Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Điều khiển tự động hóa: Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai" là nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới đảm bảo giảm ảnh hưởng xen kênh, giảm ảnh hưởng bão hòa từ, tiết kiệm năng lượng, dễ dàng điều khiển; Xây dựng hệ điều khiển phù hợp để đảm bảo hoạt động cho ổ từ kiểu lai với cấu trúc mới.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Điều khiển tự động hóa: Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Ổ TỪ KIỂU LAI Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Quang Địch 2. PGS.TS. Nguyễn Huy Phương Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường. Vì không có tiếp xúc cơ học nên không có mài mòn và không cần bôi trơn. Do đó ổ đỡ từ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, chúng cho thấy những khả năng tuyệt vời để làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt như trong môi trường chân không, tốc độ quay cao hoặc nhiệt độ cao mà ổ bi thông thường không thể đáp ứng được. Với những ưu điểm vượt trội khó thay thế và tiềm năng phát triển ứng dụng rộng rãi nhưng hệ thống ổ từ đại diện cho một hệ thống cơ điện phức tạp, cần có nhiều hoạt động nghiên cứu và phát triển. Những nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, truyền động điện tử công suất, thiết kế bộ điều khiển để khắc phục những hạn chế tồn tại và phát triển một hệ thống ổ từ có hiệu suất và chất lượng cao. Ổ từ theo thành phần cấu tạo được chia làm ba loại, ổ từ bị động cấu tạo bởi nam châm vĩnh cửu, ổ từ chủ động cấu tạo bởi nam châm điện và ổ từ kiểu lai cấu tạo kết hợp nam châm điện và nam châm vĩnh cửu. Bởi vì có cấu tạo kết hợp nên ổ từ kiểu lai đã tổng hợp được các ưu điểm của cả hai loại ổ từ còn lại. Đó là tận dụng lực nâng sẵn có của nam châm vĩnh cửu để tiết kiệm năng lượng điện từ cần cung cấp đồng thời vẫn có khả năng điều khiển linh hoạt nhờ tác động điều khiển qua nam châm điện. Tuy nhiên có cấu tạo kết hợp của hai loại nam châm nên ổ từ kiểu lai tồn tại hiện tượng xen kênh của từ thông và nguy cơ bão hòa từ trong mạch từ dẫn đến tổn hao năng lượng từ trường đồng thời gây khó khăn trong quá trình điều khiển. Vì vậy trong luận án này tác giả sẽ tập trung nghiên cứu đối tượng ổ từ từ chủ động kiểu lai. Cụ thể sẽ tiến hành nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới và lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp để giải quyết những tồn tại bên trên. Nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, tăng khả năng chịu tải và dễ dàng điều khiển cho ổ từ kiểu lai. 1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu: ổ từ kiểu lai, loại ổ từ tích hợp nam châm vĩnh cửu và nam châm điện. Phạm vi nghiên cứu: thiết kế cấu tạo, xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển thích hợp cho ổ từ kiểu lai. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới đảm bảo giảm ảnh hưởng xen kênh, giảm ảnh hưởng bão hòa từ, tiết kiệm năng lượng, dễ dàng điều khiển. Xây dựng hệ điều khiển phù hợp để đảm bảo hoạt động cho ổ từ kiểu lai với cấu trúc mới. Phương pháp nghiên cứu Từ nghiên cứu lý thuyết đến mô phỏng và thực nghiệm. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo và phương pháp điều khiển của ổ từ kiểu lai để lựa chọn cấu trúc ổ từ kiểu lai có nhiều ưu điểm và phương pháp điều khiển phù hợp. Áp dụng phương pháp mạch từ tương đương, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn để tính toán mô phỏng cấu trúc ổ từ kiểu lai. Xây dựng mô hình toán học ổ từ kiểu lai, thiết kế bộ điều khiển phù hợp và mô phỏng điều khiển trên Matlab. Cuối cùng tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng. Những đóng góp mới và ý nghĩa khoa học của luận án - Nghiên cứu và phát triển thành công một cấu trúc ổ từ kiểu lai mới (ổ từ kiểu lai khe phân cách), thỏa mãn các tiêu chí không xen kênh từ thông, giảm từ trường tản, mở rộng đường dẫn từ thông, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng điều khiển. - Xây dựng được mô hình toán học cho ổ từ kiểu lai khe phân cách, trong mô hình toán học có tính đến ảnh hưởng của tốc độ quay của rotor. - Xây dựng được hệ điều khiển tuyến tính và phi tuyến đảm bảo hoạt động ổn định của ổ từ kiểu lai có khe phân cách. 2
+ Bộ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tâm rotor được thiết kế. Trong đó thành phần điều khiển chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của rotor được phân tách với nhau. + Bộ điều khiển phi tuyến (điều khiển trượt) được thiết kế với hàm dấu Sgn được thay thế bằng hàm Sigmoid đã giảm thiểu hiện tượng rung (chattering) của phương pháp điều khiển trượt. - Xây dựng được mô hình hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách và thực hiện được thuật toán điều khiển PD trên nền tảng hệ thống ổ từ đã xây dựng. Kết quả hệ thống làm việc ổn định trong các điều kiện tốc độ khác nhau, không bị ảnh hưởng xen kênh chuyển động và ổn định với tác động nhiễu lực bên ngoài. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn *) Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu đã đưa ra được cơ sở lý thuyết về việc xây dựng mô hình ổ từ kiểu lai mới. Trong đó phần tính toán, thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm đã được trình bày tuần tự và khoa học, giúp người đọc dễ dàng tiếp cận với ổ từ kiểu lai. Luận án sẽ là một tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tượng tương tự. *) Ý nghĩa thực tiễn Mô hình ổ từ kiểu lai mới đã nghiên cứu phát triển thành công với cơ sở lý thuyết khoa học và đã được kiểm chứng thông qua thực nghiệm. Đây là cơ sở để có thể ứng dụng sản xuất trong công nghiệp. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI 1.1. Khái niệm chung về ổ từ Trong ổ từ, các cực từ tạo ra lực từ để nâng rotor trong các chuyển động quay mà không có tiếp xúc cơ khí, lực ma sát gần như bằng không. Ổ từ kiểu lai có cấu tạo kết hợp nam châm điện và nam châm vĩnh cửu như ví dụ minh họa ở Hình 1.5. 3
Hình 1.5 Cấu trúc của ổ từ kiểu lai (HMB) 1.2 Nghiên cứu tổng quan ổ từ kiểu lai 1.2.1 Nghiên cứu về cấu trúc ổ từ kiểu lai 1.2.2 Nguyên cứu về các phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai 1.3 Kết luận và định hướng nghiên cứu Trình bày khái quát về ổ từ và ổ từ kiểu lai, tình hình nghiên cứu và tiềm năng ứng dụng ổ từ kiểu lai. Phân tích ưu nhược điểm các cấu trúc khác nhau của ổ từ kiểu lai, từ đó lựa chọn cấu trúc ổ từ kiểu lai 4 cực từ độc lập để phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới. Định hướng nghiên cứu cải tiến cấu trúc để hạn chế xen kênh mà vẫn đảm bảo đường dẫn từ thông. Phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển cho ổ từ nói chung và ổ từ kiểu lai nói riêng, qua đó định hướng lựa chọn phương pháp điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tâm rotor phù hợp để áp dụng cho cấu trúc ổ từ kiểu lai mới. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC MỚI Ổ TỪ KIỂU LAI 2.1 Ổ từ kiểu lai không có khe hở phụ 2.1.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai không có khe hở phụ 4
Hình 2.1 Cấu trúc ổ từ HMB không có khe hở phụ 2.1.2 Phân tích mô hình bằng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn 2.1.3 Phân tích so sánh kết quả 2.2 Ổ từ kiểu lai khe hở phụ 2.2.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe hở phụ Hình 2.13 Mô hình cực từ lai có khe hở phụ 2.2.2 Phương pháp tính toán mạch từ tương đương 2.2.3 Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn 2.2.4 Phân tích đánh giá kết quả Phân tích đánh giá kết quả thu được bằng phương pháp tính toán mạch từ tương đương và mô phỏng phần từ hữu hạn. 5
... Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện (EMCM) ... Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện (FEM) Hình 2.19 Tổng hợp các lực từ tác động lên Rotor (EMCM & FEM) Kết quả tính toán theo phương pháp EMCM cơ bản trùng khớp với phương pháp FEM, vậy kết quả là tin cậy. Ổ từ HMB có khe hở phụ có ưu điểm hơn với ổ từ HMB thông thường nhưng còn hạn chế về lực nâng (thể hiện trong Hình 2.20), nên cần cải tiến. ... Lực từ khi hệ chỉ có cuộn dây ... Lực từ HMB không có khe hở phụ ... Lực từ HMB có khe hở phụ Hình 2.20 Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện 2.3 Ổ từ kiểu lai khe phân cách 2.3.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách 6
Hình 2.21 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách 2.3.2 Phương pháp tính toán mạch từ tương đương Hình 2.24 Mạch từ phần cực từ ở giữa Hình 2.25 Mạch từ phần cực từ bên ngoài Lực từ của cực từ phía trên tác dụng lên Rotor: 2 2 2 Fx   xi   xo  (2.20) 0 Ai 0 Ao 7
0 ki A  Fpm  N i0 x  ix  20 ko A N (i0 x  ix )  2 2 Fx    (2.21)  0 ki ARci  2  x0  x  0 ko ARco  2  x0  x  2 2     Thực hiện tính toán tương tự được lực từ của cực từ phía dưới tác dụng lên Rotor: 0 ki A  Fpm  N i0 x  ix  20 ko A N (i0 x  ix )  2 2 Fx   (2.22) 0 ki ARci  2  x0  x 0 ko ARco  2  x0  x 2 2     Tổng hợp lực tác dụng lên Rotor theo phương x: Fx  Fx  Fx (2.23) Phương trình tuyến tính hóa lực từ tác dụng lên Rotor: Fx F Fx  | i x  0 ix  x | i x  0 x (2.25) ix x 0 x x  0 Hệ số đầu đầu của phương trình (2.25) là hệ số độ cứng dòng điện Kix , hệ số thứ hai là hệ số độ cứng dịch chuyển ngang trục Kx của HMB được tuyến tính hóa ra kết quả sau: 40 ki AN  Fpm  Ni0 x  80 ko AN 2 i0 x K ix   (2.35) 0 ki ARci  2 x0  0 ko ARco  2 x0  2 2 80 ki A  Fpm  Ni0 x  160 ko A  Ni0 x  2 2 Kx    (2.36) 0 ki ARci  2 x0  0 ko ARco  2 x0  3 3 Vậy phương trình tuyến tính hóa lực từ theo trục x xác định như sau: Fx  K ix ix  K x x (2.37) 2.3.3 Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn Mô phỏng mô hình ổ từ kiểu lai khe phân cách bằng phương pháp mô phỏng phần từ hữu hạn dùng phần mềm ANSYS như thể hiện trong Hình 2.26. Các kết quả thu được ở Hình 2.28 và Hình 2.29 dưới đây: 8
Hình 2.26 Mô phỏng phần tử hữu hạn 3D cho ổ từ kiểu lai khe phân cách Hình 2.28 Lực hướng tâm biến đổi theo độ dịch chuyển Rotor Hình 2.29 Lực hướng tâm biến đổi theo dòng điện điều khiển 9
Kết quả phân tích chỉ ra rằng kết quả tính toán EMCM nhất quán với kết quả mô phỏng FEM. Ngoài ra ổ từ kiểu lai khe phân cách có mối quan hệ tuyến tính cao giữa lực hướng tâm với dòng điện điều khiển và lực hướng tâm với độ dịch chuyển trong khoảng (- 0.1 mm tới 0.1 mm). 2.3.4 So sánh ổ từ kiểu lai khe phân cách và ổ từ kiểu lai khe hở phụ ... Lực từ HMB có khe hở phụ ... Lực từ HMB có khe hở cách từ Hình 2.31 Lực tác tác dụng theo độ dịch chuyển của hai loại ổ từ ... Lực từ HMB có khe hở phụ ... Lực từ HMB có khe hở cách từ Hình 2.32 Lực tác tác dụng theo dòng điện của hai loại ổ từ 10
2.4 Kết luận chương 2 Với định hướng phát triển cấu trúc mới cho ổ từ kiểu lai rút ra từ chương 1, xuất phát từ việc phân tích các ưu nhược điểm của cấu trúc ổ từ kiểu lai đã được công bố trước đây, cấu trúc mới của ổ từ kiểu lai đã được đề xuất. Thông qua phương pháp thiết kế tính toán kết hợp với so sánh mô phỏng. Cải tiến và tối ưu qua từng bước thiết kế. Tác giả đã phát triển hoàn thiện cấu trúc mới cho ổ từ chủ động kiểu lai, gọi là cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách. Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách đáp ứng các tiêu chí không xen kênh từ thông, giảm từ trường tản, mở rộng đường dẫn từ thông, tiết kiệm năng lượng và dễ điều khiển. Các kết quả tính toán cho cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách thu được trong quá trình tính toán thiết kế có độ chính xác và sẽ được sử dụng trong các phần tiếp theo. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH 3.1 Xây dựng mô hình toán học 3.1.1 Mô tả hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách Hình 3.1 Hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 11
3.1.2 Xây dựng mô hình toán học hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách Hình 3.2 Sơ đồ thông số hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách Phương trình chuyển động tại tọa độ của tâm rotor:   Mq  Gq  K cs q  BK i i (3.23) 3.2 Xây dựng hệ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD 3.2.1 Thiết kế hệ điều khiển PD Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển ổ từ kiểu lai khe phân cách Bắt đầu từ phương trình (3.23):   Mq  Gq  K cs q  BK i i Xây dựng luật phản hồi kiểu PD sử dụng các dịch chuyển trọng tâm thay vì tọa độ cảm biến bằng cách sử dụng ma trận biến đổi Tin. Ở phía đầu ra, ma trận biến đổi Tout được sử dụng cho việc bố trí lại các lực hoặc dòng điện tương ứng. 12
P  diag ( Pq , Pt ,Pq , Pt ) (3.27) D  diag (Dq , Dt , Dq ,Dt ) (3.28) i  Tout PTin qs  Tout DTin qs (3.34) Phương trình vi phân ma trận vòng kín cho hệ thống ổ từ kiểu lai với phương pháp điều khiển tại tọa độ tâm rotor có thể được viết như sau:    Mq  Gq  Pq  Dq  0 (3.49) 3.2.2 Mô phỏng đánh giá hệ điều khiển PD Hình 3.5 Chuyển động tịnh tiến của rotor khi Ω=0 Hình 3.6 Chuyển động quay của rotor khi Ω=0 13
Hình 3.7 Chuyển động tịnh tiến và quay của rotor khi Ω=0 Hình 3.8 Chuyển động quay của rotor khi Ω=6000 vòng/phút Hình 3.9 Chuyển động quay của rotor khi Ω=10500 vòng/phút 14
Hệ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tọa độ tâm rotor cơ bản đã đáp ứng điều khiển cấu trúc của ổ từ kiểu khe phân cách 4 bậc tự do. Bộ điều khiển đã đảm bảo điều khiển tách bạch chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của rotor, hai chuyển động không tác động chéo nhau giúp hệ thống nhanh chóng ổn định. 3.3 Xây dựng hệ điều khiển phi tuyến dựa trên bộ điều khiển trượt 3.3.1 Thiết kế hệ điều khiển trượt Phương trình toán học (3.23) khi thêm thành phần nhiễu D:   Mq  Gq  K cs q  BKi i  D (3.56) Phương trình trạng thái của rotor đưa về dạng chính tắc được thể hiện dưới dạng tổng quát như sau:  Z  AZ  CU  D (3.58) Chọn mặt trượt s:  s  e(t )  ce(t ) (3.70) Xác định tín hiệu điều khiển: U  u1 u2 u4  T u3 Khắc phục hiện tượng rung (chattering) trong điều khiển trượt bằng cách thay thế hàm dấu thông thường (Sgn) bằng hàm Sigmoid: Hình 3.10 Độ thị hàm Sigmoid(s) đã chọn 15
3.3.2 Mô phỏng đánh giá hệ điều khiển trượt a) Sử dụng hàm Sgn b) Sử dụng hàm Sigmoid Hình 3.12 Chuyển động tịnh tiến của rotor theo trục x Sử dụng hàm Sigmoid đã giảm thiểu hiện tượng chattering, có thể coi hệ thống đạt được trạng thái trượt lý tưởng xung quanh điểm cân bằng. Hình 3.14 Chuyển động tịnh tiến của rotor theo trục x (khi treo thêm vật nặng) Khi tải trọng thay đổi, quỹ đạo chuyển động của rotor điều khiển bằng phương pháp điều khiển trượt không bị tác động nhiều so với phương pháp điều khiển PD. 16
10-3 10-4 10 0 Điều khiển PD Điều khiển trượt 5 -1 Điều khiển PD Điều khiển trượt 0 -2 -5 -3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thời gian (s) Thời gian (s) (a) Chuyển động quay (  ) (b) Chuyển động tịnh tiến (x) -3 -4 10 10 5 1 Điều khiển PD Điều khiển trượt 0 0.5 Điều khiển PD -5 Điều khiển trượt -10 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thời gian (s) Thời gian (s) (c) Chuyển động quay (  ) (d) Chuyển động tịnh tiến (y) Hình 3.15 Chuyển động của rotor khi Ω=10500 vòng/phút Phương pháp điều khiển trượt không chỉ đạt thời gian cân bằng nhanh mà còn ít chịu ảnh hưởng của các yếu tố thay đổi tác động lên hệ thống so với phương pháp điều khiển PD. 3.4 Kết luận chương 3 Từ mô hình ổ từ kiểu lai khe phân cách đã đề xuất và phát triển trong chương 2, xây dựng mô hình toán học cho hệ thống ổ từ bằng cách tách chuyển động hỗn hợp của Rotor thành thành hai chế độ chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tại tâm của rotor. Hiệu ứng con quay hồi chuyển ảnh hưởng khi rotor quay đã được đưa vào phương trình mô tả toán học của mô hình. Xây dựng được hai bộ điều khiển tuyến tính PD và phi tuyến (điều khiển trượt) phù hợp cho hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai bộ điều khiển đều đáp ứng điều khiển ổn định cho hệ thống. 17
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm 4.2 Cơ cấu chấp hành của hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách Hình 4.6 Cơ cấu chấp hành hệ thống ổ từ HMB đã chế tạo 4.3 Phần cứng của hệ điều khiển ổ từ kiểu lai khe phân cách 4.3.1 Mô tả phần cứng của hệ điều khiển ổ từ kiểu lai Hình 4.7 Sơ đồ mô tả hệ điều khiển cho ổ từ HMB Tín hiệu dịch chuyển vị trí của rotor từ cảm biến sẽ truyền về bộ dSPACE 1104 và sẽ được xử lý để đưa ra các tín hiệu dòng điện điều khiển vào các cực của ổ từ. Bên cạnh đó, bằng việc sử dụng phần mềm Control Desk có thể xây dựng giao diện điều khiển giám sát hệ thống ổ từ và thu được kết quả thực nghiệm. 18