Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ" được nghiên cứu nhằm 2 mục tiêu: Tìm hiểu về mô tả toán học cho ổ đỡ từ; thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ (với phạm vi nghiên cứu là điều khiển ổ đỡ từ). Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN PHƯƠNG LẬP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2017
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN PHƯƠNG LẬP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS.TRẦN XUÂN MINH PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN, 2017
1 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ cần giải quyết 2 bài toán điều khiển: - Điều khiển động cơ bằng các phương pháp điều khiển như đối với động cơ không có tích hợp ổ đỡ từ. - Điều khiển ổ đỡ từ nhằm giữ trục động cơ ở chính giữa tâm của 2 ổ đỡ từ. Mục tiêu của luận văn là điều khiển trục động cơ ổn định ở chính giữa tâm của 2 ổ đỡ từ ở 2 đầu trục động cơ nên phạm vi nghiên cứu của đề tài luận văn là tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển ổ đỡ từ nhằm đạt chất lượng điều khiển như mong muốn. Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới. Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do kích thước lớn và giá thành cao. Nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế vòng bi cơ khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ,... sẽ là điều tất yếu. Phần quan trọng của các ổ đỡ từ là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các ổ đỡ từ có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn... Thực tế này là do phần động lực học của các ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao, mà thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các ổ đỡ từ) chịu tác dụng của nhiễu và chứa các tham số thay đổi trong quá trình hoạt động chưa được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế bộ điều khiển đảm bảo cho các ổ đỡ từ có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc. Mặt khác, hiện tại có nhiều phương pháp điều khiển ổ đỡ từ, nhưng trong giới hạn đề tài này tôi lựa chọn nghiên cứu "Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ". 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về mô tả toán học cho ổ đỡ từ.
2 - Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ (với phạm vi nghiên cứu là điều khiển ổ đỡ từ). 3. Nội dung của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan về động cơ tích hợp ổ đỡ từ Chương 2: Mô tả toán học ổ đỡ từ tích cực trong điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ cho ổ đỡ từ trong động cơ tích hợp ổ đỡ từ Kết luận và kiến nghị
3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Giới thiệu chung Thực tế cho thấy các hệ thống truyền động sử dụng động cơ với trục chuyển động được giữ bởi các vòng bi cơ khí, ổ đỡ chất lỏng có nhiều nhược điểm về độ bền, ma sát, hạn chế tốc độ…. Trong khi đó các vòng bi dạng ổ đỡ từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần có tiếp xúc cơ học. Do đặc điểm treo nhờ lực từ không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ từ có một số ưu điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông thường. Những ưu điểm này bao gồm loại bỏ được các hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao và các đặc tính động có thể điều chỉnh được. Các vòng bi dạng ổ đỡ từ có khả năng đáp ứng khả năng chịu tải lớn bằng cách tối ưu hóa hệ thống và các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí của ổ đỡ, từ thông bão hòa của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lượng vòng dây trên các cực từ và công suất bộ khuếch đại. Các vòng bi dạng ổ đỡ từ có thể cho phép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ rất cao, nhiệt độ rất thấp và chân không. Một hệ thống đo lường hiện đại tích hợp trong hệ thống treo từ tính không chỉ giám sát tức thời các thông số của hệ như vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động hướng trục, dòng điện, nhiệt độ và tốc độ quay mà hệ thống đo lường này còn có thể phân tích được sự mất cân bằng bằng cách tính toán được vị trí và biên độ của nó. Bộ điều khiển có thể thay đổi các thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ. Điều này cho phép bộ điều khiển điều chỉnh được đặc tính động ảnh hưởng lên các tần số cộng hưởng của hệ thống và làm giảm rung động lan truyền [6]. Ứng dụng của công nghệ đỡ từ đã trải qua một sự phát triển rõ rệt trong những năm gần đây. Đã có nhiều các nghiên cứu quan trọng được tiến hành bao trùm lên tất cả các lĩnh vực liên quan đến ổ đỡ từ. Ta có thể kể ra ở đây bao gồm công nghệ cảm biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu và các thành phần… Cho đến nay, các ứng dụng quan trọng của các vòng bi dạng ổ đỡ từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, các thiết bị y tế công nghệ cao, các ứng dụng cho môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm
4 việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly rung động [6]. 1.2. Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các ổ đỡ từ 1.2.1 Nguyên lý làm việc cơ bản Cấu trúc điện - từ cơ bản và một bộ điều khiển phản hồi cho một hệ thống treo từ tính một trục được thể hiện như trong hình vẽ 1.1. Kích thích của cuộn dây sẽ tạo ra lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật. Khi đó đối tượng sẽ được giữ tự do theo phương thẳng đứng. Dòng điện i sẽ tạo ra từ thông ψ. Đường đi của từ thông được thể hiện bằng đường nét đứt và đi qua khe hở không khí hai lần theo chiều thẳng đứng. Lực hấp dẫn giữa vật thể treo và lõi sắt từ là một hàm số của dòng điện i, và tỷ lệ thuận với bình phương với dòng điện i khi lõi sắt từ chưa bão hòa. Trong các điều kiện xác lập, lực hấp dẫn này được điều chỉnh để bằng với tích của trọng lượng vật treo m và gia tốc trọng trường ga nhằm thỏa mãn cân bằng lực. Sensor chuyển vị sẽ đo mức độ dịch chuyển của vật thể treo theo chiều thẳng đứng so với vị trí chuẩn của nó. Điện áp ra của sensor sẽ là tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển. Một bộ vi xử lý đóng vai trò như là một bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển từ thông tin đo lường, một bộ khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển này thành dòng điện điều khiển, và dòng điện này sẽ sinh ra từ trường trong mạch từ, như vậy các lực từ sẽ được tạo ra. Bằng cách đó, vật thể sẽ được treo ở vị trí lơ lửng của nó. Một lượng đặt của lực từ được tạo ra để treo ổn định vật thể. Lượng đặt của lực này bằng tổng đại lượng của lực tắt dần và lực đàn hồi. Lượng điều khiển của lực đàn hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị của vật thể treo. Còn đối với lực tắt dần thì lực này tỷ lệ thuận với tốc độ dịch chuyển của vật thể treo. Các đại lượng này có chiều ngược với chuyển vị và tốc độ đối với phản hồi âm. Bộ điều khiển tạo ra lượng dòng điện điều khiển để nhằm tạo ra lực từ bám sát với lượng lực từ đặt. Bộ điều chỉnh dòng điện sẽ điều khiển dòng điện bằng cách đặt một điện áp lên các đầu cuộn dây.
5 Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống treo nhờ lực từ trường (treo từ tính) Hình 1.2: Chức năng cơ bản của một ổ đỡ từ chủ động: Treo rotor theo phương thẳng đứng Dòng điện i chạy trong một cuộn dây, và nếu ta giả thiết rằng cuộn dây có số vòng dây là N thì khi đó một lực từ động (MMF) được sinh ra và bằng Ni. Với các vật liệu sắt từ có độ thẩm từ cao thì từ thông sẽ đi theo đường như trong hình vẽ và đi qua khe hở hai lần. Độ tập trung từ thông cực đại trong khe hở không khí sẽ quyết định độ lớn của lực trong phần điện từ. Độ tập trung từ thông lớn sẽ tạo ra lực từ lớn. Tuy nhiên, độ tập trung từ thông cực đại được giới hạn trong khảng từ (1.7 ÷ 2) T đối với thép silic thông thường. Một lưu ý quan trọng nữa đó là chiều dài khe hở không khí phải được giữ càng nhỏ càng tốt để giảm dòng điện và các tổn thất. Bằng cách chủ động điều khiển động lực học của phần điện từ để tạo ra các lực điện từ chính là nguyên lý cơ bản mà trên thực tế được sử dụng trong hầu hết các ổ đỡ
6 từ. Trên hình 1.2 giới thiệu các thành phần chính và diễn giải chức năng của một ổ đỡ từ đơn giản để nâng rotor theo một hướng. Luật điều khiển ở đây thực hiện nhiệm vụ duy trì sự ổn định của trạng thái treo cũng như độ cứng và độ tắt dần của quá trình treo đó. Độ cứng và độ tắt dần có thể được thay đổi rộng trong giới hạn vật lý của hệ thống, và có thể được điều chỉnh theo yêu cầu công nghệ. Đồng thời chúng có thể được thay đổi trong suốt quá trình làm việc theo yêu cầu của bài toán điều khiển đặt ra. 1.2.2 Phân loại các kiểu treo từ tính Có rất nhiều các kiểu thiết kế khác nhau để tạo ra các lực từ nhằm hỗ trợ hoặc treo một vật thể mà không chịu bất kỳ một tiếp xúc nào. Thậm chí vật thể đó không thể treo ở trạng thái ổn định và tự do thì ít nhất việc treo này cũng có thể đạt được trong một vài bậc tự do. Phân loại này mang tính hệ thống bao trùm lên các kiểu treo từ tính đã biết. Theo cách mà các lực từ được tính toán và biểu diễn thì ta có thể chia ra làm hai nhóm chính, đó là lực từ trở và lực Lorentz. Đối với trường hợp thứ nhất, lực từ trở được sinh ra từ năng lượng tích trữ trong từ trường và có thể chuyển đổi sang dạng cơ năng. Do vậy, lực từ trở thu được từ công thức sau: W f (1.1) s Trong đó: W là năng lượng từ trường. s là độ dịch chuyển của vật thể treo. Lực từ xét trong trường hợp này này luôn gia tăng tại bề mặt giữa các độ từ thẩm tương đối khác nhau μr, ví dụ như giữa thép và không khí. Hướng của lực vuông góc với bề mặt của các lớp vật liệu khác nhau. Sai lệch tương đối của độ từ thẩm càng lớn thì lực từ f càng lớn. Với các vật liệu sắt từ có μr >> 1 thì các lực từ này có thể rất lớn, do vậy mà nó có thể đáp ứng được những yêu cầu trong các ứng dụng kỹ thuật. Trong các tài liệu về máy điện, độ cản từ được gọi là từ trở. Giá trị này tỷ lệ nghịch với độ thẩm từ μr. Lực tác động theo cách này thường có xu hướng làm giảm độ từ trở. Các động cơ điện khai thác thuộc tính này được gọi là động cơ từ trở.
7 Một điều kiện tiên quyết nữa đó là các lực từ tác động lên vật thể phải giữ cho vật thể ở trong trạng thái treo ổn định. Trong các ứng dụng công nghiệp, thông thường một mạch vòng điều khiển là cần thiết để thích ứng liên tục từ trường đối với chuyển động của vật thể treo. Yêu cầu này dẫn đến khái niệm các vòng bi dạng ổ đỡ từ dạng ổ đỡ từ tích cực. Nằm trong nhóm phân loại này gồm có các bộ treo từ loại 1 đến loại 4. Loại 1 được gọi là các bộ treo lực từ trở tích cực. Kiểu này thậm chí còn có thể phân biệt theo nhiều dạng khác nhau, chẳng hạn như theo cách điều khiển tích cực, theo từ trường, từ thông, khoảng cách giữa stator và rotor được điều khiển. Loại 2 là các bộ treo dùng mạch LC. Mạch LC được cấu trúc bởi điện cảm của cuộn dây treo điện từ và một tụ điện. Độ chuyển dịch của rotor làm thay đổi điện cảm của mạch điện từ. Mạch LC làm việc tại vùng gần cộng hưởng và được điều chỉnh sao cho tiếp cận vùng cộng hưởng khi rotor dịch chuyển ra xa khỏi phần điện từ. Điều này tạo ra một dòng điện gia tăng từ nguồn điện áp xoay chiều và do đó sẽ kéo rotor trở lại vị trí danh định của nó. Lực và độ cứng không lớn nhưng đủ để đáp ứng cho một số các ứng dụng của các dụng cụ đo. Do kiểu này ổn định mà không cần mạch vòng điều khiển nên được gọi là thụ động. Nhược điểm chính của kiểu này đó là không thể tắt dần. Loại 3 là loại từ trường vĩnh cửu (μr >> 1) có cấu trúc tĩnh và không thể ổn định hóa vị trí của vật thể treo. Những kiểu treo như này yêu cầu có thêm các lực hồi chuyển như trong trường hợp của Levitron, hoặc vật liệu nghịch từ (μr < 1) để đạt được trạng thái treo ổn định với các lực nhỏ, hoặc các chất siêu dẫn (μr = 0). Tuy vậy, việc ứng dụng từ trường vĩnh cửu là rất hữu ích để hỗ trợ cho vật thể hoặc làm giảm tải của nó theo một phương đối với ổ đỡ thông thường. Các thiết bị theo loại 4 dựa vào thuộc tính rất đặc biệt của vật liệu, μr = 0. Chỉ có những vật liệu có thuộc tính như vậy mới được gọi là vật liệu siêu dẫn. Đặc tính nổi trội của loại này đó là tại nhiệt độ rất thấp, vật liệu sẽ trở thành siêu dẫn, không còn điện trở. Dòng điện trong cuộn dây siêu dẫn sẽ vẫn tiếp tục duy trì thậm chí ngay cả khi không còn duy trì điện áp trên nó. Mặc dù chứa đựng nhiều đặc tính kỹ thuật thú vị nhưng kiểu này vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu tại phòng thí nghiệm và các ứng dụng công nghiệp của nó sẽ phát triển mạnh trong thời gian không xa.
8 Trường hợp thứ hai trong phân loại các kiểu treo từ tính được gọi là lực điện từ (hay là lực Lorentz). Lực này do trường điện từ tác động lên các hạt mang điện tích gây nên. f = Q(E + v x B) (1.2) với, E là vector cường độ điện trường tại vị trí của hạt mang điện; Q là điện tích của hạt mang điện; v là vector vận tốc chuyển động của hạt mang điện và B là cường độ từ cảm. Khi không quan tâm đến khái niệm tĩnh điện, ta bỏ qua E tại (1.2) và (Q.v) được thay thế bằng dòng điện i, Từ đây dẫn đến biểu thức tích chéo 2 véc tơ sau: f=ixB (1.3) Lực tạo ra vuông góc với các đường từ thông, độc lập với khe hở không khí và phụ thuộc tuyến tính với dòng điện (ta giả thiết ở đây là từ thông cũng không phụ thuộc vào dòng điện). Dựa trên lực Lorentz, các kiểu treo từ tính lại được chia ra làm 4 loại khác nhau dựa trên dòng điện i. Đối với dòng điện cảm ứng thì ta có hai cơ chế có thể xảy ra: hoặc là có sự tương tác giữa một từ trường vĩnh cửu với một vật dẫn chuyển động, hoặc là sự tương tác xảy ra, khi không có chuyển động tương đối, giữa một vật dẫn và điện từ biến thiên (nguồn xoay chiều). Trường hợp còn lại, dòng điện có thể được điều khiển tích cực và tương tác với một từ trường. Với loại này lại có 2 khả năng xảy ra: hoặc là từ trường được tạo ra bởi một từ trường vĩnh cửu, hoặc là có sự tương tác giữa dòng điện điều khiển và dòng điện cảm ứng. Cả bốn kiểu này được mô tả tuần tự trên hình vẽ từ loại 5 đến loại 8 [6].
9 Hình 1.3:
10 1.3. Vòng bi dạng ổ đỡ từ (Vòng bi từ) tích cực và các ứng dụng nổi bật Sau hơn 3 thập kỷ kể từ khi bắt đầu được ứng dụng, các vòng bi dạng ổ đỡ từ tích cực (Active Magnetic Bearings - AMB) được dùng nhiều hơn so với các vòng bi dạng ổ đỡ từ thụ động (Passive Magnetic Bearings - PMBs). Khái niệm tích cực là chỉ ra rằng các lực đỡ được điều khiển bằng các phần tử điện từ, một vòng điều khiển phản hồi phù hợp với các thành phần khác chẳng hạn như các cảm biến và các bộ khuếch đại công suất. Ngược lại, vòng bi dạng ổ đỡ từ thụ động chỉ tạo ra các lực đỡ bằng các nam châm vĩnh cửu. Ưu điểm chính của Vòng bi dạng ổ đỡ từ chủ động được đặc trưng bởi khả năng điều khiển dễ dàng và tự do (nằm trong giới hạn vật lý), trong khi các vòng bi dang ổ đỡ từ thụ động chỉ có những thuộc tính cố định phụ thuộc vào kích cỡ và thiết kế cơ khí của chúng. Ngoài ra, các vòng bi dạng ổ đỡ từ thụ động còn có một nhược điểm lớn đó là khả năng tắt dần thấp. Vậy nên loại này bị hạn chế trong các ứng dụng công nghiệp mà có sự xuất hiện của nguồn dao động tắt dần [6]. 1.3.1 Các cấu trúc cơ bản của ổ đỡ từ chủ động Dưới đây mô tả một số cấu trúc đặc trưng của máy điện không ổ đỡ. Trong đó, các cấu trúc ổ đỡ từ chủ động theo hai phương, năm phương và sự phối hợp giữa các ổ đỡ từ thông thường và các ổ đỡ cơ khí sẽ được đề cập cụ thể [6]. Hình 1.4: Vòng bi từ chủ động theo hai phương: (a) có trục xoay ở dưới đáy; (b) không tiếp xúc Một cấu trúc treo từ tính điển hình theo 2 phương được thể hiện trên Hình 1.4. Trong hình 1.4(a), trục động cơ nằm trong lõi của rotor. Treo từ tính theo hai phương được nhận biết bởi các lực từ giữa rotor và stator. Tại phía cuối của trục động cơ có bố trí một trục xoay nhằm định vị hướng trục và hướng kính cho đầu cuối của trục. Cấu
11 trúc này phù hợp cho các máy trục đứng. Trong khi tại hình 1.4(b), trục động cơ bị loại bỏ ra khỏi cấu trúc. Định vị tích cực theo hai phương tạo ra quá trình treo thụ động cho chuyển động hướng trục và nghiêng. Do đó, ta có thể nhận ra được treo thụ động bởi sự hạn chế về độ dài của lõi trục. Tuy nhiên, với thiết kế đúng đắn, loại này cho ra các hệ truyền động không ổ đỡ nhỏ gọn và giá thành thấp. Dưới đây là hình 1.5 thể hiện mặt cắt ngang của một số cấu trúc treo từ tính tích cực theo năm phương. Hình 1.5: Các kiểu treo từ tính tích cực theo năm phương: (a) rotor nằm ở bên trong; (b) rotor nằm ở bên ngoài; (c) rotor rỗng; (d) Hai bộ treo được dùng để tạo ra các lực hướng kính theo bốn phương. Một bộ treo từ chặn là để định vị tích cực hướng trục trên phương thứ năm. Trong hình 1.5(a), có hai rotor nằm trên trục theo vị trí cái trước, cái sau. Rotor và trục cùng quay bên trong hai lõi thép stator. Các tải chẳng hạn như máy bơm và bộ đẩy máy nén có thể được gắn vào đầu cuối của trục. Trong hình 1.5(b), rotor được đặt phía ngoài của hai stator. Cấu trúc kiểu này phù hợp với các loại truyền động bánh đà hay là các ổ đĩa video số (DVD) và ổ đĩa cứng. Cách bố trí như trong hình 1.5(c) chính là sự cải biến của hình 1.4(a). Trong lòng trục rỗng nhằm để cho, chẳng hạn như dòng chất lỏng chạy qua, và bộ từ chặn được đặt ở giữa hai vòng bi dạng ổ đỡ từ trong trường hợp treo tích cực theo năm phương. Cấu trúc này thích hợp cho các thiết bị đo lưu lượng,
12 các bơm nguyên liệu đóng hộp, các trục quay… Trong các hình 1.5(a, b, và c) có sử dụng một ổ từ chặn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi lực hướng trục thấp hoặc không yêu cầu định vị hướng trục chính xác thì không cần đến kiểu ổ chặn này. Trong những trường hợp này, định vị hướng trục có thể được xác định bằng định vị thụ động như trong hình 1.5(d). Trong trường hợp này, rotor nằm trong các bộ treo không ổ đỡ được giữ tự nhiên ở vị trí chính giữa bằng các lực từ. Khi các vòng bi dạng ổ đỡ từ sinh ra một lượng từ thông đáng kể, trục động cơ sẽ chịu một lực đàn hồi đủ lớn dưới sự dịch chuyển hướng trục để duy trì quá trình truyền động hướng trục ổn định. Hình 1.6 biểu diễn mặt cắt ngang của các bộ treo khác nhau khi chúng được phối hợp với các loại ổ đỡ thông thường, cơ khí và từ tính Hình 1.6: Các dạng kết hợp giữa vòng bi từ và vòng bi cơ khí: (a) với vòng bi từ thông thường; (b) với vòng bi cơ khí thông thường; (c) với trục dài . Trong hình 1.6(a), khối bên trái là một ổ đỡ từ tính hướng kính thông thường. Chỉ có khối bên phải là một bộ treo. Cách bố trí này phù hợp với tải có lực hướng kính lớn ghép ở đầu trục phía trái. Trong hình 1.6(b), các ổ đỡ cơ khí được đặt tại hai đầu của bộ treo. Khi quay ở tốc độ rất cao, trục động cơ có tốc độ tới hạn gây ra xoắn trục. Rung động sẽ xuất hiện tại tốc độ này. Bộ treo có thể ngăn chặn những rung động này. Trong hình 1.6(c), tải được điều khiển bằng một động cơ thông thường có trục dài. Bộ treo được đặt gần chính giữa của trục nhằm ngăn chặn sự rung động trên trục động cơ.
13 1.3.2 Hệ truyền động sử dụng Ổ đỡ từ tích cực Để thấy được cấu trúc căn bản của một hệ thống truyền động động cơ dùng các vòng bi dạng ổ đỡ từ, ta có thể mô tả bằng hỉnh 1.7. Hình 1.7: Động cơ sử dụng AMB Động cơ được đặt ở vị trí giữa của hai vòng bi dạng ổ đỡ từ hướng kính. Mỗi một vòng bi dạng ổ đỡ từ hướng kính tạo ra các lực hướng kính theo hai hướng trục vuông góc. Các lực hướng kính được điều khiển bằng các hệ thống điều khiển phản hồi âm sao cho vị trí của trục được điều chỉnh ở vị trí chính giữa của khung stator. Vòng bi dạng ổ đỡ từ bên trái được điều chỉnh trong hệ trục tọa độ x1 và y1. Vòng bi dạng ổ đỡ từ bên phải được điều chỉnh trong hệ trục tọa độ x2 và y2. Vị trí của ổ chặn theo trục z (là hướng của trục động cơ) được điều chỉnh bởi các lực hướng kính sinh ra từ một vòng bi dạng ổ đỡ từ chặn. Như vậy, tổng thể có tất cả năm trục tọa độ x1, y1, x2, y2 và z được điều khiển bởi các hệ thống treo từ tính. Mỗi một vòng bi dạng ổ đỡ từ có bốn cuộn dây trên stator, hai cuộn dây được bố trí trên trục x và hai cuộn dây được bố trí trên trục y. Dòng điện trên một cuộn dây sẽ sinh ra lực từ hấp dẫn. Lực hướng kính theo phương trục x được sinh ra do sai lệch giữa các lực từ hấp dẫn do các cuộn dây trên trục x gây ra. Dòng điện trong các cuộn dây của hai vòng bi dạng ổ đỡ từ được điều khiển bởi các mạch điện tử công suất, thông thường là các bộ biến tần nguồn áp một pha. Một bộ biến tần một pha điều khiển dòng điện trên một cuộn dây. Do đó, cần phải có bốn bộ biến tần một pha với tám đầu ra cho mỗi vòng bi dạng ổ đỡ từ .
14 Trong vòng bi dạng ổ đỡ từ chặn gồm có hai cuộn dây, do đó hai bộ biến tần một pha được dùng để điều chỉnh các dòng điện trên các cuộn dây này và tạo ra lực hướng kính theo hướng trục. Động cơ sinh ra momen trên trục động cơ hay là trục z. Tốc độ quay trên trục động cơ được điều khiển bởi momen của động cơ và được mô tả bằng phương trình momen của hệ thống. Một biến tần ba pha được dùng để cung cấp tần số và điện áp thay đổi được dựa vào những yêu cầu về momen và tốc độ quay trên trục động cơ. 1.3.3 Truyền động không ổ đỡ Ngày nay, hầu hết những yêu cầu bảo dưỡng đối với một hệ thống truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Dầu nhờn bôi trơn và bản thân các ổ đỡ phải được thay thế định kỳ. Nếu trục động cơ được treo bằng một lực từ thì các công việc bảo dưỡng này sẽ không còn cần thiết nữa. Do đó, yếu tố “nâng” – “không ổ đỡ” thu hút rất nhiều sự quan tâm từ các công nghệ sử dụng động cơ để truyền động. Cấu trúc của một hệ thống truyền động không ổ đỡ được thể hiện như trong hình 1.8. Hai bộ treo được đặt trên một trục đơn. Mỗi một bộ treo sẽ tạo ra các lực hướng kính và mômen quay. Bộ treo bên trái làm nhiệm vụ định vị hướng kính cho x 1 và y1 trong khi x2 và y2 được định vị bởi bộ treo bên phải. Mômen quay tổng sẽ bằng hai lần mômen danh định của bộ treo. Mỗi một bộ treo có ba đầu cực cho dây quấn treo và ba đầu cực khác cho dây quấn động cơ. Dây quấn các pha tương ứng của động cơ trong mỗi bộ được mắc nối tiếp như trong hình 1.5 sao cho hai cuộn dây mắc nối tiếp trên mỗi pha tạo thành ghép nối Y. Hình 1.8: Truyền động không ổ đỡ
15 Khi mắc nối tiếp dây quấn các pha giữa hai bộ treo và rotor được bố trí trực tiếp trong hai bộ này sao cho nếu như dòng điện nằm trên trục q của rotor ở trong một bộ treo thì cũng nằm trên trục q của rotor của bộ treo kia. Một bộ biến tần ba pha được mắc với các dây quấn của động cơ để cung cấp điện áp và tần số thay đổi được để điều khiển chuyển động cho động cơ. Hai bộ biến tần ba pha làm việc độc lập được mắc với các đầu cực của dây quấn treo nhằm cung cấp dòng điện treo theo yêu cầu để sinh ra các lực hướng kính theo bốn trục x1, y1 và x2, y2 bằng các bộ điều khiển phản hồi âm và cảm biến vị trí của trục động cơ. Dưới đây là một số ưu điểm của các hệ truyền động không ổ đỡ, là sự kết hợp giữa vòng bi dạng ổ đỡ từ và động cơ:  Nhỏ gọn: Do độ dài trục của hệ truyền động không ổ đỡ ngắn nên chúng có tốc độ tới hạn cao và làm việc ổn định hơn.  Giá thành thấp: Trong các hệ này số lượng dây quấn ít hơn; số lượng các biến tần được sử dụng cũng ít hơn; sử dụng bộ biến tần ba pha tiêu chuẩn (giá thành thấp).  Hiệu suất cao: Nếu như có cùng độ dài trục thì hệ truyền động không ổ đỡ có thể tạo ra hiệu suất làm việc cao hơn. 1.3.4. Những đặc trưng cơ bản của AMB Những thuộc tính cụ thể của AMB khiến cho chúng trở nên rất hữu dụng trong các ứng dụng sẽ được tổng kết lại như sau:  Thuộc tính không tiếp xúc, và không còn hệ thống bôi trơn và lớp chống bụi bẩn sẽ cho phép những loại ổ đỡ này được sử dụng trong các hệ thống chân không, trong các môi trường sạch tuyệt đối hoặc ở môi trường nhiệt độ rất cao.  Khoảng cách giữa rotor và ổ đỡ thường là rất bé, chỉ bằng khoảng một vài phần của 1mm, tuy nhiên trong một số ứng dụng cụ thể, nó có thể lên đến 20mm.  Rotor có thể cho phép quay ở các tốc độ cao. Tốc độ quay tròn bên trong ổ đỡ, chỉ bị giới hạn bởi độ bền vật liệu của rotor.  Tổn thất trong ổ đỡ thấp. Khi làm việc ở tốc độ cao, tổn thất do các bộ AMB gây ra thấp hơn từ 5 đến 20 lần so với các loại ổ đỡ thông thường.  Khả năng chịu tải cụ thể của AMB phụ thuộc vào vật liệu sắt từ và thiết kế của nó, thông thường khoảng 20N/cm2 và có thể đạt đến 40N/cm2.
16  Động lực học của quá trình treo không tiếp xúc phụ thuộc chủ yếu vào luật điều khiển được áp dụng. Một bộ vi xử lý sẽ thực thi việc điều khiển khiến cho thiết kế điều khiển trở nên rất linh hoạt. Do đó, mà nó có thể làm thích ứng độ cứng và độ tắt dần với công việc treo và với trạng thái làm việc thực cũng như là với tốc độ của rotor. Điều này chỉ ra rằng độ cứng động có thể sử dụng cho việc cách ly rung động, để vượt qua các tốc độ tới hạn mà không làm gia tăng một lượng lớn về biên độ của rung động, hoặc để ổn định rotor khi nó bị tác động bởi các nhiễu không mong muốn.  Bù mất cân bằng và quay tự do là các đặc trưng điều khiển khi xuất hiện rung động do mất cân bằng. Tín hiệu này được AMB đo đếm, nhận dạng và sử dụng để tạo ra thành phần chống lại hoặc bù các lực đỡ hoặc dịch trục rotor nhằm để cho rotor quay quay tự do.  Độ chính xác mà trạng thái của rotor có thể điều khiển được chủ yếu được quyết định bởi chất lượng của tín hiệu đo trong vòng điều khiển.  Chi phí bảo dưỡng thấp hơn và tuổi thọ làm việc dài hơn của hệ thống AMB đã được minh chứng trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt. Đây là lý do chính khiến cho số lượng các ứng dụng liên quan đến máy gia tốc ngày càng nhiều trong thời gian gần đây. 1.3.5. Các công nghệ liên quan Hình 1.9 cho biết các công nghệ liên quan đến truyền động không ổ đỡ. Những phát triển vượt bậc của các công nghệ này đã bổ trợ đáng kể cho công nghệ treo từ tính. Vòng bi từ N. lượng TĐ không LT ĐK điện ổ đỡ Vector Xử lý tín hiệu số Hình 1.9: Các công nghệ liên quan
17 Công nghệ điện tử công suất đã có sự đóng góp to lớn đến sự phát triển của cả động cơ treo từ tính và động cơ không ổ đỡ. Với sự góp mặt của các thiết bị điện tử công suất có tần số đóng cắt cao như IGBT và MOFET thì việc điều khiển dòng điện tức thời là hoàn toàn có thể. Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất này thường được tích hợp chung vào trong một module công suất. Module công suất gồm có sáu thiết bị công suất cấu thành một bộ biến tần ba pha, cũng như là các mạch điều khiển cực gate và các mạch bảo vệ khiến cho việc điều chỉnh dòng điện trở nên tin cậy hơn. Chính nhờ sự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay khiến cho giá thành của hệ thống điều chỉnh dòng điện giảm đi đáng kể và giá thành của module công suất cũng giảm do các bộ biến tần nguồn áp ba pha được sản xuất hàng loạt và sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng. Xử lý tín hiệu số cũng có những bước tiến rõ rệt trong những năm vừa qua. Điều này khiến cho tốc độ tính toán được tăng lên rất cao trong khi giá thành lại giảm đi. Có thể nhận thấy rằng treo từ tính yêu cầu khoảng thời gian trích mẫu khá nhỏ so với truyền động động cơ. Nguyên nhân là do treo từ tính có bản chất không ổn định do đó mà các bộ điều khiển vi phân hoặc sớm pha (phase-lead) cần thiết phải nhận biết được quá trình treo từ tính ổn định. Để đạt được biên pha tại tần số cắt thì cần thiết phải có khả năng trích mẫu nhanh. Yêu cầu đối với tần số trích mẫu phụ thuộc vào quán tính cơ và độ cứng thiết kế. Nhờ vào sự phát triển của xử lý tín hiệu hiện nay, các bộ xử lý tín hiệu số và các bộ vi xử lý đơn chip có thể cho ra tốc độ tính toán đủ nhanh cho hệ thống treo từ tính. 1.4. Các ứng dụng tiêu biểu Từ những ưu điểm khác nhau của vòng bi dạng ổ đỡ từ đã đưa đến một số các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu như sau [6]:  Các hệ thống chân không và không gian sạch: Các vòng bi dạng ổ đỡ từ không gặp phải bất kỳ sự ăn mòn cơ khí hoặc sinh ra các chất cặn bẩn. Nếu cần thiết, các bộ treo này thậm chí có thể được bố trí bên ngoài lớp vỏ của bình chân không trong khi các lực từ vẫn có thể tác động xuyên qua lớp vỏ bình. Do các bộ treo không chịu tổn thất của lực cản khí động học và tiêu thu năng lượng thấp nên đây chính là đặc trưng của các bộ bánh đà trong hệ thống tích trữ năng lượng. Trong dây chuyền
18 sản xuất thực phẩm và dược phẩm, AMB sẽ thay thế các ổ đỡ cơ khí để tránh được dò gỉ của dầu bôi trơn do các vết nứt của mối hàn trên ổ đỡ gây ra.  Các máy công cụ: Một trong những ưu điểm chính là độ chính xác cao khiến cho các vòng bi dạng ổ đỡ từ có thể đạt được tốc độ quay cao với khả năng chịu tải tương đối lớn. Tốc độ cao là một yêu cầu cần thiết trong quá trình mài chính xác các chi tiết nhỏ.  Máy gia tốc: Đây chính là lĩnh vực ứng dụng chính của AMB. Lĩnh vực này bao trùm từ các máy bơm gia tốc phân tử (turbo-molecular pumps) cỡ nhỏ cho đến các máy phát và máy nén gia tốc có công suất cao (Megawatts). Một ưu điểm đó là khả năng điều khiển và làm tắt dần rung động, và đạt được đáp ứng động tốt như mong muốn. Hơn nữa, các đặc trưng quan trọng khác đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm đó là khả năng tự điều khiển và chẩn đoán, giá thành bảo dưỡng rất thấp, và mức tiêu thụ năng lượng thấp. Cùng với sự có mặt của các thiết bị điện tử công suất có hiệu suất làm việc cao, AMB chính là sự lựa chọn cho các máy tốc độ cao có công suất lớn, thay thế dần nhu cầu ghép nối giữa các máy phát gia tốc tốc độ cao đến hộp giảm tốc trong hệ truyền động máy phát và các máy phát tốc độ thấp.  Các thiết bị y tế: Một ứng dụng cụ thể là việc sử dụng các vòng bi dạng ổ đỡ từ trong bơm tim nhân tạo. Chính xác hơn đó là một thiết bị hỗ trợ tâm thất trái làm nhiệm vụ trợ giúp cho quả tim yếu của bệnh nhân luôn giữ được lượng máu bơm đi tại một mức mong muốn nhằm cung cấp quá trình tuần hoàn máu như yêu cầu.  Các bộ treo siêu dẫn: ưu thế của các bộ treo siêu dẫn với khả năng thụ động cố hữu của chúng hứa hẹn sẽ là một sự lựa chọn khác bên cạnh AMB. Tuy nhiên để đạt được các thuộc tính tắt dần trong một hệ thống treo siêu dẫn cho máy điện quay thì vẫn cần phải dùng thêm cả các bộ chống dao động tích cực bằng AMB. 1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước Mặc dù khái niệm về động cơ điện dùng ổ đỡ từ mới xuất hiện trong thời gian gần đây nhưng đã thu hút mạnh mẽ nghiên cứu của các nhà khoa học và nghiên cứu sinh trên khắp cả nước.