500rad/s khi phóng với tốc độ xả

nhanh. So với hình 3.22(a) là trường hợp bánh đà không quay có thể thấy tác động

xen kênh giữa các trục x và y khi bánh đà quay là không đáng kể. Khi bánh đà quay,

x 

nếu có sự tác động của nhiễu gây dao động nghiêng theo trục x hoặc y ( hoặc

y 

) sẽ có tác động gây rung nhẹ sang trục kia và ngược lại, tuy nhiên tác động

(10-4m)

z 10

zđặt zthực

(10-3rad)

0 θx 0

-2

θxđặt θxthực

-4

(10-3rad)

θy

θyđặt θythực

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(s) t

0.6

này là rất nhỏ, có thể bỏ qua.

z   khi nâng bánh đà từ vị trí ban đầu xa điểm cân bằng. ,

Hình 3.24. Vị trí

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

 

0, 2



rad 0



0rad)

Hình 3.24 là kết quả mô phỏng nâng bánh đà với điều kiện mô phỏng như sau:

 ; mm x

 ; y

- Vị trí ban đầu: ( , bánh đà nằm ngang.

Kết quả mô phỏng cho thấy ổ từ không thể nâng được bánh đà lên vị trí cân

bằng.

3.4.2. Nhận xét.

Các kết quả mô phỏng cho thấy, với khe hở ban đầu không quá 0,2mm thì ổ từ

có thể nâng bánh đà về điểm cân bằng và giữ bánh đà ổn định. Với lực tác động ngoài

không quá lớn ổ từ vẫn duy trì bánh đà ổn định.

Trong thực tế vận hành của FESS, một giai đoạn quan trọng là giai đoạn khởi

động. Ban đầu khi hệ thống chưa hoạt động (điểm nghỉ), trục sẽ tiếp cận với nam

e .

châm bên dưới, tức là y

Trong giai đoạn này, bánh đà phải được nâng từ điểm nghỉ tới điểm cân bằng.

Kết quả mô phỏng hệ thống thực hiện việc di chuyển từ điểm nghỉ đến điểm cân bằng

như hình 3.26. Có thể thấy bánh đà đã không thể đi đến điểm cân bằng và bị rơi dính

xuống nam châm dưới khi bánh đà có vị trí ban đầu quá thấp. Từ các dao động cho

thấy dòng điện thực của cuộn dây nam châm không thể tăng theo dòng điện đặt mặc

dù điện áp đặt lên cuộn dây hoàn toàn bằng điện áp nguồn (bão hòa). Biên độ cũng

như tốc độ biến thiên của dòng điện đặt quá lớn, vượt khỏi giới hạn của bản thân hệ

thống nên hệ thống không ổn định được.

3.5. Kết luận.

Từ các kết quả thiết kế điều khiển tuyến tính và mô phỏng ta có thể có một số

đánh giá như sau:

- Phương pháp dùng dòng điện lệch I0 cho phép dịch chuyển điểm làm việc của

Ổ TỪ đến vùng tuyến tính và từ đó áp dụng được phương pháp điều khiển

tuyến tính cho hệ. Bộ điều khiển nhận được là PD hoặc PID đơn giản dễ thực

thi.

- Do luôn có dòng điện I0 nên tại mọi điểm làm việc, dòng điện qua cả hai cuộn

dây luôn khá lớn và tạo lực ngược chiều nhau nên gây tiêu hao công suất lớn,

làm việc lâu dài có thể gây phát nóng và ảnh hưởng đến tham số cũng như chất

lượng điều khiển. Đồng thời với dòng điện lớn chạy dài hạn nên cần có dây

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ

quấn tiết diện lớn hơn do vậy ảnh hưởng đến cấu trúc chế tạo nam châm và lắp

ráp hệ thống.

- Việc chọn điểm tuyến tính hóa (chọn I0) cho một hệ ổ từ thực cũng có khó

khăn do phụ thuộc nhiều yếu tố: giới hạn dòng bão hòa Imax từ đường đặc tính

từ hóa của nam châm, biên độ dòng điều khiển iC để hệ làm việc trong vùng

tuyến tính. Các yếu tố này đòi hỏi nhiều thông tin chính xác về cấu tạo, vật

liệu làm mạch từ của thiết bị.

- Bộ điều khiển tuyến tính có câu trúc đơn giản, dễ thực hiện và cho phép hệ đạt

được chất lượng nhất định khi làm việc hạn chế lân cận điểm làm việc cân

bằng. Tuy nhiên khi vị trí của vật bị đẩy ra khỏi vùng làm việc tuyến tính thì

hệ thống dễ mất ổn định do đáp ứng của bộ điều khiển tuyến tính không thỏa

mãn.

- Cần có các phương án cải tiến, bổ sung thuật điều khiển hoặc nghiên cứu áp

dụng phương pháp điều khiển phi tuyến để nâng cao chất lượng điều khiển

trong toàn vùng làm việc của ổ từ.

- Phương pháp này về cơ bản đáp ứng được để hệ làm việc ở điểm cân bằng.

Nhược điểm ở điểm xa vùng tuyến tính hóa thì hệ không đưa bánh đà về điểm

cân bằng được, phải có thêm cơ cấu cơ khí để đưa bánh đà đến gần điểm cân

bằng trước khi khởi động.

Do các nhược điểm rất khó khắc phục của phương pháp điều khiển tuyến tính,

phương pháp điều khiển phi tuyến được đề xuất ở chương 4.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

4. Chương 4

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN

ĐỘNG ĐỘNG CƠ – BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG

Ổ đỡ từ chủ động là một hệ phi tuyến điển hình, phi tuyến cả cấu trúc và tham

số. Ngoài phương pháp điều khiển tuyến tính [43], [45], [46], [26], [25] có nhiều

phương pháp điều khiển phi tuyến cũng đã được nghiên cứu ứng dụng cho ổ từ chủ

động như điều khiển chế độ trượt, phương pháp cuốn chiếu, tuyến tính hóa chính xác

[32], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], …

Hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ với 3 ổ từ kết hợp để nâng bánh

đà ngoài các tính chất phi tuyến của ổ từ chủ động còn có đặc tính động học phức tạp,

xen kênh về tác động giữa các ổ từ lên cơ cấu động cơ - bánh đà. Ngoài ra, với đặc

điểm hoạt động của bánh đà như đã thử nghiệm ở chương 3, luận án chọn phương

pháp điều khiển tuyến tính theo nguyên lý phẳng để thiết kế, thử nghiệm và đánh giá.

4.1. Nguyên lý phẳng và điều khiển phẳng

4.1.1. Định nghĩa hệ phẳng

Khái niệm hệ phẳng được M. Fliess, Ph. Martin, R.M. Murray và P. Rouchon



đề xuất năm 1992 [54]. Theo đó, một hệ phi tuyến:

 f x u ,



dx dt

(4.1)

 u R

;

 n x R m n ;



Với biến đầu vào x và biến trạng thái u:

(4.2)

được gọi là phẳng nếu thỏa mãn các điều kiện.









Điều kiện 1: Hệ luôn tồn tại vector đầu ra y với bậc l hữu hạn sao cho:





y y , 1

du dt

l d u l dt

 F x u  

  

(4.3)

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Ghi chú: các ký hiệu y, u, x, F … trong mục 4.1 này chỉ dùng để trình bày tổng

quan theo cách ký hiệu thông thường, không phải là các đại lượng vị trí, đầu vào,

lực của hệ ổ từ.

Điều kiện 2: Toàn bộ các biến đầu vào u và biến trạng thái x của hệ có thể xác

 1







u ;





định từ tập biến ra y và đạo hàm của nó, tức là luôn tìm được hàm  và  sao cho:

dy dt

d dt

dy dt

l d y l dt

  

  

   

  

(4.4)





  ( ) ,

Với . Đầu ra y được gọi là đầu ra phẳng và





dy dt

l d y l dt

   

  

được xem là mô hình ngược của hệ (4.1) với đầu ra (4.3). Theo

(4.3) và (4.4) có thể kết luận rằng để mọi quỹ đạo ra y(t) là đủ khả vi, thì các quỹ đạo

x t ( )



 ,



dy dt

 1 l d y l dt

  

trạng thái và đầu vào tương ứng:

u t ( )



 ,

dy dt

l d y l dt

      

  

(4.5)



thỏa mãn các phương trình hệ thống.

x t u t ( ( ), ( ))

Ngược lại, để mọi quỹ đạo trạng thái và đầu vào là đủ khả vi và



y t ( )





thỏa mãn các phương trình hệ thống, có tương ứng một quỹ đạo đầu ra:

du dt

u d l dt

 F x u  

  

(4.6)

Trong trường hợp cả hai điều kiện 1 và 2 thỏa mãn và hệ (4.1) và vector đầu ra

(4.2) là phẳng, ta có thể xây dựng cấu trúc điều khiển hở với bộ điều khiển



 f x u ,



dx dt

u t ( )





dy dt

l d y l dt

   

  



du dt

l d u l dt

 y F x u  

  

       

feedforward như hình 4.1.

Hình 4.1. Cấu trúc tựa phẳng với mô hình ngược làm bộ điều khiển feedforward.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Ta biết rằng, không thể xây dựng mô hình hoàn toàn giống với đối tượng thực

nên cấu trúc điều khiển như hình 4.1 sẽ luôn có sai lệch giữa tín hiệu đặt y* và tín

hiệu ra y. Do đó, tín hiệu đặt u cần được bù bởi một thành phần phản hồi, thường là

bộ điều chỉnh PI hoặc PD tùy theo kiểu đối tượng thực. Khi đó ta có cấu trúc điều



 f x u ,



dx dt

u t ( )



 ,

dy dt

l d y l dt

   

  



ffu

du dt

l d u l dt

 y F x u  

  

       

fbu

( )

khiển như hình 4.2.

Hình 4.2. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với 2 bộ điều khiển feedforward và

feedback.

Cấu trúc ở hình 4.2 được xây dựng từ sự xác nhận quỹ đạo (4.6). Có nghĩa là y*

phải đủ khả vi như (4.6) và như vậy cấu trúc điều khiển cần có thêm khối tạo quỹ đạo

đặt cho y* như hình 4.3.

Tạo quỹ đạo



 f x u ,



dx dt

u t ( )





*( ) y t

dy dt

l d y l dt

   

  



ffu

du dt

l d u l dt

 y F x u  

  

       

fbu

( )

Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng với khâu tạo quỹ đạo đặt

Theo các thuyết minh ở trên, có thể đưa ra quy trình thiết kế cho hệ điều khiển

tựa phẳng với các bước như sau:

- Bước 1: Chứng minh đối tượng điều khiển đáp ứng các điều kiện phẳng và

đầu ra mong muốn là phẳng.

- Bước 2: thiết kế quỹ đạo đặt. Ngoài vấn đề quỹ đạo đặt y* phải đủ khả vi như

đầu ra y, các điều kiện ràng buộc đối với đầu ra cũng cần được đưa vào khi

thiết kế quỹ đạo đặt.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

- Bước 3: thiết kế bộ điều khiển feedforward.

- Bước 4: thiết kế bộ điều khiển phản hồi, thường là PI. Như cấu trúc ở hình 4.2,

nhiệm vụ của bộ điều khiển feedforward là phải làm sao cho đầu ra y bám

chính xác theo tín hiệu đặt y* gồm cả:

o Loại bỏ sai lệch tĩnh tại điểm làm việc mới (cuối quỹ đạo).

o Đầu ra y bám theo quỹ đạo đặt y* cho dù có sai lệch mô hình và cả nhiễu

tác động.

4.1.2. Thiết kế quỹ đạo đặt.

Trường hợp tổng quát.

Cho hệ phi tuyến như (4.1), với t0 là thời điểm bắt đầu, trạng thái đầu (sơ kiện)



sẽ là:

x t ( ) 0

x u t ; ( ) 0 0

u 0

(4.7)

x t (

)



)



Và tại điểm cuối tE, trạng thái cuối sẽ là:

x u t ; ( E

x t ( )



(4.8)

u t ( )

  

  

Thiết kế quỹ đạo đặt cho hệ (4.1) nghĩa là tìm một quỹ đạo với

t 0( , t

thỏa mãn cả (4.1), (4.7) và (4.8). Đối với các hệ phẳng khả vi, có thể giải

bài toán một cách đơn giản mà không cần dùng các phương pháp số gần đúng hoặc

giải các phương trình vi phân phức tạp. Từ phương trình (2.3) có thể thấy rằng các

vector đầu vào u và vector trạng thái x đều có thể biểu diễn là một hàm của y và khả

vi liên tiếp với bậc hữu hạn.

Theo các bước nêu trên, có thể tìm được quỹ đạo đầu ra tương ứng với các điều

x t ( )



kiện đầu (4.7) và kết thúc (4.8) mà không cần giải các phương trình vi phân. Sau khi

y t , các quỹ đạo

( )

u t ( )

  

  

tìm được quỹ đạo sẽ có thể tìm được bằng cách

y t ( )

thay và các đạo hàm của nó vào các phương trình (4.5). Tổng quát, các điều

kiện (trạng thái) đầu và cuối của đầu ra là:

- Trạng thái đầu:

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ



(



)...

t (

);...;

)...

(

)

y t ( 1 0

( y 1

y t ( m

(4.9)



(



)...

t (

);...;

)...

(

)

- Trạng thái cuối:

y t ( 1

( y 1

y t ( m E

(4.10)

Từ (4.9) và (4.10) có thể thấy rằng có 2(r+2) điều kiện phải được thỏa mãn, như

 T t

y t có thể là đa thức với 2(r+2) hệ số (đa thức bậc 2(r+1)). Với

( )

 và 0

vậy

  

t ( )

t (

) /

t 0

2 r





k  .



(1,

)

có dạng đa thức như sau:

y t ( ) j

j k ,



 

 ( ) ; t 



(4.11)

)

t ( )



  l k .



(1,

)

Đạo hàm của (4.11) là:

( j

j l ,

1 k T

(

l 

! k

 l k

  3   

 ( ) ; t  

(4.12)

t và tương ứng là

0 , giá trị ban đầu nhận được là:

)

Tại

(

)



;



(0,



1);



(1,

)

( j

t 0

j k ,

! k

k T

(4.13)

1  , giá trị cuối nhận được là:

t và tương ứng là

 r 3

)

(

)



;



(0,



1);



(1,

)

Tại

( j

j l ,



1 k T

! k

 l k

 l   ( l

  

(4.14)

...

Biểu thức (4.14) là một hệ phương trình tuyến tính với (2r+4) phương trình và

m (1,

)

a  với mỗi

2 , r

(2r+4) tham số chưa biết . Thực ra hệ này chỉ gồm (r+2)

phương trình, còn (r+2) phương trình đầu tiên đã có luôn khi giải (r+2) phương trình

(4.9). (r+2) phương trình còn lại là các phương trình sau:

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

...

 j r , ...

... ...

2  r  1)( r

(



(



 r 2)(

3 r

2r 3   (2r 2)(2r 3)



 ,2r 3

    

... ...

... r (



2)!

... r (



3)!/ 2

...  (2r 3)!/ (



       

            2)! 

 1

)



(

)

y t ( j

l ( ) j



 l T l / !









...

 1

 l k

(

)



/ (



(

)

( ) k j

( ) l j



 )!







 l k

  

  

...

 1



t (

)



)

( j

t ( 0

 

 

       T     

          

(4.15)

)



);



(0,



(r+2) phương trình điều kiện bắt đầu sẽ giải được:

j k ,

( j

t 0(

T k

(4.16)

Có thể thấy rằng mặc dù có yêu cầu điều kiện phẳng (4.3) trong đó y(t) phải là

hàm của x(t), u(t) và đạo hàm của u(t) nhưng với việc thiết kế quỹ đạo đặt như trên,

u t ), (

x t (

)

điều kiện phẳng (4.3) hầu như không quan trọng.



 x t u t ( ), ( ) 0 0

là các điểm cân và điểm kết thúc  Trường hợp đặc biệt: qũy đạo dạng điểm dừng tới điểm dừng (rest to rest) Nếu điểm bắt đầu 

x t (

u t ), (

)

bằng, tức là tại đó các đạo hàm của là bằng không, như vậy theo đặc tính

)

y t 0(

)Ey t (

của hệ phẳng khả vi, các điểm đầu ra và cũng phải là điểm cân bằng. Khi

x t (

)





(

y t (

), 0, 0 ..., 0);

x t (



 (

y t (

), 0, 0 ..., 0)

)

đó ta có biểu thức:

u t (

)



 (

y t (

), 0, 0 ..., 0);

u t (



 (

y t (

), 0, 0..., 0)

)

  

(4.17)

Thay (4.17) vào kết quả (4.12) của trường hợp tổng quát ta có biểu thức của quỹ

đạo kiểu điểm nghỉ tới điểm nghỉ là một đa thức như sau:

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ













)



)



)

;



(1,

)

y t ( ) j

y t ( j

j k ,

t 0  r

t 0 k

 

 

 T



  1    

   

(4.18)

,j ka

a j ,0 ...



1  r 1)(

2  r

(

1  r 2)(

3 r

1 2r 3   2)(2r 3)



(



Trong biểu thức trên, các hệ số là lời giải của hệ phương trình sau:

 ,r 1

    

    

 ... r (

 r ... r (



2)!



3)!/ 2

... ... ... ... ...

(2r ...  (2r 3)!/ (



       

       2)! 

1     ...     0   ...     0  

(4.19)

Trường hợp hệ thống có các biến đầu vào và trạng thái bị giới hạn.

Trường hợp này có khả năng phát huy vai trò trong nhiều ứng dụng như các hệ

điều khiển động cơ điện hay thiết bị nâng từ (giới hạn dòng điện, giới hạn biên độ di

T t

  có thể được thay đổi để làm sao cho đầu vào u và

t 0

chuyển …). Thời gian

( )t xác định trước ta có:

(

)

 y t ( )



;

 y t ( )



; ...;

t ( )



biến trạng thái x chỉ ở trong khoảng giá trị cho phép. Với

1 T

( ( ))  t  d

1 2 T

2 ( ( ))  d y t 2  d

1 k T

k ( ( ))  t d y k  d

(4.20)

y t ( )

(

)

t ( )



  1 k

;

Khi đó giá trị cưc đại của đầu ra được xác định là:

max     0,1

max y    t , t

1 k T

k ( ( ))  t d y k  d

(4.21)

(

)

*  y C



Để đảm bảo các giới hạn đã cho:

1;...;

(4.22)

T max



, ...,

Là hợp lệ, thời gian T phải được chọn sao cho:

max     0,1

max     0,1

dy  d

1 C

dy  d

1 C 1

  

1/   

    

    

(4.23)

u C u

Nếu phải hợp lệ, có thể có:

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

 1)

(

 1



* y y ,

,...,



,...,

1  1 r

y 1)



1 T d

dy 

d (  d

   

  

   

  

 1)

(



, 0,..., 0



  ...

 



1  r 1

y 1)



1 T

dy  d

  (  1) r  y

d (  d

  * y





, 0,..., 0



  ...

 



C 1

 1

1  1 r

   ( 1) r y



  * y





(4.24)



(1,

 được xác định phụ thuộc vào

kC k ,

uC , sau đó việc chọn T có

Các hằng số

thể thực hiện theo biểu thức (4.23).

4.2. Thiết kế điều khiển phẳng khi nâng cho hệ ổ từ của truyền động động cơ–

bánh đà theo hệ tọa độ u, v, w.

Điều khiển cho hệ ổ từ của truyền động động cơ bánh đà phải đảm bảo hệ hoạt

động trong các chế độ làm việc như khi nâng bánh đà và các chế độ khi quay bánh

đà. Quá trình nâng bánh đà không quay nên trong mô hình điều khiển không xuất

hiện lực Gyro. Mặt khác thiết kế điều khiển phẳng cho hệ ổ từ khi nâng cần thiết lập

quỹ đạo đặt, thích hợp nhất là chọn mô hình của hệ trên tọa độ u,v.w để thiết kế điều

khiển phẳng. Vì vậy ở đây ta lựa chọn giải pháp thiết kế là: Thiết kế hệ khi nâng thực

z   cho tất cả các ,

hiện trên tọa độ u,v,w sau đó chuyển vị điều khiển sang tọa độ

chế độ vận hành

4.2.1. Thiết kế điều khiển theo phương pháp tựa phẳng.

Chọn biến phẳng và chứng minh điều kiện phẳng

Với hệ bánh đà - ổ từ như mô tả tại (2.11) và (2,12), ta chọn biến đầu ra phẳng



z ;

như sau:

u 2

i 2u 

 . 3 m

(a)



z ;

v 2

i 2v 

 . 3 m



z ;

(4.25) (b)

i 2 w  z

 . 3 m

(c)

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

,u v w và



u v w ) ,

j1z

j 2z

Trong đó là vị trí bánh đà tại các góc (

(



u v w , )

tỷ lệ với căn bậc hai của gia tốc gây bởi nam châm điện phía trên của ổ

từ ở các góc tương ứng. Trước hết ta phải chứng minh các tính chất phẳng được thỏa

mãn:

jz và dòng điện

2ji

j 1z

j 2z

- Vì là các biến độc lập, hai biến ra phẳng và là độc

lập vi phân.



;

 z





j 2





(4.26)





 z

  g

j 2









m  . 3 

- Từ (2.2), (2.3) và (4.25) viết được:



m  . 3

 z

Như vậy tất cả các biến trạng thái và điều khiển của hệ thống (4.25) có thể biểu

 z j1



. Theo [29], [55] và diễn theo các biến phẳng và đạo hàm của nó 

[56] hệ (4.26) là hệ phẳng với các đầu ra phẳng được định nghĩa theo (4.3). Ta thấy

j1i

rằng biểu thức của chỉ có nghĩa nếu vế phải không âm. Ràng buộc này sẽ được

z ( ), t

t ( )

đưa vào khi thiết lập quỹ đạo phẳng.



bắt đầu Thiết lập quỹ đạo đặt với điều kiện“liên kết dòng điện” Quỹ đạo phẳng là một cặp quỹ đạo cho hai biến phẳng 

 z

 0 z , ( )

z 0 z 0 ( ), ( ) j1

j1 0 ( ))



( ),

có thể đã biết, và tiến tới điểm , với ( từ điểm 

T 



 0 ,

z T z T ( ), j1

 z T j1

Tz ( ) j1



 ( ) ,



cũng có thể đã biết. với 

Để khắc phục nhược điểm luôn có dòng điện lớn qua cuộn dây cả hai nam châm,

quỹ đạo được lập sẽ thêm điều kiện ràng buộc để không có các dòng điện tiền từ hóa

(premagnetization) I0, tức là khi một cuộn dây làm việc - dòng điện qua cuộn dây

khác không - thì dòng điện của cuộn còn lại bằng không. Đặc tính này gọi là “điều

0 thì dẫn đến

0 và như vậy (cid:1861)(cid:2869) tồn tại nếu

j 2z

kiện liên kết dòng điện”. Nó được xem như là một sự ràng buộc giữa các đầu ra phẳng.

Theo (5), dễ nhận thấy rằng khi j 2i

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ



 z

  g

  g

0 làm cho

j 1i

 và chỉ nếu j 1z

j 2



2

. Mặt khác, và như vậy

  g

 j1z

 0 ; z

  g

 z

(4.27)

   



j 1

j 1  z

 z

;

  g

j 1

      g 

. Do đó, điều kiện liên kết dòng điện sẽ là:

z  j1

Trong đó  được gọi là hàm liên kết. Các điểm thỏa mãn điều kiện tại

đó cuộn dây thứ nhất chuyển từ trạng thái làm việc (có dòng) sang trạng thái nghỉ (tắt

dòng) và cuộn dây thứ hai ngược lại thì gọi là điểm ngắt.

j 1z

 z

có thể là một hàm theo thời gian bất kỳ, ít nhất khả vi bậc 2, và sau đó tính

 z j1

j 2z



toán theo theo (4.25). Các dòng điện đặt được tính toán từ 

(4.26). Quá trình xây dựng quỹ đạo đặt cần xét đến các ràng buộc sao cho biên độ

j 1

j 2

cũng như tốc độ biến thiên của các dòng điện phải là hữu hạn.

j 1z

Trong [55] đã chứng minh rằng nếu quỹ đạo đặt được chọn sao cho giới hạn

j 2z

trái tại điểm ngắt của là hữu hạn thì tốc độ thay đổi của các dòng điện 1i và 2i tại

các điểm ngắt cũng là hữu hạn. Đối với hệ (4.25) quỹ đạo đặt được xây dựng với mục

tiêu di chuyển vật từ một điểm xác lập này tới điểm xác lập khác (điểm nghỉ tới điểm

t  từ một vị trí bất kỳ

e , với

  0 ,

  0



nghỉ). Quỹ đạo bắt đầu tại thời điểm

( ),

T ( )

e , với

 0

 jz

z T j1

j1z

, và tiến tới điểm kết thúc có vị trí bất kỳ

   z T  j1



 z

T ( )

   z

0 ( )

   z

T ( )

Với điều kiện là tính liên tục và tốc độ thay đổi hữu hạn của dòng điện tại các

 z 0 ( ) j1

t ( )

0

điểm đầu và cuối dẫn tới: . Ngoài ra, tại điểm

T (0,

)

 j1z

ngắt sẽ có điều kiện là , với mọi .

t T  là:

j1z t với0 ( )

(4.28)

  t

  a t i

 i 0

Dạng tổng quát của quỹ đạo

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

với bậc nhỏ nhất phải là 7 để thỏa mãn 8 điều kiện ràng buộc (4 điều kiện cho

jz ,

i và i j1

j 2

điểm đầu và 4 điều kiện cho điểm cuối). Quỹ đạo đặt cho phải tường

j1z

minh và có giới hạn trên toàn quỹ đạo, bao gồm các điểm ngắt, đặc biệt phải khả

vi liên tục tới bậc 4. Hơn nữa, do có các điểm ngắt và để thỏa mãn các điều kiện ràng

buộc tại các điểm đó thì quỹ đạo thực sẽ là tập hợp của các đoạn quỹ đạo gián đoạn.



 ,

  ,











   , T z T z T z T 1 1



(4.29)







 z T j1 2

  , z T j1 2

   , , z T z T T j1 1

T , 2



Các điều kiện ràng buộc cho mỗi đoạn quỹ đạo thể hiện dạng véc tơ như sau:

 

1z t thỏa mãn điều kiện ràng buộc tại điểm đầu 1T ta có các

Khi quỹ đạo đặt

 z

(4.30)

 z

   t    t    t

  

 z T j1 1   z T j1 1  T 1

  z

   t



 

   z T j1 1

 

phương trình đại số dưới đây:

Tương tự cho điểm cuối 2T . Giải hệ phương trình này tìm được vectơ hệ số của

t và từ (4.25) có quỹ đạo đặt ( )

j1z

t ( ).

đa thức quỹ đạo đặt tổng quát của các biến phẳng

j 2z

tổng quát của các biến phẳng

Sau khi có quỹ đạo tổng quát thì cần xác định các điểm ngắt. Các điểm ngắt là

t  ( )

 j1z

t ( )

0

các điểm có , và với điều kiện để dòng điện tại điểm ngắt có giới hạn thì

 j1z



t 20.

a 4

a t . 7

 12



a t . 6 Y

(4.31)





120

210

a t . 7



 

4 Y

a t . 5 Y

a t . 6 Y

   t 

. Như vậy tại các điểm ngắt sẽ có:

Giải hệ phương trình này sẽ được các nghiệm thực trong khoảng 0 t T  là

các điểm ngắt. Với các điểm ngắt đã xác định, cần xây dựng tập hợp các đoạn quỹ

đạo gồm đoạn quỹ đạo từ điểm xuất phát tới điểm ngắt đầu tiên, điểm ngắt tới điểm

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

ngắt kế tiếp và điểm ngắt cuối tới điểm kết thúc. Tất cả các đoạn quỹ đạo này đều

phải thỏa mãn vectơ điều kiện (4.30) tương ứng. Giải hệ (4.31) với các vectơ điều

kiện ràng buộc (4.30) cho từng đoạn quỹ đạo sẽ tìm được đa thức của từng đoạn. Quỹ

đạo đặt thực sẽ là tổ hợp của các đoạn quỹ đạo rời rạc đi qua các điểm ngắt đã xác

định.

Thiết kế các bộ điều khiển

a. Khâu truyền thẳng (tạo quỹ đạo đặt)

t ,( )

t , từ (4.26) xây dựng khâu tính ( )

j 2z

Sau khi có các đa thức quỹ đạo đặt

j1i và * j 2i

toán các dòng điện đặt * hay có thể gọi là bộ điều khiển truyền thẳng như

u1z

u1i

h n ê k

D ò n g

t ặ đ

* u1z

đ ặ t

m  3.

o ạ đ

u 2i

k ê n h

ỹ u Q

* u 2z

v1z

v1i

h n ê k

D ò n g

t ặ đ

v1z

m  3.

o ạ đ

v 2i

đ ặ t k ê n h

ỹ u Q

* v2z

w1z

* w1i

w1z

m  3.

* w2i

D ò n g đ ặ t k ê n h w

w h n ê k t ặ đ o ạ đ ỹ u Q

w2z

hình 4.4.

Hình 4.4. Bộ điều khiển truyền thẳng (tính toán dòng điện đặt).

b. Khâu bù sai lệch quỹ đạo đặt.

Bộ điều khiển truyền thẳng có vai trò xác định tín hiệu điều khiển cần có để hệ

(2.27) có đầu ra bám theo quỹ đạo mong muốn đã được thiết lập. Tuy nhiên nếu hệ

chỉ có bộ điều khiển truyền thẳng và bộ điều chỉnh dòng điện ở vòng trong thì vẫn sẽ

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

có sai lệch giữa quỹ đạo đặt và vị trí thực. Sai lệch này là do một số yếu tố như là mô

hình của hệ là không hoàn toàn chính xác, hay các điều kiện khả vi tối thiểu bậc n

không đạt được, trong trường hợp này là mô hình ổ từ không hoàn toàn chính xác do

điện cảm của các cuộn dây nam châm thay đổi khi vị trí bánh đà thay đổi và mạch

vòng dòng điện chỉ là khâu vô sai cấp 1. Bởi vậy cần phải bù thêm ở đầu vào một

* z ( j1

* )z j2

lượng tương ứng với sai lệch ở tín hiệu ra. Với quỹ đạo đặt là , cần phải



(

thiết kế một bộ điều khiển phản hồi trạng thái sao cho sai lệch quỹ đạo

z  j1

* j1

j 2

* ) j 2

( )

tiến tới không. Thực tế trong hệ này ta cần sai lệch quỹ đạo của

j1z t là vị trí của góc bánh đà thỏa mãn:

 z

(

)

(

 z

)

(4.32)

*    k z j1 0 j

*   z j1

k 1 j

 z j1

* j1

các biến phẳng thứ nhất

0 jk

1 zk

s ( )

2   s

 là Hurwitz. Để duy trì điều kiện liên kết dòng điện thì luật

P 2

k 1 j

k 0 j

Theo [54], và là các số thực sao cho đa thức đặc trưng bậc hai









  A z z

 ;

j 1

j 2

m  . 3



khi

  A z z



(4.33)







0 i ,



  A z z





j 1

j 2

  i     i 



m  3 .   A z z khi





điều khiển khi có khâu bù là:

(4.34)

 z

 k 0 j

k 1 j

*  z j1

  A z z ,j





 *   z j1



 *     g z j1





Trong đó:

Và khi đó hệ đạt được: điều kiện liên kết dòng điện, sai lệch quỹ đạo của biến

t là tắt dần và thỏa mãn (4.32), sai lệch quỹ đạo của biến phẳng thứ hai ( )

j1z

t tiến tới zero khi t   . ( )

j2z

phẳng

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

4.2.2. Thiết kế điều khiển quá trình nâng lên vị trí cân bằng.

e

)

  e (



rất xa điểm Đặc điểm của trạng thái khởi động này là (

cân bằng và cấu trúc ổ từ không thỏa mãn các điều kiện tuyến tính hóa. Với phương

pháp điều khiển tuyến tính ở chương 3 đã nhận thấy rằng để nâng bánh đà từ vị trí

cực hạn dưới lên vị trí cân bằng không thể thực hiện với bộ điều khiển tuyến tính.

Mặt khác, với đặc điểm của điều khiển tựa phẳng, đặc biệt với trường hợp quỹ đạo

của biến ra có dạng “điểm nghỉ tới điểm nghỉ”, ta thấy rằng có thể thiết kế để bánh

đà (đầu ra của ổ từ) di chuyển từ điểm cực hạn dưới (điểm nghỉ) tới điểm cân bằng

(điểm nghỉ).

Tính toán các quỹ đạo đặt

Với cơ cấu bánh đà đã thiết kế có khe hở từ khi bánh đà ở vị trí cân bằng là

1mm, tuy nhiên để bánh đà không va vào bề mặt nam châm điện khi hoạt động, có

cơ cấu chặn cơ khí có độ dày 0,1mm. Do vậy, khoản cách lớn nhất từ bánh đà tới



(0)

0.9

điểm cân bằng là 0,9mm. Để thực hiện quá trình nâng lên vị trí cân bằng, quỹ đạo

( ) 0



mm với thời gian

mong muốn là dịch chuyển từ điểm cực hạn dưới tới điểm cân bằng

jz T

. Với điểm đầu và điểm cuối của dịch chuyển

mong muốn như vậy, điều kiện liên kết dòng điện và các điều kiện ràng buộc về tín

(4.35)

  (

0 0009 0 0 0 0 0 0 0 0 0 02 ) .

, , , , ,

, , ,

, .

hiệu điều khiển được thể hiện bằng vectơ:

Tính toán (4.30) theo điều kiện (4.35) được vector hệ số của đa thức quỹ đạo

t 

0.01178;

t ( )

j 1z

đặt . Theo (4.30) xác định được quỹ đạo này có hai điểm ngắt tại 1

0.01723

t  2

. Như vậy quỹ đạo đặt sẽ gồm 3 đoạn với vectơ điều kiện cho các đoạn:

j1Y

(4.36)

6 -





(- .

0 000281 0 0869 g 0 , - .

, , ,

6 78 1

j 2

(4.37)

0 0108 g 0 0 01178 0 - . , ,

01723

)

   ( 0 0009 0 0 0 . , , , , 0 00028 . ,  0 0896 g 0 0 0 01178 . , , , . , )

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

6 -





0 ( ,

6 78 .

0 0108 g 0 - . ,

j 3

(4.38)

, ,

0 0 0 0 0 01723 0 , . ,

)

Tính toán theo (4.30) với các vectơ điều kiện (4.36), (4.37), (4.38) được các

vectơ hệ số của 3 đoạn quỹ đạo. Tổ hợp các đoạn quỹ đạo trên được quỹ đạo đặt thực

t đi qua các điểm ngắt và theo (4.33) xác định được

j1z

của biến phẳng thứ nhất **( )

t .

j2z

quỹ đạo tương ứng của biến phẳng ** ( )

Thiết lập mô phỏng điều khiển tựa phẳng cho hệ đối xứng

Sau khi xác định qũy đạo đặt, kết hợp với khâu tính toán dòng điện đặt như hình

4.4, và ổ từ như hình 2.22, ta có cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng cho hệ bánh đà – ổ

từ như hình 4.5. Trong đó bộ biến đổi gồm cả hai mạch vòng dòng điện cho hai cuộn

i1u

1ui

Gci

u1z u1z

(4.33)

(2.2)

(4.28)

z

i2u

2ui

Gci

u1z

Tính iu

Lập quỹ đạo u

1vi

i1v

Gci

(4.33)

u1z v1z

(4.28)

(2.2)

x

θx

i2v

2vi

1 s2

dây nam châm như hình 6.27 phần phục lục, ổ từ - bánh đà có cấu trúc như hình 2.22.

M

S-1

R

Gci

v1z

Tính iv

Lập quỹ đạo v

1wi

i1w

w1z w1z

Gci

(4.33)

(4.28)

(2.2)

i2w

y

2 wi

θy

w1z

Gci

Tính iw

Lập quỹ đạo w

Hệ điều khiển vị trí (DSP)

Ổ từ

Bánh đà và cảm biến

Hình 4.5. Cấu trúc điều khiển tựa phẳng cho hệ đối xứng.

Kết quả mô phỏng.

Để kiểm nghiệm việc tính toán thiết kế quỹ đạo, thực hiện mô phỏng cho hệ

bánh đà – ổ từ theo cấu trúc như hình 4.5. Do hệ đối xứng nên chỉ cần biểu diễn kết

quả chung như hình 4.6 và 4.7.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

(10-4m)

z1 10

z** 1 z* z* z* z*

0 z2 6

z** 2 z* 2

0.004

0.008

0.012

0.016

0.02

(s) t

z và

z ,

j 2

z (10-4m) 10

zđặt zthực

0.004

0.008

0.012

0.016

0.02

(s) t

Hình 4.6. Quỹ đạo đặt

Hình 4.7. Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực khi chưa có khâu bù sai lệch mô hình.

t ,

z 12 ( )

z t là tập hợp 3 đoạn quỹ đạo 1 ( )

z 11( )

t tổng quát. Hai quỹ đạo này gần như

z 13( )

t đi qua các điểm ngắt và quỹ đạo đặt ** z 1 ( )

Hình 4.6 cho thấy quỹ đạo đặt thực *

2z - có liên hệ trực tiếp tới dòng điện đặt 2i -

trùng nhau. Đối với biến phẳng thứ hai *

1z không có tốc độ tăng đột biến tại các điểm ngắt như

2z nên đảm bảo yêu cầu về tốc độ tăng dòng là hữu hạn.

quỹ đạo đặt tính toán lại theo *

Khi chưa có bù trạng thái, vẫn tồn tại sai lệch vị trí khi kết thúc quỹ đạo đặt như

hình 4.7. Đoạn giữa quỹ đạo là đoạn tốc độ tăng nhanh nên có sai lệch giữa quỹ đạo

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

thực và quỹ đạo đặt. Sai lệch này là do dòng điện – là một biến trạng thái – chưa bám

hoàn toàn theo dòng đặt. Do vậy bộ điều chỉnh phản hồi trạng thái theo (4.34) sẽ được

u1i

u1z



u1z

| |

k1u

m  3.

u 2i

u1z



k0u

u1z

v1i

v1z



v1z

| |

k1v

m  3.

v 2i

v1z



k0v

1vz

w1i

w1z



w1z

| |

k1z

m  3.

w2i

w1z



k0z

w1z

bổ sung để bù sai lệch quỹ đạo di chuyển của bánh đà như hình 4.8.

u1i

u1z

Gci

z

 A z



(4.28)

(4.34)

(4.33)

o ạ đ ỹ u q

2.11(a) 2.12(a)

u 2i

u1z

p ậ L

Gci

Hình 4.8. Khâu bù sai lệch mô hình.

Hình 4.9. Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mô hình cho ổ từ góc u.

,v w

Sau khi đã thiết kế thêm khâu bù như hình 4.9 cho ổ từ góc u , các góc

tương tự. Thực hiện mô phỏng điều khiển để xác định thông số làm việc phù hợp

cũng như đánh giá chất lượng điều khiển với điều khiển tựa phẳng.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

z (10-4m) 10

zđặt zthực

(a)

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

(s) t

U (V) 50

U1 U2

-50 L (H) 0.6

L1 L2

0.4

0.2

(b)

0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

(s) t

(A)

i 2

1.5

i1đặt i1thực

0.5

i2đặt i2thực

(c)

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

(s) t

Hình 4.10. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng

với nguồn 50VDC.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

(10-4m)

z 10

zđặt zthực

(a)

(s) t

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

U (V) 100

U1 U2

-50

-100

L (H) 0.6

L1 L2

0.4

0.2

(b)

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0 0

(s) t

(A)

1.5

i1đặt i1thực

0.5

i2đặt i2thực

(c)

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

(s) t

Hình 4.11. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng

với nguồn 80VDC.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

z (10-4m) 10

zđặt zthực

(a)

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

(s) t

U (V) 100

U1 U2

-50

-100

L (H) 0.6

L1 L2

0.4

0.2

(b)

(s) t

0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

(A)

1.5

i1đặt i1thực

0.5

i2đặt i2thực

(c)

(s) t

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

Hình 4.12. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng

với nguồn 100VDC.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Hình 4.10 là kết quả mô phỏng với nguồn cấp cho bộ khuyếch đại công suất là

50VDC. Vị trí thực có sai lệch khoảng 3% so với vị trí đặt. Bộ khuyếch đại công suất

đã bão hòa nhưng dòng điện (tạo ra lực nâng) vẫn đáp ứng kém so với dòng điện đặt.

Quan sát dạng dòng điện và điện áp cho thấy điện áp nguồn cấp còn thấp nên bộ

khuyếch đại công suất bi bão hòa.

Hình 4.11 là kết quả mô phỏng với nguồn cấp cho bộ khuyếch đại công suất là

80VDC. Vị trí thực vẫn có sai lệch nhỏ so với vị trí đặt. Bộ khuyếch đại công suất

vẫn có hiện tượng bão hòa tại các điểm ngắt của quỹ đạo.

HÌnh 4.12 là kết quả mô phỏng với nguồn cấp cho bộ khuyếch đại công suất là

100VDC. Vị trí thực hầu như bám theo quỹ đạo vị trí đặt. Bộ khuyếch đại công suất

chỉ bão hòa ở thời điểm bắt đầu di chuyển. Dòng điện thực gần chính xác so với dòng

điện đặt. Sai lệch dòng điện là do các thông số cố hữu của mạch vòng dòng điện,

không thể khử hoàn toàn.

Với các mô phỏng điều khiển tựa phẳng cho ổ từ, có thể thấy rõ nhiều ưu điểm

với phương pháp điều khiển tuyến tính:

- Ổ từ luôn nâng được bánh đà từ vị trí cực hạn dưới tức là luôn thực hiện

được trạng thái khởi động (flying-up). Đây là điểm mà hệ điều khiển tuyến

tính không thực hiện được.

- Thời gian tác động nhanh hơn điều khiển tuyến tính.

- Dòng điện thực tế qua các cuộn dây của ổ từ nhỏ hơn do không có dòng

điện I0.

- Mức điện áp nguồn cấp cho bộ khuyếch đại công suất cũng nhỏ hơn (bằng

40%) so với điện áp để hệ có thể làm việc với điều khiển tuyến tính.

4.2.3. Thiết kế điều khiển duy trì ở vùng vị trí cân bằng.

Sau khi bánh đà được nâng từ vị trí nghỉ ban đầu lên vị trí cân bằng, trạng thái

làm việc tiếp theo là duy trì bánh đà ổn định ở vị trí cân bằng trong suốt quá trình làm

việc. Đối với hệ điều khiển tuyến tính thì giai đoạn khởi động và giai đoạn duy trì

hoàn toàn không phân biệt đối với bộ điều khiển về mặt tác động, chỉ phân biệt bởi

tín hiệu đặt. Khi tín hiệu đặt duy trì là zero (điểm giữa ổ từ) thì bánh đà tự được duy

trì ở điểm này nếu đáp ứng của bộ điều khiển thỏa mãn.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Tuy nhiên đối với phương pháp tựa phẳng, hệ phải luôn “đi” theo một quỹ đạo

được thiết lập. Hay nói cách khác cần phải tạo được quỹ đạo để bánh đà “đứng yên”

ở điểm giữa ổ từ. Với đặc điểm của hệ bánh đà – ổ từ như đã nêu trên là hệ kiểu “rest

to rest” thì vị trí đặt phải luôn thay đổi tức là cần có quỹ đạo, nhưng yêu cầu của hệ

bánh đà là giữ vị trí ổn định. Giải pháp đề ra là tạo quỹ đạo biến thiên đủ nhỏ để tạo

(10-4m)

zj 10

zđặt zthực

Đoạn nâng lên vị trí cân bằng

Đoạn duy trì

(a)

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

(s) t

(A)

ij1 1.5

ij1đặt ij1thực

Đoạn nâng lên vị trí cân bằng

0.5

0 ij2 6

ij2đặt ij2thực

Đoạn duy trì

(b)

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

(s) t

dòng điện tức là có lực tác động lên bánh đà đủ để duy trì vị trí ổn định.

Hình 4.13. Vị trí (a), dòng điện (b), của ổ từ

Hình 4.13 thể hiện chuyển động của bánh đà từ vị trí ban đầu cách 0,9mm về

điểm giữa ổ từ, sau đó tiếp tục với các đoạn quỹ đạo di chuyển quanh điểm cân bằng

,m tuy vậy do quán tính của hệ nên biên độ chuyển

với biên độ quỹ đạo đặt là 1

động thực của bánh đà nhỏ hơn nhiều. Khi đó dòng điện đặt có dạng xung rất hẹp và

do có điện cảm cuộn dây làm cho dòng điện thực của nam châm có dạng chỉ mấp mô

nên lực tác động lên bánh đà mềm hơn làm cho bánh đà chỉ “rung nhẹ” chứ không

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

hoàn toàn chạy theo quỹ đạo đặt. Điều này cũng phù hợp với yêu cầu giữ bánh đà

“đứng yên” trong vùng này. Trong khoảng này cũng thấy rõ hơn sai lệch giữa vị trí

đặt và vị trí thực. Nguyên nhân là do dòng điện thực không bám hoàn toàn theo dòng

điện đặt nên gây sai lệch mô hình.

Hình 4.14 cho thấy vị trí của bánh đà sau khi nâng đến vị trí cân bằng (flying-

(10-4m)

zj 10

zjđặt zjthực

(a)

Fjd (N)

Fjd

(b)

(s) t

0.05

0.1

0.15

up), duy trì vị trí ổn định và đáp ứng khi có lực nhiễu tác động cân bằng ở cả 3 góc.

Hình 4.14. Vị trí các góc (a) khi có lực nhiễu cân bằng tác động (b).

4.2.4. Thiết kế bù nhiễu bằng bộ bù feedforward.

Kết quả mô phỏng như hình 4.14 cho thấy rằng khi có nhiễu tác động thì hệ với

bù sai lệch mô hình thì đầu ra vẫn có sai lệch đáng kể. Để bù sai lệch do nhiễu tác

động ta dùng cấu trúc điều khiển có khâu bù feedforward như hình 4.15.

Tạo quỹ đạo



 f x u ,



dx dt

u t ( )





*( ) y t

dy dt

l d y l dt

   

  



ffu

du dt

l d u l dt

 y F x u  

  

       

fbu

( )

Hình 4.15.Cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng với khâu bù nhiễu feedforward..

dF là lực nhiễu ngoài tác động vào đối tượng, FF là khâu bù

Trong đó

feedforward có đầu vào là nhiễu tác động. Tuy nhiên, thực tế với cơ cấu bánh đà thì

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

lực nhiễu không đo được, lực này sinh ra khi động cơ/máy phát có tác động nạp/xả

năng lượng cho bánh đà. Do vậy ta chỉ có thể ước lượng lực nhiễu. Theo (2.2) và (2.3)







(

 z

  ) g

ta có thể xác định lực nhiễu tác động theo biểu thức (4.39):

m 3

2 j1  z

(

)

2 j 2  z

)

    

    

,m ,

(4.39)

e là các thông số hệ thống đã xác định,

,j 1

j 2

Trong đó: và z đã đo được

jdF . Tuy nhiên, tín hiệu ra điều khiển gồm hai dòng điện

nên có thể ước lượng được

*,j 1 i

j 2

phải phù hợp với trạng thái tác động luân phiên nên tín hiệu bù cho * j1i hay * j2i

của hệ. Ta có cấu trúc bù feedforward được thiết kế như hình 4.16.

Hình 4.16. Khâu bù nhiễu feedforward.

Hình 4.17 là kết quả mô phỏng khi có khâu bù feedforward. Đầu ra gần như

(10-4m)

zj 10

zjđặt zjthực

(a)

Fjd (N)

Fjd

(b)

(s) t

0.05

0.1

0.15

bám theo tín hiệu đặt cho dù có nhiễu.

Hình 4.17. Vị trí (a) và lực nhiễu tác động (b) khi hệ có bù feedforward.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Tuy nhiên, khi có nhiễu không đối xứng tác động (ví dụ chỉ có lực tác động ở

góc u) thì bánh đà đã bị đẩy khỏi vị trí cân bằng và không phục hồi được như hình

4.18. Sở dĩ có hiện tượng này là do chuyển động của bánh đà có tính xen kênh nhưng

cấu trúc điều khiển phi tuyến tựa phẳng đã áp dụng trên hệ tọa độ u, v, w chưa xét

zu (10-3m) 1

-1 zv (10-3m) 1

-1 zw (10-3m)

-1 Fdu (N)

10 5 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

(s) t

đến yếu tố này.

Hình 4.18. Vị trí các góc u, v, w của bánh đà khi có nhiễu không đối xứng.

4.3. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ trong hệ z, θx, θy

u v w như trên, và phương án

Từ đặc điểm xen kênh khi điều khiển theo hệ

)

y  như đã đề xuất, ta sẽ thực hiện thiết kế điều khiển theo

điều khiển trên hệ (z,

)

y  để đánh giá chất lượng.

nguyên lý phẳng trên hệ (z,

4.3.1. Điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân bằng.

z   độc lập với nhau và ,

Từ (2.7), (2.19), (2.20 và (2.21) ta thấy các biến

M M được điều khiển độc lập bởi các ổ từ giả định.

zF cũng như mô men

các lực

z   hoàn toàn tương tự như với một ổ từ. ,

Như vậy ta có thể áp dụng quy trình thiết kế điều khiển phẳng cho mỗi biến ra trong

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Thiết kế điều khiển chuyển động theo trục z .

Chuyển động tịnh tiến theo trục z là chuyển động nâng hạ bánh đà theo phương

u v w như mục 4.2 đã thiết

thẳng đứng. Như vậy hoàn toàn giống với các ổ từ góc

kế điều khiển. Do vậy thiết kế điều khiển cho chuyển động nâng theo trục z bao gồm

đoạn nâng từ điểm nghỉ đến điểm cân bằng và sau đó duy trì ở điểm cân bằng cũng

tương tự như các ổ từ góc, điểm khác biệt là ổ từ trục z nâng cả khối lượng m của

1zi



1z 1z

| |

k1z

m 

2 zi



k0z

bánh đà.

Hình 4.19. Khâu bù sai lệch mô hình và tính toán dòng điện cho trục z.

Thiết kế điều khiển các góc nghiêng θx, θy

Với cấu hình hệ bánh đà – ổ từ đã chọn như hình 1.13, bánh đà coi như luôn

y  có các đặc điểm:

nằm ngang cả ở vị trí nghỉ ban đầu. Do vậy, chuyển động

y  không có đoạn đưa về vị trí cân bằng như chuyển

- Chuyển động của

động theo z.

- Động học của chuyển động quay không có thành phần trọng trường như

chuyển động nâng.

y  về cơ bản cũng tương

Với các đặc điểm như trên, thiết kế điều khiển cho

tự nhưng có một số điều chỉnh như sau:

g  ) trong các biểu thức.

- Không có thành phần gia tốc trọng trường (thay

y  luôn ở lân cận điểm cân bằng và không có thành phần trọng trường

- Do

y  chỉ là hàm bậc 5 (để xác định 3 điều kiện ràng buộc ở điểm đầu và 3

nên bỏ qua yêu cầu hạn chế sự biến thiên gia tốc. Vì vậy quỹ đạo đặt của

điều kiện ràng buộc ở điểm cuối) thay vì bậc 7 như chuyển động theo z. Các

thủ tục thiết kế quỹ đạo đặt tương tự.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Tương tự chuyển động z , ta có cấu trúc bù mô hình và tính toán dòng điện đặt

x như hình 4.18, chuyển động y tương tự

x .

1 xi 



1x 1x

| |

k1x

xJ 

* 2 x

i 

1x



k0x

1x

cho chuyển động

x

Hình 4.20. Khâu bù và tính toán dòng điện đặt cho chuyển động

z   như trên, toàn bộ cấu trúc điều khiển phẳng cho hệ bánh đà ổ từ trong hệ ,

z   thể hiện như hình 4.21 dưới đây: ,

Từ các thiết kế quỹ đạo và tính toán dòng điện điều khiển cho các chuyển động

S

* i1z

* i1u

i1u

Gci

(4.33)

1z 1z

(2.2)

(4.28)

z

i2u

Gci

* i1x

1z

* i1v

Tính iz

Lập quỹ đạo z

F

* i1y

* i1w

i1v

Gci

(4.33)

x x

(4.28)

(2.2)

x

θx

i2v

1 s2

M

S-1

R

Gci

* i2z

* i2u

x

Tính ix

Lập quỹ đạo θx

i2x

* i2v

i1w

F

y y

Gci

(4.33)

(4.28)

(2.2)

y

i2y

i2w

θy

i2w

y

Gci

Tính iy

Lập quỹ đạo θy

Hệ điều khiển vị trí (DSP)

Ổ từ

Bánh đà và cảm biến

z   , ,x y

Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển phẳng hệ ổ từ chủ động trong hệ

4.3.2. Duy trì bánh đà ở vị trí cân bằng.

Ở giai đoạn này, chỉ có chuyển động nâng theo trục z chuyển từ quỹ đạo flying

sang quỹ đạo kiểu duy trì. Phương thức thực hiện hoàn toàn tương tự như đã thực

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

hiện với ổ từ đơn ở mục 4.2.2. Hai chuyển động quay quanh trục x và y vẫn duy trì ở

trạng thái cân bằng từ khi bánh đà bắt đầu hoạt động.

(10-4m)

z 10

(10-4rad)

0 θx 1

θx

(10-4rad)

-1 θy 1

θy

-1

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

1.8

(s) t

z (10-4m) 10

zu zv zw

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

1.8

(s) t

ω (rad/s)

2000

Duy trì

1500

Xả năng lượng

1000

500

Nạp năng lượng

Nhiễu góc u Nhiễu góc v Nhiễu góc w

-10

-20 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

1.8

(s) t

4.3.3. Mô phỏng điều khiển phi tuyến hệ bánh đà ổ từ.

z   (b) khi nhiễu tác động lên bánh đà (c) ,

, z , z v

Hình 4.22. Vị trí (a);

trong một quá trình hoạt động của hệ truyền động động cơ – bánh đà

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho ổ từ trong hệ TĐ ĐC-BĐ

Hình 4.20 thể hiện kết quả mô phỏng một quá trình hoạt động của bánh đà với

các giai đoạn được thực hiện:

- Hệ ổ từ nâng bánh đà từ vị trí ban đầu là vị trí nghỉ tới vị trí cân bằng.

- Sau khi bánh đà đã được nâng lên và duy trì thành công ở điểm cân bằng

thì bắt đầu nạp năng lượng cho bánh đà. Bánh đà được tăng tốc lên tốc độ

2000rad/s. Trong thời gian này có nhiễu cơ học do động cơ điện tác động

vào bánh đà (không kể mô men quay).

Kết quả cho thấy:

- Ổ từ nâng được bánh đà từ vị trí nghỉ lên vị trí cân bằng. Chức năng này

hệ điều khiển tuyến tính không thực hiện được.

- Khi bánh đà quay và đồng thời có nhiễu tác động thì bánh đà có dao động

nhưng rất nhỏ so với giới hạn làm việc cho phép.

4.4. Kết luận, đánh giá.

Phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên nguyên lý phẳng đã được xây dựng

cho hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động. Từ quá trình thiết kế

điều khiển có thể thấy rằng phương pháp phẳng với điều kiện liên kết dòng điện khi

lập quỹ đạo mong muốn cho phép dùng mô hình phi tuyến của ổ từ chứ không phải

mô hình tuyến tính. Kết quả cho thấy ổ từ có thể làm việc trong toàn giải đặc tính làm

e , chứ không chỉ lân cận quanh điểm cân bằng, z

e so với

việc cho phép, z

phương pháp điều khiển tuyến tính..

Với điều kiện liên kết dòng điện, hệ làm việc chỉ với một cuộn dây tại mỗi thời

điểm và dòng điện thực qua cuộn dây nam châm cũng chính là dòng điện điều khiển

mà không phải duy trì một dòng điện lệch I0 qua cả hai cuộn dây. Do đó giảm được

phát nóng của cuộn dây cũng như lõi thép, đồng thời giảm được đáng kể công suất

100

điều khiển và cho phép thiết kế mạch công suất có thông số thấp hơn.

Chương 5: Thực nghiệm

5. CHƯƠNG 5

THỰC NGHIỆM

Mở đầu:

Từ các nghiên cứu về động lực học ở chương 2 và kết quả chương 3 và chương

4 thiết kế điều khiển tuyến tính hóa và điều khiển phi tuyến cho ổ từ trong hệ truyền

động bánh đà ổ từ và mô hình thử nghiệm đã được thiết chế tạo. Trong chương 5 sẽ

đi thực nghiệm kiểm chứng các thuật điều khiển đã thiết kế trên mô hình thử nghiệm

TĐBĐ-OT.

5.1. Mô tả cấu hình thí nghiệm

Cấu hình thí nghiệm được xây dựng theo cấu trúc điều khiển như hình 2.6 với

các thiết bị thử nghiệm đã thiết kế chế tạo ở như đã giới thiệu ở phần phụ lục. Các bộ

phận chính của thiết bị thí nghiệm như hình 5.1.

Hình 5.1. Cấu hình hệ thí nghiệm.

5.2. Trình tự thực hiện thí nghiệm:

5.2.1. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển hệ ổ từ.

Theo cấu hình thí nghiệm đã thiết kế, phần điều khiển vị trí cho hệ bánh đà - ổ

từ được thực hiện bằng nền tảng DSP gồm phần cứng là card dS-1104 với công cụ

ControlDesk, luật điều khiển được xây dựng trên Matlab và biên dịch để chạy thử

nghiệm trên dS-1104. Để thử nghiệm các phương pháp điều khiển đúng như đã thiết

kế, mô phỏng ở các chương trước, một yếu tố quan trọng là phải ghép nối và cấu hình

101

đúng các đầu vào/ra của dS-1104.

Chương 5: Thực nghiệm

Trong hệ này, các tín hiệu ghép nối giữa hệ DSP và đối tượng điều khiển gồm:

a. Tín hiệu vào:

- Loại tín hiệu: tương tự

- Số lượng: 03

b. Tín hiệu ra:

- Loại tín hiệu: tương tự

- Số lượng: 06

Ghép nối các cảm biến đo vị trí với DSP.

a. Các thông số của bộ cảm biến đo vị trí:

- Dải đo: 2mm

- Đầu ra: 0-5V (có thể hiệu chỉnh)

b. Chọn kênh ghép nối: Với 3 bộ cảm viến vị trí đo 3 góc u, v, w chọn 3 kênh

DS1104ADC-C5 đến DS1104ADC-C7 để ghép nối cho mỗi kênh tương ứng.

c. Thiết lập cấu hình chuyển đổi: thực chất của việc ghép nối là sử dụng bộ

chuyển đổi tương tự sang số để chuyển đổi từ điện áp ra của cảm biến thành

thông tin vị trí trong Matlab/ControlDesk. Với dải đo/chuyển đổi là 4V/2mm

u(1)*2000/4

sign

Hệ số

Quy đổi

DS1104ADC_C5

zu_thực

Đảo dấu

E_thực

0.5

Khe hở thực

Vị trí giữa dải đo

ta thiết lập cấu hình cho mỗi kênh vào như hình 5.2:

Hình 5.2. Cấu hình kênh vào đo vị trí cho dS-1104.

Trong đó:

- Hệ số: có giá trị bằng 10 theo thông số của dS-1104

m

- Quy đổi: là hàm để chuyển đổi theo thang 4 / 2000

- Khe hở thực: là trị số tính theo m độ rộng khe hở thực tế ổ từ (là hoảng

cách giữa hai nam châm điện trên và dưới.

102

- Vị trí giữa giải đo: để dịch giá trị 0 về giữa ổ từ.

Chương 5: Thực nghiệm

- Đảo dấu: do cảm biến lắp phía dưới nên phải đảo dấu để giá trị quy đổi

cùng chiều với vị trí thực của bánh đà  sign = -1. Nếu cảm biến lắp ở

phía trên thì sign = 1.

d. Hiệu chuẩn kênh vào: sau khi đã lựa chọn dải đo/chuyển đối và cấu hình

kênh vào, để dữ liệu chính xác như vị trí thực cần thực hiện hiệu chuẩn. Việc

hiệu chuẩn được tiến hành như sau:

- Gá lắp thước cơ chuẩn để đo cùng vị trí cảm biến.

- Bật nguồn và ControlDesk với giao diện test thiết lập cho theo hình 5.1.

- Thay đổi vị trí bánh đà và hiệu chỉnh nút tinh chỉnh trên bộ khuyếch đại

của cảm biến để giát trị hiển thị trên ControlDesk (cũng là trị số của đại

lượng vị trí thực) tương đương với chỉ số trên thước chuẩn.

Các kênh đo vị trí còn lại chỉnh tương tự.

Ghép nối tín hiệu từ DSP ra các mạch điều khiển dòng điện.

Theo cấu hình thí nghiệm đã thiết kế, mạch vòng dòng điện gồm mạch khuyếch

đại công suất và mạch điều chỉnh là mạch tương tự đã thiết kế chế tạo như mô tả phần

phụ lục. Tín hiệu đặt dòng điện cho mạch vòng dòng điện từ bộ điều khiển vị trí được

xuất ra qua dS-1104.

a. Các thông số của tín hiệu đặt dòng điện:

- Dải tín hiệu ra: 5V/5A

b. Chọn kênh ghép nối: Với 06 mạch điều khiển dòng điện cho 06 nam châm,

cần 06 kênh tạo tín hiệu đặt. chọn các kênh DS1104DAC-C4, DS1104DAC-

C5, DS1104DAC-C6 cấp tín hiệu đặt cho các mạch điều khiển dòng điện

cho nam châm dưới của các ổ từ góc u, v, w theo thứ tự. Tương tự, chọn các

kênh DS1104DAC-C1, DS1104DAC-C2, DS1104DAC-C3 cấp tín hiệu đặt

cho các mạch điều khiển dòng điện cho nam châm trên của các ổ từ góc u,

v, w theo thứ tự.

c. Thiết lập cấu hình chuyển đổi: Tương tự đầu vào, đầu ra tín hiệu đặt từ DSP

cũng dựa trên bộ chuyển đổi số sang tương tự để chuyển đổi từ thông tin

dòng điện đặt (dữ liệu) trong Matlab/ControlDesk thành tín hiệu (dạng điện

103

áp) để đặt vào mạch điều khiển dòng điện. Với dải đầu ra 1 / 1V A ta thiết lập

Chương 5: Thực nghiệm

cấu hình cho mỗi kênh ra như hình 5.3. Cấu hình ra khá đơn giản với hệ số

0.1

i**u1

DS1104DAC_C4

Hệ số

0.1 là thông số của dS-1104.

Hình 5.3. Cấu hình kênh ra đặt dòng điện cho dS-1104.

d. Hiệu chuẩn kênh ra: tín hiệu ra là tín hiệu cho mạch vòng trong của hệ đk vị

trí, mạch vòng này phục vụ mạch vòng ngoài nên không đòi hỏi độ chính

xác quá cao. Với mạch điều khiển dòng điện đã được thực hiện hiệu chỉnh

như ở phần phụ lục nên không cần hiệu chỉnh ở bước này.

5.2.2. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển động cơ truyền

động bánh đà.

Thiết lập phần điều khiển truyền động:

Ngoài phần mô hình như đã thiết kế trong phần phụ lục, để thực hiện truyền

động cho bánh đà (nạp năng lượng) và sau đó có thể phóng năng lượng, cơ cấu truyền

Nguồn

BBĐ

à đ h n á B

Tải

động được xây dựng như hình 5.4.

Hình 5.4. Cấu hình hệ truyền động động cơ để nạp (quay) và xả (hãm) cho bánh đà.

Trong đó:

- BBĐ sử dụng biến tần Yaskawa 750W

- Động cơ IM rotor lồng sóc 500W

- TRở xả 300W

- Biến tần được kết nối tín hiệu đặt tần số với kênh ra DAC-08 của dS1104, tín

hiệu tốc độ ra được nối với kênh vào ADC-04 của dS1104.

Thiết bị thực hiện truyền động và tải cho động cơ truyền động bánh đà như hình

104

5.5.

Chương 5: Thực nghiệm

Hình 5.5. Biến tấn và trở xả để nạp và xả cho bánh đà

5.3. Xây dựng giao diện thí nghiệm.

Giao diện điều khiển tuyến tính theo hệ u, v, w được xây dựng như hình 5.6 và

giao diện điều khiển theo theo z, θx, θy như hình 5.11. Giao diện được thiết kế để cài

đặt các thông số của hệ:

- Khe hở thực tế của nam châm.

- Dòng điện tiền từ hóa, có thể thiết lập riêng rẽ cho từng ổ từ để thuận tiện cho

việc thí nghiệm. Thực tế chế tạo thí nghiệm các cụm ổ từ không hoàn toàn giống

nhau nên dòng điện I0 có thể khác nhau. Thí nghiệm phụ được dùng để xác định

dòng I0 cho từng cụm ổ từ và sau đó được thiết lập khi thí nghiệm điều khiển.

- Thông số các bộ điều PID của từng ổ từ. Các thông số này được thiết lập ban

đầu theo thông số đã tính toán từ lý thuyết và vẫn cho phép điều chỉnh riêng rẽ

ngay trong quá trình thí nghiệm cho phù hợp với thông số của thiết bị thí

nghiệm..

105

- Các đồ thị thể hiện gía trị đo vị trí tại các góc theo thời gian thực.

Chương 5: Thực nghiệm

5.3.1. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w

106

Hình 5.6. Giao diện điều khiển tuyến tính theo u, v, w.

Chương 5: Thực nghiệm

Hình 5.7. Phần nhập vị trí đặt, hiển thị vị trí thực và sai lệch vị trí mỗi góc.

Hình 5.8. Phần nhập các thông số bộ PID điều chỉnh vị trí.

Hình 5.9. Phần hiển thị các giá trị ra của của bộ điều khiển vị trí và của từng thành phần (P, I, D) của bộ điều chỉnh

107

Hình 5.10. Phần đặt dòng từ hóa I0 và hiển thị dòng điện đặt cho các nam châm trên và dưới.

Chương 5: Thực nghiệm

5.3.2. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ z, θx, θy

108

Hình 5.11. Giao diện điều khiển tuyến tính theo z, θx, θy.

Chương 5: Thực nghiệm

Hình 5.12. Phần giao diện nhập vị trí, góc đặt, hiển thị vị trí và góc thực khi điều khiển theo z, θx, θy.

Hình 5.13. Phần nhập các thông số bộ điều chỉnh vị trí.

Hình 5.14. Phần hiển thị các giá trị ra của của bộ điều khiển z, θx, θy và giá trị chuyển đổi sang u, v, w

109

Hình 5.15. Phần đặt dòng từ hóa I0 và hiển thị dòng điện đặt cho các nam châm trên và dưới.

Chương 5: Thực nghiệm

5.4. Thí nghiệm và lấy kết quả của giai đoạn nâng tĩnh.

5.4.1. Nâng tĩnh khi điều khiển theo u,v, w

a. Thí nghiệm.

Các hình từ 5.7 tới 5.10 thể hiện các kết quả thí nghiệm nâng tĩnh với bộ điều

khiển tuyến tính trong hệ u, v, w.

- Vị trí đặt được thiết lập chung cho cả 3 góc là “0” tức là vị trí cân bằng.

- Các thông số của các bộ điều chỉnh cho 3 góc được thiết lập như hình 5.6.

- Dòng từ hóa cho các nam châm được thiết lập như hình 5.8, trong đó thử nghiệm

dòng I0max của nam châm trên góc v là 5.5 A nên chọn dòng từ hóa là 2.9A so

với hai nam châm còn lại là 2.4A.

110

Hình 5.16. Vị trí và góc nghiêng khi nâng tĩnh theo u, v, w

Chương 5: Thực nghiệm

b. Nhận xét.

- Hệ ổ từ đã nâng được bánh đà lên vị trí cân bằng.

- Thời gian các góc nâng lên tới vị trí giữa ổ từ là không bằng nhau. Do không có

tải và không quay nên mặc dù có lúc bánh đà nghiêng nhưng vẫn có thể lên

được vị trí cân bằng.

- Đồ thị thu thập trên hình 5.16 cho thấy trị số góc nghiêng θx và θy có dao động

nhỏ.

5.4.2. Nâng tĩnh điều khiển theo z, θx, θy.

Các hình từ 5.12 tới 5.15 thể hiện các kết quả thí nghiệm nâng tĩnh với bộ điều

khiển tuyến tính trong hệ z, θx, θy.

a. Thí nghiệm.

111

Hình 5.17. Vị trí và góc nghiêng khi nâng tĩnh theo z, θx, θy

Chương 5: Thực nghiệm

b. Nhận xét.

- Vị trí đặt cho z được thiết lập là “0” tức là vị trí giữa ổ từ, các góc nghiêng θx

và θy. cũng thiết lập là “0”

- Các thông số của các bộ điều chỉnh cho z, θx, θy được thiết lập như hình 5.11.

- Dòng từ hóa cho các nam châm được thiết lập như hình 5.13.

Kết quả thử nghiệm điều khiển theo z, θx, θy.

- Hệ ổ từ nâng được bánh đà lên vị trí cân bằng.

- Thời gian các góc nâng lên tới vị trí giữa ổ từ là bằng nhau do hệ theo z, θx, θy

điều khiển theo cả góc nghiêng.

- Đồ thị thu thập trên hình 5.17 cho thấy trị số góc nghiêng θx và θy không dao

động.

- Tuy nhiên hệ có đáp ứng chậm hơn và có sai lệch hơn so với hệ điều khiển theo

u, v, w.

5.5. Thí nghiệm khởi động và duy trì tốc độ bánh đà.

a. Thí nghiệm.

Sau khi bánh đà đã được nâng và giữ ổn định trí, tiếp thieo thực hiện quá trình

khởi động cho bánh đà quay.

- Bật bộ biến đổi đã ghép nối với động cơ truyền động bánh đà.

- Điều khiển bộ biến đổi tăng dần tốc độ động cơ để nâng dần tốc độ bánh đà lên

tới 1350 vòng phút.

- Quá trình tăng dần tốc độ bánh đà, hệ ổ từ vẫn giữ ổn định vị trí bánh đà, kết

quả ở hình 5.18.

b. Nhận xét.

- Hệ truyền động động cơ – bánh đà đã thực hiện được truyền động quay cho

bánh đà sau khi hệ ổ từ đã nâng được bánh đà lên vị trí cân bằng.

- Bánh đà được truyền động quay tăng dần tốc độ và vẫn giữ được khả năng ổn

112

định vị trí cho bánh đà.

Chương 5: Thực nghiệm

113

Hình 5.18. Vị trí và góc nghiêng khi quay ở 1350 v/phút.

Chương 5: Thực nghiệm

5.6. Thí nghiệm quá trình xả cho bánh đà.

a. Thí nghiệm.

Quá trình xả cho bánh đà được thực hiện bằng cách hãm nhanh bánh đà bằng động

cơ truyền động – biến tần. Do bánh đà có động năng lớn nên năng lượng được xả

lên điện trở hãm thông qua cơ chế hãm động năng của biến tần.

- Điều khiển bộ biến đổi giảm nhanh tốc độ động cơ về tốc độ không.

- Bánh đà và động cơ hãm nhanh về trạng thái dừng, hệ ổ từ vẫn giữ ổn định vị

trí bánh đà, kết quả ở hình 5.19.

- Các thử nghiệm tăng tốc, giữ tốc độ, giảm tốc/dừng được lặp lại nhiều lần và hệ

ổ từ vẫn duy trì được bánh đà ở vị trí đặt.

b. Nhận xét.

- Hệ truyền động động cơ – bánh đà đã thực hiện được truyền động hàm nhanh

(xả năng lượng) cho bánh đà và vẫn giữ được bánh đà ở vị trí cân bằng..

- Tại thời điểm giảm tốc đột ngột, góc nghiêng trục x (θx) và trục y (θy) lớn hơn

giá trị trung bình.

- Bánh đà có dao động nhẹ là do tác động từ động cơ nhưng nhanh chóng ổn định

114

trở lại.

Chương 5: Thực nghiệm

115

Hình 5.19. Vị trí và góc nghiêng tại thời điểm hãm bánh đà dừng (xả).

Chương 5: Thực nghiệm

5.7. Thí nghiệm điều khiển phi tuyến

5.7.1. Xây dựng giao diện vận hành, giám sát cho phương pháp phi tuyến.

116

Hình 5.20. Giao diện thử nghiệm thuật toán tạo quỹ đạo đặt.

Chương 5: Thực nghiệm

Việc thử nghiệm điều khiển phi tuyến bước đầu đã được thực hiện. Trên hình

5.21 là kết quả thử nghiệm tính toán và tạo quỹ đạo đặt gồm quỹ đạo, tốc độ và gia

tốc. Hình 5.22 là dạng dòng điện đặt của nam châm trên và nam châm dưới của ổ từ.

Hình 5.21. Tính toán quỹ đạo đặt vị trí trên ControlDesk

117

Hình 5.22. Tính toán quỹ đạo đặt dòng điện trên ControlDesk.

Chương 5: Thực nghiệm

Các dạng quỹ đạo hoàn toàn phù hợp với lý thuyết cho thấy thuật toán tạo quỹ

đạo đã tạo được các quỹ đao đặt cho các biến đúng như lý thuyết.

Hình 5.23. Tín hiệu ra đặt dòng điện thực của dS1104.

118

Hình 5.24. Sai lệch tín hiệu ra đặt dòng điện thực do giới hạn tốc độ tính toán của dS1104.

Chương 5: Thực nghiệm

Việc thực hiện thí nghiệm điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng chưa thực

hiện được trọn vẹn trên hệ thực do bị vướng giới hạn tính toán của card dS1104. Trên

hình 5.24 có thể thấy dạng dòng điện xuất ra đầu ra thực của dS1104 bị lệch cả về

thời gian và giá trị do phụ thuộc vào tốc độ tính toán thời gian thực của dS1104:

- Điểm chuyển dòng điện điều khiển theo “điều kiện liên kết dòng điện” là rất

quan trọng của phương pháp này bị mất do dòng điện đặt nam châm trên chưa

tắt thì đã có dòng điện đặt nam châm dưới.

- dS1104 không xuất được tín hiệu đặt dòng điện nam châm dưới có thời gian

ngắn hơn thời gian trích mẫu.

- Thời gian phát dòng cho nam châm dưới chỉ có 1 điểm trích mẫu nên tín hiệu

đặt dòng ra chỉ có đỉnh 0,8 A thay vì đỉnh 2,6A theo lý thuyết.

5.8. Kết luận.

Các thí nghiệm đã thực hiện cho thấy:

- Các mô hình được xây dựng trong phần lý thuyết là phù hợp với đối tượng thực,

đảm bảo để sử dụng các phương pháp điều khiển đã nghiên cứu.

- Các thử nghiệm nâng bánh đà, duy trì vị trí ổn định lại vị trí đặt, khởi động và

tăng tốc bánh đà và xả năng lượng cho bánh đà cho thấy các phương pháp điều

khiển đã được kiểm nghiệm.

- Đặc điểm điều khiển của các phương pháp đã áp dụng phù hợp với kết quả thí

nghiệm.

- Hệ thống mô hình thiết bị thí nghiệm phù hợp với mục đích nghiên cứu. Hệ

thống hoạt động tốt, độ tin cậy cao có thể ứng dụng để nghiên cứu mở rộng cũng

như áp dụng các phương pháp tính toán, thiết kế vào thực tế.

- Cần nghiên cứu chọn bộ điều khiển đủ tốc độ tính toán để dùng cho điều khiển

119

phi tuyến theo nguyên lý phẳng.

Kết luận và kiến nghị

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

A. Kết luận:

Nội dung luận án đã giải quyết các vấn đề nghiên cứu sau:

- Xây dựng được mô hình thử nghiệm hệ truyền động động cơ- bánh đà có tích

hợp ổ từ chủ động. Từ đó nghiên cứu động lực học của hệ trong các chế độ vận

hành: Nâng, nạp năng lượng, duy trì và phóng năng lượng. Mô hình điều khiển

z   thuận lợi cho thiết kế ,

cho hệ được xây dựng trên hai tọa độ u, v, w và

điều khiển.

- Kết quả nghiên cứu điều khiển tuyến tính cho hệ chỉ rõ phạm vi hoạt động của

hệ bị giới hạn trong vùng hoạt động nhỏ xung quanh điểm cân bằng và không

đảm bảo ổn định khi có nhiễu tác động lớn, ngoài ra hệ còn tiêu thụ nhiều điện

năng.

- Điều khiển phi tuyến cho kết quả đáp ứng yêu cầu của hệ: Vùng hoat động toàn

dải không bị giới hạn, đảm bảo hoạt động ổn định khi có nhiễu tác động, tiết

kiệm điện năng hơn so với cấu trúc điều khiển tuyến tính.

- Các kết quả nghiên cứu đều được minh chứng qua mô phỏng và thực nghiệm

trên mô hình đã xây dựng.

B. Những điểm đóng góp mới

- Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ mới của truyền động động cơ – bánh đà có tích hợp ổ

từ, với ba ổ từ kép đặt lệch nhau 1200 thay cho một ổ từ kép dạng vành khăn.

Cấu trúc mới có ưu điểm: Dễ chế tạo và khi thiết kế điều khiển ba bậc tự do sẽ

tạo nên ổ định bánh đà khi quay bị chao đảo.

- Xây dựng động lực học tổng quát của hệ trong các chế độ vận hành, từ đó đề

y  đẳng trị với ba

xuất mô hình điều khiển hệ ổ từ theo hệ tọa độ quy đổi z,

z u

z z . Với việc chuyển vị tọa độ như vậy, việc điều khiển hệ trong v

tọa độ

các chế độ vận hành được đảm bảo và thực hiện dễ dàng.

- Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng cho hệ,

120

góp phần năng cao được chất lượng điều khiển.

Kết luận và kiến nghị

- Thiết kế, xây dựng mô hình truyền động bánh đà - ổ từ trong phòng thí nghiệm

với các tính toán cụ thể.

C. Kiến nghị:

Luận án đã giải quyết được mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu đề ra và có một số

đóng góp mới nhưng vẫn còn nhiều vấn đề có thể cần tiếp tục nghiên cứu giải quyết:

- Trong nội dung điều khiển phi tuyến mới chỉ áp dụng phương pháp tựa phẳng.

Các phương pháp điều khiển phi tuyến khác có thể tiếp tục nghiên cứu.

- Các vấn đề về thiết kế, lựa chọn vật liệu cho ổ từ cũng cần được tiếp tục nghiên

121

cứu.

Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J. G. Bitterly, "Flywheel technology: past, present, and 21st century projections," IEEE

Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 13, no. 8, pp. 13-16, 1998.

[2] T. M. Aljohani, "The flywheel energy storage system: a conceptual study, design, and

applications in modern power systems," Carbon, vol. 1000, p. 1520, 1950.

[3] G. Schweitzer, "Active magnetic bearings–chances and limitations, 8th Int," in Symp.

Magnetic Bearings, Mito, Japan, 2002.

[4] D. R. Brown and W. D. Chvala, "Flywheel energy storage: an alternative to batteries

for UPS systems," Energy engineering, vol. 102, no. 5, pp. 7-26, 2005.

[5] J. Zhang and Y. Hu, "Rotor, Bearing and Dynamic Equations in Energy Storage Flywheels for Vehicles," Advances in Systems Science Applications, vol. 12, no. 2, pp. 141-152, 2012.

[6] M. Hedlund, J. Lundin, J. de Santiago, J. Abrahamsson and H. Bernhoff, "Flywheel energy storage for automotive applications," Energies, vol. 8, no. 10, pp. 10636-10663, 2015.

[7] L. Hawkins and P. McMullen, "An AMB Energy Storage Flywheel for Industrial Applications," J. Japan Soc. Appl. Electromagn, vol. 16, no. 4, pp. 287-293, 2008. [8] M. B. Richardson, "Flywheel energy storage system for traction applications," in

International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, 2002.

[9] M.

Flynn,

McMullen

and

Solis,

"High-

Speed Flywheel and Motor Drive Operation for Energy Recovery in a Mobile Gantry Crane," APEC 07 - Twenty-Second Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, pp. 1151 - 1157, 2007.

[10] R. Hebner, J. Beno and A. Walls, "Flywheel batteries come around again," IEEE

spectrum, vol. 39, no. 4, pp. 46-51, 2002.

[11] H. Jordan, J. Herbst and R. Hayes, "Flywheel Energy Storage System and Their

Applications," CEM Publications, 2002.

[12] M. Dussaux, "Status of the industrial applications of the active magnetic bearings technology," in ASME 1990 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, American Society of Mechanical Engineers, 1990.

[13] H. Toliyat, S. Talebi, P. McMullen, C. Huynh and A. Filatov, "Advanced high-speed flywheel energy storage systems for pulsed power applications," Electric Ship Technologies Symposium, IEEE, pp. 379 - 386, 2005.

[14] J. Bai, X. Zhang and L. Wang, "A flywheel energy storage system with active magnetic

bearings," Energy Procedia, vol. 16, pp. 1124-1128, 2012.

[15] P. McMullen, V. Vuong and L. Hawkins, "Flywheel energy storage system with AMB’s and hybrid backup bearings," in 10th International Symposium on Magnetic Bearings,, Martigny, Switzerland, 2006.

[16] S.-y. Yoo, W.-r. Lee, Y.-c. Bae and M. Noh, "Design of magnetically levitated rotors in a large flywheel energy storage system from a stability standpoint," Journal of mechanical science and technolog, vol. 24, no. 1, pp. 231-235, 2010.

[17] A. Filatov, P. McMullen, K. Davey and R. Thompson, "Flywheel energy storage system with homopolar electrodynamic magnetic bearing," CEM Publications, 2015.

122

Tài liệu tham khảo

[18] A. V. Filatov and E. H. Maslen, "Passive magnetic bearing for flywheel energy storage

systems," in IEEE Transactions on Magnetics, 2011.

[19] S. Sivrioglu and K. Nonami, "Active permanent magnet support for a superconducting magnetic-bearing flywheel rotor," IEEE transactions on applied superconductivity, vol. 10, no. 4, pp. 1673-1677, 2000.

[20] G. Schweitzer, "Active magnetic bearings-chances and limitations," in IFToMM Sixth

International Conference on Rotor Dynamics, Sydney, Australia, 2002.

[21] G. Schweitzer and E. H. Maslen, Magnetic bearings: theory, design, and application to

rotating machinery, Springer, 2009.

[22] J. D. Setiawan, "Active Magnetic Bearings for Frictionless Rotating Machineries,"

ROTASI, vol. 8, no. 3, pp. 6-10, 2006.

[23] A. Chiba, T. Fukao, O. Ichikawa, M. Oshima, M. Takemoto and D. G. Dorrell,

Magnetic bearings and bearingless drives, Elsevier, 2005.

[24] De Miras, Jérôme; Join, Cédric; Fliess, Michel; Riachy, Samer; Bonnet, Stéphane,

"Active magnetic bearing: A new step for model-free control," 2013.

[25] W. Zhang, "A flywheel energy storage system suspended by active magnetic bearings with fuzzy PID controller," in Computer Application and System Modeling (ICCASM), 2010 International Conference on, IEEE, 2010.

[26] W. Zhang and Y. Hu, "A prototype of flywheel energy storage system suspended by active magnetic bearings with PID controller," in Power and Energy Engineering Conference. APPEEC 2009. Asia-Pacific, 2009.

[27] C. K. Chen and T. D. Chu, "Nonlinear modeling and control of active magnetic bearings for a flywheel energy storage system," in Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics (IHMSC), Sixth International Conference on, 2014.

[28] A. Charara, J. De Miras and B. Caron, "Nonlinear control of a magnetic levitation system without premagnetization," IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 4, no. 5, pp. 513-523, 1996.

[29] J. Levine, Analysis and control of nonlinear systems: A flatness-based approach,

Springer Science & Business Media, 2009.

[30] S. Myburgh, G. Van Schoor and E. Ranft, "A non-linear simulation model of an active magnetic bearings supported rotor system," in Electrical Machines (ICEM), 2010 XIX International Conference on, 2010.

[31] P. Tsiotras, B. Wilson and R. Bartlett, "Control of zero-bias magnetic bearings using control Lyapunov functions," in Decision and Control, 2000. Proceedings of the 39th IEEE Conference on, 2000.

[32] N. Al-Muthairi and M. Zribi, "Sliding mode control of a magnetic levitation system,"

Mathematical Problems in Engineering, vol. 2004, no. 2, pp. 93-107, 2004.

[33] F. Sun and K. Oka, "Zero power non-contact suspension system with permanent magnet motion feedback," Journal of System Design and Dynamics, vol. 3, no. 4, pp. 627-638, 2009.

[34] Q. D. Nguyen and S. Ueno, "Axial position and speed vector control of the inset permanent magnet axial gap type self bearing motor," in Advanced Intelligent Mechatronics, 2009. AIM 2009. IEEE/ASME International Conference on, Singapore, 2009.

[35] N. T. T. Bình, Cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ, Thái Nguyên: Đại học Thái

Nguyên, 2013.

123

Tài liệu tham khảo

[36] T. R. S. Kumar, S. B. Koppula, C. Prakash and D. Srikanth, "Design and Dynamic Analysis of Flywheel," International Conference on Recent Innovations in Civil & Mechanical Engineering, pp. 51-56, 2016.

[37] C.-L. Tang, X.-J. Dai, X.-Z. Zhang and L. Jiang, "Rotor dynamics analysis and experiment study of the flywheel spin test system," Journal of Mechanical Science Technology, vol. 26, no. 9, pp. 2669-2677, 2012.

[38] D.-K. Kim, "Micro-vibration model and parameter estimation method of a reaction wheel assembly," Journal of Sound Vibration, vol. 333, no. 18, pp. 4214-4231, 2014. [39] M. Ahrens, L. Kucera and R. Larsonneur, "Performance of a magnetically suspended flywheel energy storage device," IEEE Transactions on control systems technology, vol. 4, no. 5, pp. 494-502, 1996.

[40] L. Haiping and S. Wenhua, "Vibration suppression of a flywheel system using a novel nonlinear vibration absorber with an Euler buckled beam," in Journal of Physics: Conference Series, 2016.

[41] B. H. Kenny, P. E. Kascak, R. Jansen, T. Dever and W. Santiago, "Control of a high- speed flywheel system for energy storage in space applications," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, no. 4, pp. 1029-1038, 2005.

[42] Recheis, Manes; Buchroithner, Armin; Andrasec,

Ivan; Gallien, Thomas; Schweighofer, Bernhard; Bader, Michael; Wegleiter, Hannes, "Improving kinetic energy storage for vehicles through the combination of rolling element and active magnetic bearings," in Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE, 2013.

[43] W. Barie and J. Chiasson, "Linear and nonlinear state-space controllers for magnetic levitation," International Journal of systems science, vol. 27, no. 11, pp. 1153-1163, 1996.

[44] B. Q. Khánh, P. Q. Hải, N. V. Liễn and D. V. Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động

điện,, Hà Nội: NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2008.

[45] W. Grega and A. Pilat, "Comparison of linear control methods for an AMB system," International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, vol. 15, no. 2, p. 245, 2005.

[46] D. L. Trumper, S. M. Olson and P. K. Subrahmanyan, "Linearizing control of magnetic suspension systems," IEEE Transactions on control systems technology, vol. 5, no. 4, pp. 427-438, 1997.

[47] Y.-W. Tsai and V. A. Duong, "Sliding mode control for active magnetic bearings of a flywheel energy storage system," in Control and Robotics Engineering (ICCRE), 2016 IEEE International Conference on, 2016.

[48] S. Zheng and R. Feng, "Feedforward compensation control of rotor imbalance for high- speed magnetically suspended centrifugal compressors using a novel adaptive notch filter," Journal of Sound Vibration, vol. 366, pp. 1-14, 2016.

[49] Y. Okada, B. Nagai and T. Shimane, "Cross-feedback stabilization of the digitally controlled magnetic bearing," Journal of Vibration Acoustics, vol. 114, no. 1, pp. 54- 59, 1992.

[50] T. Dever, G. Brown, K. Duffy and R. Jansen, "Modeling and Development of Magnetic Bearing Controller for High Speed Flywheel System," in 2nd International Energy Conversion Engineering Conference, 2004.

[51] Y. Y, Z. Y, C. H and H. L, "Fuzzy Adaptive Back-Stepping Sliding Mode Controller for High-Precision Deflection Control of the Magnetically Suspended Momentum

124

Tài liệu tham khảo

Wheel," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 4, pp. 3530-3538, 2018.

[52] M. Yasuda, T. Osaka and M. Ikeda, "Feedforward control of a vibration isolation system for disturbance suppression," in Decision and Control, 1996., Proceedings of the 35th IEEE Conference on, Kobe, 1996.

[53] M. E. Hoque, T. Kamiya and T. Mizuno, "A nonlinear compensator for zero-power control and its application to vibration isolation system," in ASME 2005 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, 2005.

[54] P. Martin, R. M. Murray and P. Rouchon, Flat systems, equivalence and trajectory

generation, 2003.

[55] J. Levine, J. Lottin and J.-C. Ponsart, "A nonlinear approach to the control of magnetic bearings," IEEE transactions on control systems technology, vol. 4, no. 5, pp. 524-544, 1996.

[56] N. P. Quang and J.-A. Dittrich, Vector control of three-phase AC machines, Springer,

2008.

[57] P. Q. Hải, Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2009. [58] S. Sivrioglu, "Adaptive backstepping for switching control active magnetic bearing system with vibrating base," IET Control Theory & Applications, vol. 1, no. 4, pp. 1054-1059, 2007.

[59] S. Sivrioglu, "Adaptive control of nonlinear zero-bias current magnetic bearing

system," Nonlinear Dynamics, vol. 48, no. 1-2, pp. 175-184, 2007.

[60] C. Zhang and K. J. Tseng, "Design and control of a novel flywheel energy storage system assisted by hybrid mechanical-magnetic bearings," Mechatronics, vol. 23, no. 3, pp. 297-309, 2013.

[61] F. Sahin, A. Tuckey and A. l Vandenput, "Design, development and testing of a high- speed axial-flux permanent-magnet machine," in Industry Applications Conference, Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. IEEE, 2001.

[62] M. E. Hoque, M. Takasaki, Y. Ishino and T. Mizuno, "Development of a three-axis active vibration isolator using zero-power control," IEEE/ASME Transactions on mechatronics, vol. 11, no. 4, pp. 462-470, 2006.

[63] L. Hawkins, P. McMullen and R. Larsonneur, "Development of an AMB Energy Storage Flywheel for Commercial Application," in 8th International Symposium on Magnetic Suspension Technology (ISMST-8),, Dresden, Germany, 2005.

[64] M. M. Z. Shahadat, T. Mizuno, Y. Ishino and M. Takasaki, "Development of three- axis active vibration isolator using displacement cancellation technique," Journal of System Design and Dynamics, vol. 5, no. 5, pp. 1077-1093, 2011.

[65] R. D. Williams, F. J. Keith and P. E. Allaire, "Digital control of active magnetic bearings," IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 37, no. 1, pp. 19-27, 1990. [66] B. Jayawant, "Electromagnetic suspension and levitation," Reports on Progress in

Physics, vol. 44, no. 1, p. 411, 1981.

[67] J. Zhang, Z. Chen, L. Cai and Y. Zhao, "Flywheel energy storage system design for distribution network," in Power Engineering Society Winter Meeting, IEEE, 2000. [68] N. D. Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao, Hà Nội: NXB Khoa học và kỹ thuật,

2009.

125

Tài liệu tham khảo

[69] M. Ren, Y. Shen, Z. Li and K. Nonami, "Modeling and control of a flywheel energy storage system using active magnetic bearing for vehicle," in Information Engineering and Computer Science, ICIECS 2009. International Conference on, 2009.

[70] E. Shameli, M. B. Khamesee and J. P. Huissoon, "Nonlinear controller design for a magnetic levitation device," Microsystem Technologies, vol. 13, no. 8-10, pp. 831-835, 2007.

[71] B. Polajžer, Magnetic bearings, theory and applications, Sciyo, 2010. [72] F. J. M. Thoolen, Development of an advanced high speed flywheel energy storage

system, Eindhoven University of Technology, 1993.

[73] L. L. Zhang and J. H. Huang, "Applied Computational Electromagnetics Society Journal," Stability Analysis for a Flywheel Supported on Magnetic Bearings with Delayed Feedback Control, vol. 12, no. 8, pp. 642-649, 2017.

[74] W.-C. Tsai, C. Chyn and T.-P. Tsao, "The damping effect of the flywheel dampers installed at different shaft couplings on torsional oscillations," Electric power systems research, vol. 42, no. 2, pp. 95-107, 1997.

[75] A. V. Filatov and L. A. Hawkins, "An axial position sensor for active magnetic

bearings," in ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air, 2010.

[76] R. T, "Design principles for magnetic levitation," Proceedings of the IEEE, vol. 61,

no. 5, pp. 586-598, 1973.

[77] B. Jayawant, P. Sinha, A. Wheeler, R. Whorlow and J. Willsher, "Development of 1- ton magnetically suspended vehicle using controlled dc electromagnets," in Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1976.

[78] T. Meyrath, "Electromagnet design basics for cold atom experiments," University of

Texas, Austin, 2004.

[79] W. G. Hurley and W. H. Wolfle, "Electromagnetic design of a magnetic suspension

system," IEEE Transactions on education, vol. 40, no. 2, pp. 124-130, 1997.

[80] F. Matsumura, H. Kobayashi and Y. Akiyama, "Fundamental equation of horizontal shaft magnetic bearing and its control system design," The transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, vol. 101, no. 6, pp. 137-144, 1981.

[81] A.

Filatov

and

L. Hawkins ,

"GENERAL EXPLANATION OF HOW MAGNETIC BEARINGS WORK ," Calnetix Technologies LLC , Cerritos, CA, USA , 2013.

[82] E. H. A and O. M, "Modeling and nonlinear control of magnetic levitation systems," IEEE Transactions on industrial Electronics, vol. 48, no. 4, pp. 831-838, 2001. [83] P. Venkatesh and S. Balamurugan, "Real Time Control of Magnetic-Ball-Suspension System Using dSPACE DS1104," SPACE User Conference 2014 – India 12th, 2014. [84] F. M and T. Y, "System modeling and control design of a horizontal-shaft magnetic- bearing system," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 22, no. 3, pp. 196-203, 1986. [85] M. Subkhan and M. Komori, "New concept for flywheel energy storage system using SMB and PMB," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 21, no. 3, pp. 1485-1488, 2011.

[86] L. V. Truong, F. J. Wolff and N. V. Dravid, "Simulation of flywheel electrical system for aerospace applications," in Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, 2000.(IECEC) 35th Intersociety, Cleveland, Ohio, 2000.

[87] R. H, N. A and M. Y, "Deterministic Models of an Active Magnetic Bearing System,"

JOURNAL OF COMPUTERS, vol. 2, no. 8, pp. 9-17, 2007.

126

Tài liệu tham khảo

[88] Q. D. Nguyen and S. Ueno, "Sensorless speed control of inset type axial gap self- bearing motor using extended EMF," in Power Electronics Conference (IPEC), 2010 International, 2010.

127

Danh mục các công trình đã công bố

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ÐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

[1] Nguyễn Danh Huy, Trần Trọng Minh, " Thiết kế hệ điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho cơ cấu nâng bằng từ truờng trong ổ từ," Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Ðiều khiển và Tự dộng hoá - VCCA-2015, pp. 433-439, 2015.

[2] Nguyễn Trung Ðức, Nguyễn Tùng Lâm, Phan Phú Khánh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Quang Ðịch, “Ðiều khiển phi tuyến ổ bi từ chủ động” Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Ðiều khiển và Tự dộng hoá - VCCA-2015, pp. 420-426, 2015

[3] Nguyễn Trung Đức, Nguyễn Tùng Lâm, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Quang Địch. “Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động dưới tác động của nhiễu tải”. Chuyên san Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, số 16, 8/2016.

[4] Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Ðắc Truởng, Nguyễn Tuấn Nghia, Nguyễn Danh Giang, “Phân tích, thiết kế, đánh giá bộ diều khiển tuyến tính ứng dụng trong cơ cấu nâng bằng từ truờng”, Hội thảo về điều khiển và TÐH cho Phát triển bền vững – CASD 2017

[5] Danh Huy Nguyen, Tung Lam Nguyen, Manh Linh Nguyen, Huy Phuong Nguyen, “Nonlinear Control of an Active Magnetic Bearing with Output Constraint”, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), May 2018, pp. 1 – 12.

[6] Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Nguyễn Huy Phương, “Ổn định ổ đỡ từ chủ động với hạn chế đầu ra và sử dụng bộ quan sát tốc độ”, Chuyên san Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa, số 18, 4/2017.

[7] Giang Hồng Quân, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Giang Hồng Bắc,” Điều khiển ổ đỡ từ chủ động bằng phương pháp Backstepping Sliding Mode control”, Tạp chí KH&CN các Trường ĐH Kỹ thuật, Số 124 (1/2018)

128

Phụ lục

6. PHỤ LỤC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM

6.1. Thông số thiết kế

Để có thể thử nghiệm nạp và phóng năng lượng, yêu cầu kích thước mô hình đủ

lớn để có thể thiết kế phù hợp. Nhiệm vụ thiết kế gồm các phần và thông số mô hình:

- Thiết kế bánh đà.

o Năng lượng tích lũy: 2000J (2kJ)

o Tốc độ cực đại: 10.000 vòng/phút

- Thiết kế ổ từ.

- Thiết kế hệ truyền động

- Thiết kế điều khiển.

6.2. Thiết kế bánh đà.

- Chọn kiểu dáng hình học: Năng lượng tích lũy của bánh đà là hàm tỷ lệ bậc 4

với đường kính và tỷ lệ bậc một với trọng lượng.

- Chọn vật liệu: độ từ thẩm liên quan lực hút và khối lượng riêng.

- Tính toán kích thước bánh đà theo yêu cầu mô men quán tính.

Ở trong mô hình này, bánh đà được nâng bằng từ trường của nam châm điện

nên chọn chế tạo bằng thép có độ từ thẩm cao. Hình dạng kết hợp với vật liệu như

vậy cũng thuận tiện cho thiết kế nam châm ổ từ, phần rộng của vành dùng làm bề mặt

tác động của ổ từ có tiết diện lớn, cho phép ổ từ có lực nâng lớn nhưng dòng điện nhỏ.

D d

Hình dạng sơ bộ của bánh đà để làm cơ sở thiết kế như hình 6.1.

129

Hình 6.1. HÌnh dạng bánh đà mô hình.

Phụ lục

Trong đó:

- D: đường kính ngoài

- d: đường kính trong

- H: chiều dày ngoài

- h: chiều sâu trong.

Từ (1.1) và năng lượng tích lũy yêu cầu ta có mô men quán tính cần có của bánh



1.71(

kg m .

)

đà:

E 2. 2  ) (

(6.1)



/ 2)



(

/ 2)

fig

 k m D . (



Với bánh đà dạng vành như hình 6.1, mô men quán tính được tính như sau:

(6.2)

Trong đó:

1 / 2

figk 

- Hệ số hình dạng cho bánh đà hình vành:

V .m

Khối lượng của bánh đà dạng vành như trên là:

(6.3)

Trong đó:

-  là khối lượng riêng của vật liệu làm bánh đà. Với vật liệu đã chọn là thép

 

7850

/kg m

có khối lượng riêng .

- V là thể tích bánh đà.



 .

H .



h .

Thể tích của bánh đà trong hình 6.1 được tính như sau:

D 4

d 4

  

  

(6.4)

Chọn các thông số hình học như sau: D = 0,46 (m); d = 0,34 (m); H = 0,057 (m);

h = 0,012 (m). Bỏ qua các chi tiết nhỏ như vành mỏng ngoài, lỗ trục, khối lượng thực



   .

V .

H .



h .



42,3(

)

của bánh đà tính được:

D 4

d 4

  

  

130

(6.5)

Phụ lục

260

230

170

8 4

0 6

2 1

100

125

4 0

2 0

3 0

Hình 6.2. Thiết kế chi tiết bánh đà.

Hình 6.3. Thiết kế trục bánh đà.

6.3. Thiết kế ổ từ.

Như phần thiết kế đã đề xuất như mục 2.3. Thành phần quan trọng nhất của ổ

từ là nam châm điện, đóng vai trò tạo lực nâng cho bánh đà và điều khiển vị trí bánh

đà. Do vậy nam châm điện phải được thiết kế để đáp ứng được các yêu cầu hoạt động

131

của ổ từ.

Phụ lục

6.3.1. Tính toán lực nâng cho ổ từ

Từ thông số cơ học của bánh đà đã đề xuất, ta có thông số đầu vào để thiết kế

nam châm điện:

- Tải trọng bánh đà: 42kg

e 

0,001

- Số ổ từ nâng bánh đà: 3 ổ từ (6 nam châm)

- Khe hở khi bánh đà ở vị trí cân bằng: 1mm ( ).

Với thông số thiết kế như trên, mỗi cụm nam châm sẽ nâng đỡ tải trọng 14kg,

trong đó ở trạng thái khởi động (nâng từ điểm cực hạn dưới) nam châm phía trên phải

e . Để đảm bảo tốc độ

nâng được tải trọng (14kg) ở khoảng cách xa nhất là 2mm (

đáp ứng của ổ từ khi bánh đà làm việc, chọn hệ số dự trữ công suất hoặc hệ số dự trữ

lực của nam châm lớn gấp 3 lần khối lượng tải của nam châm cần kéo. Vậy khối

lượng mà một nam châm cần nâng tại 2mm là khoảng 42kg.

 



42 9.81 520(





)

tF m g

- Tải trọng quy đổi:

(6.6)

A n .

Ta có công thức đặc trưng của nam châm điện một chiều:

1  4

i e

(6.7)

Trong đó:

- A: tiết diện mạch từ.

- i: dòng điện qua cuộn dây nam châm

- n: số vòng dây quấn của cuộn dây

- e: Khoảng cách khe hở không khí.



  4 .10

 0

- : độ từ thẩm của không khí

Như vậy lực do nam châm tạo ra phụ thuộc vào nhiều thông số vào có thể chọn

lựa và tính toán để được thông số phù hợp với các yếu tố vật liệu, khả năng chế tạo

132

cơ khí thực tế …

Phụ lục

6.3.2. Tính toán các thông số nam châm điện.

Tính toán tiết diện mạch từ nam châm. Theo (6.7) ta thấy lực nam châm tỷ lệ với tiết diện mạch từ nên nếu chọn mạch

từ tiết diện càng lớn thì lực càng lớn. Tuy nhiên mạch từ lớn sẽ làm cho hệ thống

nặng nề, kích thước cồng kềnh. Với kích thước bánh đà và bố trí tương tác giữa nam

châm và bánh đà như hình 6.4, chọn mạch từ có tiết diện 40mm x 55mm 

(



0.04 0.055 0.0022





)

3 2

4 1

8 8

5 5

171

Hình 6.4. Tính chọn kích thước mạch từ.

Dòng điện. Với khe hở lớn nhất khi bánh đà chưa nâng là 2mm, ta chọn dòng điện định mức



A 3.5 )

. Trên cơ sở đó tính toán tiếp các thông số còn lại. nam châm là (i

Tính toán dây quấn:

- Số vòng dây:

Theo (6.7), với tiết diện mạch từ A và dòng điện i như trên, ta có số vòng dây

nam châm:

(vòng)   n 280 (6.8) 4 . F e 2 A . i . 0

- Tiết diện dây:

Do nam châm quấn nhiều vòng và làm việc trong môi trường kém tản nhiệt (lắp

kín trong vỏ bánh đà) nên ta chọn hệ số dẫn dòng 3A/mm2  tiết diện dây







 3,5 / 3 1,16



1, 2







1, 23

i d m

. Đường kính dây:

- Cửa sổ quấn dây:

133

Với 280 vòng dây 1,2mm2, tiết diện tổng dây quấn là

Phụ lục

   n d

415 (

)

(6.9)

Chọn hệ số lấp đầy quấn dây K=0,8. Từ đó có diện tích cửa sổ quấn dây cần

   K S

519 (

)

thiết là:

(6.10)

Với tiết diện mạch từ, cửa sổ quấn dây đã chọn và tính toán, căn cứ vào loại vật

0 2

0 4

0 2 1

0 2

tư có trên thị trường, chọn kiểu mạch từ hình E như sau:

0 0 2

0 0 1

86.0

0 0 2

34.0

0 6 1

0 2

10.0

R 3.50

0 0 3

0 4 1

0 0 2

10.0

25.0

8.0

20.0

35.0

20.0

55.0

0 0 1

40.0

86.0

95.0

0 4

0 5 2

Hình 6.5. Kích thước mạch từ nam châm.

134

Hình 6.6. Thiết kế cụm nam châm.

Phụ lục

6.3.3. Chọn cảm biến đo vị trí và hệ đo vị trí.

Đối với hệ thống nâng bánh đà trong từ trường thì do bánh đà quay với tốc độ

cao và được nâng bằng từ trường để không tiếp xúc nên không dùng được các phương

pháp do khoảng cách trực tiếp, tác là không được nối vật lý với cơ cấu đo. Do vậy để

đo vị trí của đối tượng để điều khiển cần có giải pháp đo gián tiếp. Yêu cầu đối với

mạch đo vị trí:

- Dải đo (độ rộng khe hở tối đa): 0-2mm

- Dải đầu ra (tín hiệu phản hồi vị trí): 0-4V (2V/1mm)

- Sai số nhỏ.

- Tác động nhanh.

- Độ tuyến tính cao.

Có nhiều phương pháp để đo khoảng cách gián tiếp khác nhau như: quang học,

siêu âm, cảm biến dòng xoáy, dùng đầu cảm biến đo vị trí…

 Cảm biến quang.

- Ưu điểm: tín hiệu ra tương đối tuyến tính, chi phí thấp.

- Nhược điểm: chỉ phù hợp để đo vị trí các vật nhỏ và có khoảng cách dao

động tương đối lớn so với kích thước vật, khó lắp đặt với đối tượng như

bánh đà, chỉ phù hợp trong môi trường ánh sáng phù hợp, dễ bị ảnh hưởng

của các yếu tố môi trường như độ ẩm, bụi bặm.

 Cảm biến siêu âm

- Ưu điểm: các cảm biến loại này rất bền do chúng không chứa các bộ phận

chuyển động, cảm biến khoảng cách loại vi sóng hoạt động trong điều kiện

nhiệt độ từ -550C đến +1250C, môi trường khói, bụi, khí độc, và phóng xạ.

- Nhược điểm: khi đo các khoảng cách rất nhỏ có thể gặp phải một vấn đề là

thời gian lấy mẫu cho phép rất nhỏ nên tốc độ đo không đáp ứng được, kích

thước cảm biến lớn (gồm cả phần phát và phần thu) nên không phù hợp với

hệ bánh đà.

 Cảm biến laser.

135

- Ưu điểm: dải đo rộng từ vài mm đến hàng chục km, độ chính xác cao.

Phụ lục

- Nhược điểm: để đo khoảng cách rất ngắn thì thiết bị rất đắt do phải xử lý

được tốc độ cực cao, không phù hợp để lắp cho cơ cấu bánh đà quay với

tốc độ cao và rung (khi điều khiển vị trí) do bề mặt phản xạ ảnh hưởng tới

chùm laser.

 Cảm biến vị trí hiệu ứng dòng xoáy.

Cảm biến dòng xoáy hoạt động trong môi trường từ trường. Bộ điều khiển trong

cảm biến sẽ tạo ra một dòng xoay chiều chạy trong cuộn dây cảm biến gắn ở cuối đầu

đo. Khi đó sẽ tạo ra một từ trường xoay chiều. Từ trường xoay chiều này sẽ tạo ra

một dòng điện nhỏ trên bề mặt đối tượng cần đo. Dòng điện này chính là dòng xoáy.

Dòng xoáy này sẽ tạo ra một từ trường tương tác với từ trường được tạo bởi cuộn dây

gắn ở đầu đo. Mức độ tác động qua lại này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu đo

và bề mặt của đối tượng cần đo. Vì vậy, khi khoảng cách thay đổi dẫn tới đầu ra áp

của cảm biến cũng thay đổi theo.

Ưu điểm: độ chính xác cao,

- Ít chịu ảnh hưởng của môi trường.

- Dễ lắp đặt, rất phù hợp với cơ cấu bánh đà bằng thép.

Nhược điểm:

- Chỉ đo khoảng cách nhỏ (<5mm), tuy nhiên rất phù hợp với dải đo của hệ

thống nâng bằng từ trường.

- Giá thành tương đối cao.

Trên cơ sở các phân tích đã nêu và với điều kiện nghiên cứu, cảm biến đo vị trí

dùng đầu cảm biến EX-110 và bộ khuếch đại EX-202 của hãng Keyence. Cảm biến

đo vị trí Keyence EX-110 có thể đo không tiếp xúc vị trí của vật trong khoảng cách

từ 0-2mm, không tiếp xúc. Cảm biến này hoạt động ổn định, chống rung động và

chống shock tốt. Model EX-110 có tần số đáp ứng nhanh, chính xác, tuổi thọ cao.

6.3.4. Thiết kế cụm bệ đỡ bánh đà.

Với bánh đà rời dạng đĩa, khi ghép nối với tải của bánh đà là động cơ/máy phát,

136

bán đà được đặt để hệ cơ có trục hướng theo chiều đứng. Khi đó phân bố trọng lực sẽ

Phụ lục

cân bằng. Mô tả thiết kế hệ bánh đà nới với động cơ/máy phát và đỡ bằng ổ từ như

Ø8

hình 6.7.

Hình 6.7. Bố trí lắp ổ từ và ghép nối bánh đà – động cơ/máy phát.

6.3.5. Thiết kế khung vỏ hệ bánh đà:

Để lắp ráp toàn bộ mô hình với nam châm và bánh đà cần có hệ khung vỏ để

lắp ráp các chi tiết. Cơ cấu khung vỏ được thiết kế chi tiết như hình 6.8:

137

- Khung ngoài:

Phụ lục

Ø8

0 6 1

t é o h k ỗ L

325

275

267

Lỗ khoét

160

0 8

3 5 2

7 3 2

Ø8

172

Ø6

0 7

8 4

Ø100

325

275

300

Hình 6.8. Thiết kế khung vỏ ngoài.

138

Hình 6.9. Thiết kế nắp trên và nắp dưới.

Phụ lục

Khung vỏ ngoài dạng ống tròn với bích ghép để ghép với nắp. Khung bằng thép

tấm dày 8mm lốc trong hàn thành ống.

- Nắp trên: Nắp trên để gắn các nam châm kéo trên.

- Nắp dưới: Nắp dưới để gắn các nam châm kéo dưới và động cơ/máy phát.

Thiết kế nắp trên, nắp dưới như hình 6.9.

6.3.6. Cơ cấu lắp cảm biến.

Với cảm biến đã chọn và bánh đà, bệ đỡ đã thiết, cơ cấu gắn cảm biến để đo vị

Cảm biến

Bánh đà

trị bánh đà được thiết kế như hình 6.10.

Hình 6.10. Thiết kế cơ cấu lắp cảm biến.

6.3.7. Chế tạo, lắp ráp bánh đà, nam châm và cảm biến vị trí.

Toàn bộ các phần tử sau khi thiết kế được chế tạo theo đúng yêu cầu. Sau khi

chế tạo, các phần tử lần lượt được lắp ráp theo tình tự:

6.3.8. Lắp ráp cụm nắp dưới:

139

Cụm nắp dưới gắn động cơ và 3 nam châm dưới được lắp ráp như hình 6.11.

Phụ lục

Hình 6.11. Cụm nắp dưới đã lắp ráp.

6.3.9. Lắp ráp cụm nắp trên:

Cụm nắp trên gắn 3 nam châm trên và được lắp ráp như hình 6.12.

140

Hình 6.12. Cụm nắp trên đã lắp ráp.

Phụ lục

6.3.10. Lắp ráp bánh đà

Bánh đà được đặt vào hệ bệ đỡ như hình 6.13.

Hình 6.13. Hệ ổ từ - bánh đà – đông cơ đã lắp ráp.

6.3.11. Lắp ráp khung vỏ và cảm biến.

Sau khi lắp đặt các bộ phận chính, khung vỏ và cảm biến được lắp ráp như hình

6.14.

141

Hình 6.14. Lắp đặt khung vỏ và cảm biến.

Phụ lục

6.4. Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi công suất, đo lường và điều khiển cho các

ổ từ.

6.4.1. Thiết kế mạch khuyếch đại công suất

Tính chọn mạch lực và van công suất. Mặc dù nam châm điện của ổ từ là nam châm điện một chiều và lực từ tỷ lệ bậc

hai với dòng điện nên về lý thuyết không cần đảo chiều dòng điện nhưng để lực từ

đáp dứng nhanh theo tín hiệu của bộ điều khiển, nên bộ băm xung một chiều có đảo

đảo chiều được dùng làm mạch lực. Các van công suất dùng Mosfet chọn theo các

thông số:

- Dòng điện: Với nguồn một chiều cấp cho mạch lực là 100VDC, điện trở tính

toán của nam châm là 0,97, Tuy nhiên, tham khảo kết quả mô phỏng thử

nghiệm điều khiển ở chương 3 và chương 4 thì dòng trung bình qua cuộn dây

nam châm cũng là dòng trung bình qua van là khoảng 6A. Ta chọn hệ số dự trữ



I 1,5.



  1,5 6 9( ) A

dòng điện là 1,5. Vậy ta có:

van

(6.11)

- Điện áp: Với điện áp nguồn cấp là 100VDC, điện áp ngược mà mỗi van phải



2,5.



2,5 50 125(





)

chịu chính là 50VDC, chọn hệ số dự trữ điện áp là 2,5. Ta có:

van

nguoc

(6.12)

Từ các tính toán trên, chọn 4 Mosfet IRFP250.

DP W

Chọn phần tử điều khiển cho Mosfet Chọn vi mạch IR2110 đáp ứng yêu cầu tính toán có công suất làm điều

- Cung cấp nguồn điều khiển cực Gate từ 10 đến 20V

- Bảo vệ thấp áp cho cả hai kênh trên và dưới.

- Tương thích logic 3.3V. Cung cấp mức logic riêng biệt từ 3.3V đến 20V.

- Lôgíc và nguồn có mức lệch ± 5V

- Đầu vào CMOS Schmitt theo sườn xuống.

- Chu kỳ bằng logic chu trình tắt máy theo chu kỳ

142

khiển cho các van công suất. Đặc điểm IR2110:

Phụ lục

- Có trễ chuyển kênh phù hợp cho cả hai kênh

- Đầu ra cùng pha với đầu vào

IR2110 / IR2113 là vi mạch điều khiển Mosfet và IGBT công suất với điện áp

cao, tốc độ cao. Với các kênh điểu khiển độc lập nửa cao và nửa thấp của cầu H. Công

nghệ HVIC và chốt bảo vệ CMOS cho phép lam việc tin cậy và ổn định. Logic đầu

vào tương thích với tiêu chuẩn CMOS hoặc LSTTL đầu ra, cho phép thấp đến 3.3V

logic. Đầu ra diều khiển có đặ tính phát dòng xung cao để giảm thiếu trạng thái cross-

conduction của van công suất. Mức trễ điều khiển được thiết kế phù hợp để dễ dàng

điều khiển cho các ứng dụng tần số cao. Kênh điều khiển nửa cao thiết kế kiểu thả

nối với tụ bootstrap cho phép điều khiển MOSFET kênh N hoặc IGBT phía cao trong

cầu H hoạt động ở điện áp lên đến 500 hoặc 600 volts.

143

Hình 6.15. Sơ đồ nguyên lý ghép nối IR2110 cho mạch lực.

Phụ lục

Tính toán mạch đệm bảo vệ.

Trong thiết kế này sử dụng mạch đệm bảo vệ là mạch RC. Trong đó: Cp và Lp

là tụ điện và điện cảm kí sinh của Mosfet. Đối với van được chọn là IRFP250 có các

giá trị Cp =300 pF và Lp=12.5nF.

Thiết kế mạch đo dòng điện

Để đo dòng điện nam châm lựa chọn cảm biến Hall để đảm bảo đo dòng điện

cả hai chiều và cách ly với mạch điều khiển. Với thông só dòng điện đã có chọn cảm

biến Hall LA25NP có dải đo tới 25A và có thể thay đổi thang đo như hình 6.16.

Hình 6.16. Cảm biến đo dòng Hall và cách kết nối.

Hình 6.17. Mạch công suất với đo dòng dùng LA25P.

Thiết kế nguyên lý mạch công suất..

Sau khi tính toán thiết kế và chọn các phần tử, sơ đồ nguyển lý tổng thể mạch

144

lực như hình 6.19:

Phụ lục

145

Hình 6.18. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi.

Phụ lục

Thiết kế và lắp ráp mạch công suất.

Sau khi thiết kế và kiểm tả mạch nguyên lý, mạch đã được thiết kế, lắp ráp và

hiệu chỉnh. Hình ảnh mạch lực sau khi thiết kế:

146

Hình 6.19. Mạch lực bộ băm xung đã lắp ráp.

Phụ lục

6.4.2. Thiết kế mạch điều khiển dòng điện.

Phương án mạch điều khiển dòng điện.

Với yêu cầu dòng điện cuộn dây (tải R-L) đáp ứng nhanh với tín hiệu điều khiển,

mạch công suất xung áp đảo chiều như đã thiết kế trên sẽ được điều khiển bằng

phương pháp điều khiển đối xứng. Theo [57], với điều khiển đối xứng, dòng điện qua

tải R-L sẽ biến thiên nhanh hơn so với các phương pháp điều khiển khác.

Ngoài ra khi ổ từ làm việc, các thông số R-L của cuộn dây có thể thay đổi. Điện

trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi, đặc biệt điện cảm thay đổi nhiều khi khe hở giữa ổ

từ và bánh đà thay đổi. Do vậy để đảm bảo dòng điện qua cuộn dây luôn bám theo

dòng điện mong muốn, cần có mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

Xác định thông số điện từ của nam châm:

Để thiết kế mạch điều chỉnh dòng điện, cần xác định các thông số R-L của cuộn

dây. Việc xác định thông số có thể thực hiện bằng tính toán từ thiết kế, đo trực tiếp

0,97

. Điện cảm cuộn dây cũng được đo bằng thiết bị đo R-L-C được giá trị

cR 

và thực nghiệm. Điện trở của cuộn dây đo trực tiếp bằng đồng hồ đo và có giá trị



0,542

cmaxL

khi bánh đà gần tiếp xúc với ổ từ (e = 0,1mm) là và khi khe hở lớn



0,028

Cmi nL

nhất (e=1,9mm) là . Tuy nhiên vì thông số của mạch vòng dòng điện

là cố định (mạch analog) nên sẽ thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện với thông số điện



0, 054

CcbL

cảm khi bánh đà ở điểm giữa ổ từ (e=1mm) với



G s ( )



Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện  Mô hình hóa nam châm điện:

( ) I s U s ( )

1 /  1

1  L s . C

R C T s C

R C

(6.13)



T C

L C R C

Trong đó: là hằng số thời gian điện từ của nam châm.

 Mô hình hóa mạch băm xung:

Mạch băm xung có thể mô hình hóa là khâu quán tính bậc nhất có hệ số khuếch

bxK và hằng số thời gian là

bxT .

147

đại là

Phụ lục



K bx  T s bx

(6.14)

 Mô hình hóa khâu đo dòng:

Với mạch đo dòng dùng cảm biến Hall LA-25P và các mạch phụ trợ như đã

thiết kế với dòng tải là 1A thì điện áp ra tương ứng là 1V. Ngoài ra các mạch lọc có

hệ số lọc rất nhỏ nên ta có hàm truyền của khâu đo dòng như biểu thức 6.15 với hệ

iK  . Vậy hàm truyền khâu đo dòng điện là:



số khuếch đại

K 

i T s i

(6.15)

 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Cấu trúc mạch vòng dòng điện cho 1 cuộn dây nam châm điện sau khi mô hình

Uiđ

R1 Tbx.s+1 Băm xung

1/R1 TI1.s+1 Cuộn dây

Uiph

Ki Ti.s+1 Đo dòng

hóa các khâu:

Hình 6.20. Mạch vòng dòng điện điều khiển các nam châm điện.

G G G







Đối tượng điều khiển của mạch vòng dòng điện là:

i 1

Coil

. . 1

1/ 

K bx  T s bx

R 1 T s . 1 I

(6.16)

iR theo chuẩn tối ưu đối xứng với dạng hàm

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

chuẩn:



1   s

 1 2

 2

2 2 s

(6.17)

Ta có bộ điều chỉnh dòng điện:



R i

 T s R (1 ) 1 1 I 2 T K s bx bx

148

; (6.18)

Phụ lục

Thiết kế mạch điều khiển Sơ đồ nguyển lý tổng thể mạch điều khiển dòng điện như hình 6.23:

149

Hình 6.21. Mạch điều khiển dòng điện.

Phụ lục

Mạch điều khiển đã thiết kế và lắp ráp.

Hình 6.22. Mạch điều khiển đã lắp ráp.

6.4.3. Hiệu chỉnh bộ điều chỉnh dòng điện

Từ các thông số thiết kế, chế tạo mạch vòng dòng điện ở phần phụ lục, các kết

quả đã được sử dụng để thiết kế các bộ điều khiển vị trí ở chương 3 và 4. Để đảm bảo

sự tin cậy và chất lượng thí nghiệm, cần hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện để đạt được

các thông số và chỉ tiêu đã đề ra.

Hiệu chỉnh tĩnh dòng điện

Trong phần phụ lục đã tổng hợp được mạch vòng dòng điện và tính toán được

thông số của bộ điều khiển dòng điện và thiết kế để cho phép hiệu chỉnh được các

tham số bộ điều chỉnh dòng điện. Theo sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh dòng điện

đã thiết kế như hình 6.24, các thông số của bộ điều chỉnh dòng điện (PI) cần chỉnh

P 09



0 286 ,58

 42 R

R K

T I 2T bx

trên mạch:

Ω)









bx 2860,58

.470 1000 1343, 4





726(

P 09

41 K R . p



(





0,1397



T K R i

P C ) 08 5

L R

(6.19)

Ω











1000 3883,62



P 08

 8

0,9726 6,96 0,1397 2860,58.10

T i K C . 5 p

(6.20)



Các bước hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện như sau:

150

Bước 1: Chỉnh hệ số phản hồi khâu đo dòng điện.

Phụ lục



Bước 2: Chỉnh bộ điều khiển dòng điện.

Để chỉnh hệ số khuyếch đại khâu dòng điện trước tiên đưa về mạch vòng dòng

điện hở. Sau đó điều chỉnh lượng đặt và đo tín hiệu phản hồi dòng để kiểm tra mạch

phản hồi. theo dõi dòng phản hồi về có tăng hay giảm theo lượng đặt hay không. Các

bước làm cụ thể như sau: Cấp nguồn điều khiển, nguồn cho mạch lực, và nối tải là

cuộn nam châm vào mạch lực. Trên mạch điều khiển chuyển chân jump JP1 sang vị

trí để tín hiệu đặt lượng đặt dòng điện cho mạch vòng dòng điện là chiết áp P02. Thiết

lập lượng đặt là 2.5V tại điểm T03. Dùng đồng hồ đo dòng để đo dòng điện thực qua

cuộn dây nam châm và chỉnh hệ số khuyếch đại dòng điện

Việc chỉnh mạch vòng dòng điện kín rất quan trọng bởi nó quyết định chất lượng

của mạch vòng dòng điện. Như đã tính toán ở trên, ta chọn được các linh kiện để phù

ổn định dòng điện

hợp với bộ điều chỉnh PI của mạch vòng dòng điện. Kiểm nghiệm khả năng điều khiển và

Để kiểm nghiệm chất lượng điều khiển của mạch vòng dòng điện khi tín hiệu

thay đổi, tiến hành thử nghiệm với một số kiểu tín hiệu đặt biến thiên. Sử dụng máy

phát tín hiệu tạo lượng đặt thay đổi như tín hiệu điện áp sóng vuông, sóng tam giác

hoặc sóng sin với tần số khác nhau, biên độ khác nhau và đối chiếu cả tín hiệu đặt và

tín hiệu phản hồi trên máy hiện sóng như hình 6.28.

Hình 6.23. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện.

Có thể thấy đáp ứng của tín hiệu dòng điện thực (đường màu vàng) bám sát theo

tín hiệu dòng điện đặt (đường màu xanh) mà máy phát xung tạo ra. Do vậy bộ điều

khiển PI đã thiết kế hoàn toàn có khả năng đáp ứng được tín hiệu mà bộ điều chỉnh

151

vị trí tạo ra.

Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ bánh đà

Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong truyền động động cơ - bánh đà để nâng cao chất lượng của hệ. Mời các bạn cùng tham khảo!

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

NGUYỄN DANH HUY

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH

HỢP TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ- BÁNH ĐÀ

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

MỞ ĐẦU

i. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu nghiên cứu hệ truyền động động

cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.

ii. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

iii. Phương pháp nghiên cứu.

1. CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ

TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

2. CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

Ổ từ

Kết hợp (2.7), (2.10) và (2.15) ta có được:

; 

Mx R M

S-1

S

P S D

3. CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ

Ổ từ

+

-

+

-

F

M

S-1

R

+

-

S

4. Chương 4

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN

ĐỘNG ĐỘNG CƠ – BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG

Tạo quỹ đạo



M

S-1

R

Tạo quỹ đạo

S

F

M

S-1

R

F

5. CHƯƠNG 5

THỰC NGHIỆM

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ÐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

6. PHỤ LỤC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng