Luận văn Nghiên cưú hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng các bộ treo từ tính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH TRẦN THỊ THANH NGA THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH Học viên : Trần Thị Thanh Nga Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Như Hiển THÁI NGUYÊN 2009 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh sách các kí hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu Nội dung Trang CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1 1.1 Giới thiệu về bộ treo từ tính và ứng dụng của chúng 1 1.1.1 Ổ đỡ từ tính và truyền động động cơ 1 1.1.2 Giới thiệu tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính 4 1.1.3 Giới thiệu cấu trúc đặc trưng của một hệ thống truyền động động cơ được trang bị các ổ đỡ từ tính. 5 1.1.4 Giới thiệu hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 7 1.1.5 Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc 8 1.1.6 Cấu trúc của cuộn dây 15 1.1.7 Phân loại ổ đỡ từ 16 1.1.8 Một số ứng dụng phù hợp của động cơ và máy phát kiểu treo từ tính 17 1.2 Một số công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển các hệ phi tuyến 18 1.3 Các công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển ổ từ 19 KẾT LUẬN 21 CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ 22 2.1 Mô hình toán học của bộ treo từ tính 22 2.1.1 Cấu trúc cơ điện và nguyên lý hoạt động của ổ từ 22 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.2 Các mối quan hệ cơ bản 24 2.1.3 Cơ cấu chấp hành vi sai 27 2.1.4 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 28 2.1.5 Ổ từ chịu tải hướng tâm (ổ đỡ từ) 29 2.1.6 Mô tả toán học ổ đỡ từ 31 2.2 Các tính chất điều khiển được của bộ treo từ tính 36 2.2.1 Lực kéo không cân bằng 36 2.2.1.1 Các nguyên tắc cơ bản 36 2.2.1.2 Phép phân tích trong lõi từ hình C và lõi từ hình chữ I 37 2.2.1.3 Phép phân tích trong ổ đỡ từ 38 2.2.2 Các nguyên tắc điều khiển ổ đỡ từ một kênh 39 KẾT LUẬN 42 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH 43 3.1 Thiết kế các bộ điều khiển PID 43 3.1.1 Một vài nét về thuật toán điều chỉnh PID 43 3.1.2 Cấu trúc chung của hệ điều khiển tự động 43 3.1.2.1 Thành phần tỷ lệ 45 3.1.2.2 Thành phần tích phân 45 3.1.2.3 Thành phần vi phân 46 3.1.3 Hệ giảm chấn - khối lượng – lò xo tương đương 47 3.1.4 Điều chỉnh của các hệ số khuyếch đại PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) 50 3.1.4.1 Điều chỉnh hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân 54 3.1.4.2 Sai số vị trí ở trạng thái ổn định và điều chỉnh hệ số khuyếch đại tích phân 56 3.2 Thiết kế bộ điều khiển nâng cao - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai F-PID 61 3.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển mờ 61 3.2.2 Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ 62 3.2.3 Nguyên lý điều khiển mờ 65 3.2.4 Các nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 66 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.2.5 Các bộ điều khiển mờ 70 3.2.5.1 Các bộ điều khiển kinh điển 70 3.2.5.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 71 3.2.5.3 Bộ điều khiển mờ động 74 3.2.5.4 Hệ điều khiển mờ lai (F - PID) 79 a. Giới thiệu chung 79 b. Các dạng hệ mờ lai phổ biến 81 3.2.5.5 Tổng hợp hệ điều khiển mờ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển 82 3.3 Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế 84 3.3.1 Mô phỏng với bộ điều khiển PID 84 3.3.2 Mô phỏng với bộ điều khiển nâng cao 85 KẾT LUẬN 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1 Hình 1.1 Sự tạo ra lực từ hƣớng tâm bởi mật độ từ thông khe hở không cân bằng: a. mật độ từ thông khe hở cân bằng b. mật độ từ thông khe hở không cân bằng 3 Hình 1.2 Sơ đồ tƣợng trƣng của một hệ truyền động không tiếp xúc 4 Hình 1.3 Động cơ với các ổ đỡ từ 6 Hình 1.4 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 8 Hình 1.5 Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ 8 Hình 1.6 Bộ treo chủ động theo 2 trục: a.điểm đỡ trục tại đáy b. không có tiếp xúc 9 Hình 1.7 Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phƣơng a. Rotor bên trong b. Rotor ngoài c. Rotor rỗng d. không gian lắp đặt tải nằm giữa trục 10 Hình 1.8 Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông thƣờng a. với ổ đỡ từ thông thƣờng b. với ổ đỡ cơ khí thông thƣờng c. với trục quay dài 11 Hình 1.9 Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống 12 CHƢƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ 22 Hình 2.1 Hệ thống từ treo 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.2 Lõi từ C và lõi từ hình chữ I với một cuộn cảm 24 Hình 2.3 Mạch từ hoá 26 Hình 2.4 Cơ cấu điều chỉnh vi sai 28 Hình 2.5 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 29 Hình 2.6 Ổ đỡ từ chịu tải hƣớng tâm 30 Hình 2.7 Mối quan hệ giữa lực hƣớng tâm và dòng điện 32 Hình 2.8 Mối quan hệ tuyến tính của lực hƣớng tâm với dòng điện phân cực 33 Hình 2.9 Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện 34 Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống từ treo sử dụng năng lƣợng từ theo một phƣơng 34 Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc rút gọn 35 Hình 2.12 Lực từ kéo (hấp dẫn) và kích thƣớc khe hở: (a) kích thƣớc khe hở rộng, (b) kích thƣớc khe hở đƣợc giảm xuống 37 Hình 2.13 Hệ thống treo tƣ̀ tính theo phƣơng x 39 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH 43 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 44 Hình 3.2 Hệ thống giảm chấn - khối lƣợng – lò xo a. Sơ đồ cấu tạo b. Sơ đồ khối 47 Hình 3.3 Hệ thống treo từ tƣơng đƣơng với hệ thống giảm chấn-khối lƣợng – lò xo 49 Hình 3.4 Hình 3.4 a. Hình 3.4 b Đáp ứng chuyển vị tƣơng ứng với lực nhiễu 1N Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kp Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kd 52 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.4 c. Hình 3.4 d. Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với Kp Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với Kd 53 54 Hình 3.5 Các hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân 55 Hình 3.6 Đáp ứng chuyển vị đối với các hệ số khuyếch đại PD tối ƣu hoá. 56 Hình 3.7 Bộ điều khiển PID: (a) sơ đồ khối; (b) các đặc tính tần số 57 Hình 3.8 Đáp ứng của thay đổi bậc trong tham khảo vị trí 58 Hình 3.9 Các đặc tính tần số của bộ điều khiển PID 59 Hình 3.10 Đáp ứng chuyển vị đối với Ki 60 Hình 3.11 - Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 63 Hình 3.12 Hệ thống điều khiển mờ 65 Hình 3.13 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con ngƣời và hệ mờ 67 Hình 3.14 Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ 72 Hình 3.15 Đƣờng đặc tính y(x) cho trƣớc 74 Hình 3.16 Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra. 74 Hình 3.17 Hệ điều khiển mờ theo luật I 75 Hình 3.18a Mô hình điều khiển mờ theo luật PI 75 Hình 3.18a Mô hình điều khiển mờ theo luật PI 76 Hình 3.19 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD 76 Hình 3.20a Bộ điều khiển mờ theo luật PID(dùng thuật toán chỉnh định PID mờ) 77 Hình 3.20b Bộ điều khiển mờ theo luật PI (dùng thuật toán PID tốc độ) 78 Hình 3.21 Hệ điều khiển mờ PID 78 Hình 3.22a Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 80 Hình 3.22b Hệ mờ với bộ mờ cho tín hiệu chủ đạo x 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.23 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 81 Hình 3.24 Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ 82 Hình 3.25 Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào 83 Hình 3.26 Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra 83 Hình 3.27 Quan sát tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ lai 83 Hình 3.28 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ. 84 Hình 3.29 Sơ đồ mô phỏng với bộ PID kinh điển 85 Hình 3.30 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x của ổ từ có sử dụng bộ PID kinh điển 85 Hình 3.31 Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID 86 Hình 3.32 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID 86 Hình 3.33 Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng bộ PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID 87 Hình 3.34 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x có sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID 87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã được phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ưu thế vượt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều như: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dưỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Hầu hết trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng như đối với môi trường có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không và phải được thay thế định kỳ, nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dược phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng được chất bôi trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cần phải được thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ bão, không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó có những thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất. Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép khắc phục những nhược điểm của các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ với các ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Phần quan trọng của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có tính phi tuyến cao và các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi theo thời gian chưa được nghiên cứu và phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển thích nghi bền vững cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển chất lượng cao cho một số hệ phi tuyến bao gồm các bộ treo từ tính là cấp thiết. Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả Trần Thị Thanh Nga LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1.1. Giới thiệu về bộ treo từ tính và ứng dụng của chúng 1.1.1 Ổ đỡ từ tính và truyền động động cơ Khái niệm về ổ từ đã có từ hơn 100 năm trƣớc, tuy nhiên giá thành và độ phức tạp của nó đã cản trở việc ứng dụng và phát triển trong công nghiệp . Ý tƣởng về việc treo một đối tƣợng bằng từ trƣờng đã đƣợc đặt ra từ giữa những năm 1800. Rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế đã trở lên hiện thực từ những năm 1960. Do sƣ̣ phát triển trong công nghệ điều khiển , cả về phần cứng lẫn phần mềm đã tạo cơ hội cho việc sƣ̉ dụng ổ tƣ̀ trong công nghiệp phát triển nhƣ làm giảm kích cỡ , độ phức tạp cũng nhƣ giá thành của nó. Vào những năm cuối của thập kỉ 80, khái niệm mới về ổ đỡ không tiếp xúc đã đƣợc đƣa vào công nghệ truyền động động cơ không đồng bộ. Từ đó đến nay, lí thuyết và kiến thức cơ bản về khái niệm này đã đƣợc nghiên cứu cùng với rất việc phát triển nhiều truyền động thử nghiệm với mục đích thu thập kinh nghiệm về sự hoạt động và hành vi của nhiều loại truyền động động cơ không đồng bộ ổ đỡ không tiếp xúc. Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã đƣợc phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ƣu thế vƣợt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều nhƣ: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dƣỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng nhƣ đối với môi trƣờng có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng đƣợc trong các điều kiện nhƣ chân không, nhiệt độ khí quyển quá LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dƣợc phẩm. Do đó, các “bộ treo” từ tính có thể mở rộng phạm vi ứng dụng . Hầu hết yêu cầu về bảo dƣỡng trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng đƣợc chất bôi trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh. Dầu bôi trơn phải đƣợc thay thế định kỳ. Ổ đỡ cũng cần phải đƣợc thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Nếu nhƣ trục đƣợc treo bởi một lực từ, những yêu cầu bảo hành này sẽ không cần thiết. Do vậy tiến tới sử dụng “ổ đỡ không tiếp xúc” có nhiều ƣu thế cho ngƣời sử dụng động cơ. Các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bƣớc tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác (nhờ loại trừ đƣợc bào mòn do ma sát) gia công đối với các trục chính cao tốc. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phƣơng pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Cũng cần chú ý rằng bộ treo từ tính yêu cầu thời gian cắt mẫu ngắn một cách cân xứng với truyền động động cơ. Yêu cầu này là do bộ treo từ tính không ổn định một cách cố hữu do đó cần thiết có các bộ điều khiển vi sai hoặc điều khiển sớm phase để thực hiện hệ thống treo từ tính ổn định. Để đạt đƣợc giới hạn phase tại tần số cắt cần phải có tần số cắt mẫu nhanh. Yêu cầu về tần số cắt mẫu phụ thuộc vào quán tính cơ khí và sự khó khăn trong thiết kế. Động cơ ổ đỡ không tiếp xúc thƣờng tận dụng lợi thế của từ trƣờng tạo ra bởi dòng điện trong cuộn dây của động cơ. Do đó, có đƣợc thông tin về từ trƣờng quay này là rất quan trọng. Các bộ điều khiển dựa trên lý thuyết điều khiển véc tơ cung cấp sự điều chỉnh mô men tức thời cũng nhƣ điều chỉnh từ trƣờng quay. Do đó vị trí góc quay và cƣờng độ từ trƣờng có thể điều chỉnh đƣợc. Dựa trên vị trí góc và cƣờng độ từ trƣờng của động cơ, các lực hƣớng tâm đƣợc phát ra bởi sự tạo thêm các từ trƣờng sử dụng dòng điện cuộn dây của bộ treo. Do vậy có thể nói rằng công nghệ ổ đỡ không tiếp xúc đứng trên lí thuyết điều khiển véc tơ. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ tƣơng tự nhƣ một động cơ điện . Tuy nhiên, thay vì tạo ra momen xoắn để quay rôtor nhƣ ở động cơ điện , nó tạo ra một lực để treo ngõng trục trong lòng ổ. Khoảng cách giữa ngõng trục và lót ổ thông thƣờng khoảng 0,5-2 mm Hình vẽ 1.1 chỉ ra các nguyên lý sự phát ra lực hƣớng tâm roto của hai trƣờng hợp động cơ ổ đỡ không tiếp xúc và động cơ ổ đỡ từ tính. Một trục quay sẽ đƣợc bao bọc bởi lõi của stato. Roto và stato đƣợc từ hóa bởi bốn cực từ theo trình tự bắc, nam, bắc, nam. Có những lực hấp dẫn từ tính rất mạnh giữa lõi của roto và lõi của stato bên dƣới các cực từ này. Trong hình 1.1a, 4 cực từ có cùng mật độ từ thông và do đó có cùng biên độ lực hấp dẫn . Nhƣ vậy là, tổng vector của 4 lực hƣớng tâm này bằng 0. Ngƣợc lại, trong hình 1.1b một cực từ bắc thì mạnh hơn so với ba cực từ còn lại nên nó có lực hƣớng tâm mạnh hơn. Sự phân bố mật độ từ thông khe hở không cân bằng này dẫn đến lực từ hƣớng tâm sẽ tác động vào roto. Trong trƣờng hợp này, lực hƣớng tâm roto tác động vào roto từ phía tay phải. Trong cả 2 trƣờng hợp động cơ có ổ đỡ từ tính và động cơ không ổ đỡ, lực hƣớng tâm roto đƣợc tạo bởi trƣờng điện từ không cân bằng tức là lực hƣớng tâm Hình 1.1 - Sự tạo ra lực từ hướng tâm bởi mật độ từ thông khe hở không cân bằng: a. mật độ từ thông khe hở cân bằng b. mật độ từ thông khe hở không cân bằng LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 roto đƣợc tạo ra bởi sự khác biệt của lực hƣớng tâm dƣới các cực từ. Lực hấp dẫn thì không ổn định vì nó sẽ mạnh hơn lên nếu nhƣ roto dịch chuyển theo chiều của lực. Điểm lực hƣớng tâm bằng 0 tại trọng tâm của nòng stato là một điểm không ổn định, do đó cần thiết có phản hồi âm. Ứng dụng công nghệ truyền động lực treo từ tính trong tàu điện đệm từ của Nhật, lực treo từ tính đƣợc tạo ra bởi sự tƣơng tác giữa từ thông của cuộn dây siêu dẫn và dòng điện của cuộn dây cảm ứng. Có nghĩa là không cần thiết một bộ điều khiển phản hồi âm. Trong một vài ứng dụng của bánh đà, vật liệu siêu dẫn đƣợc sử dụng nhƣ là các ổ đỡ từ tính. Những cuộn dây hoặc vật liệu siêu dẫn này cung cấp một đệm từ ổn định. Tuy nhiên giá thành thì tƣơng đối cao bởi chúng cần đến một hệ thống làm lạnh và cách nhiệt. Ngày nay, yêu cầu đối với các giải pháp cho các thiết bị lực từ tính hấp dẫn của bộ treo từ tính cần phải đơn giản, trọng lƣợng nhỏ, rẻ tiền. 1.1.2. Giới thiệu tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bƣớc tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác (nhờ loại trừ đƣợc bào mòn do ma sát) gia công đối với các trục chính cao tốc. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phƣơng pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Hình 1.2 - Sơ đồ tượng trưng của một hệ truyền động không tiếp xúc LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 Hình 1.2 là sơ đồ tƣợng trƣng của một hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Về nguyên lý, ổ đỡ bao gồm 2 phần chính: phần chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc tịnh tiến (rotor) và phần tĩnh (stator). Ở trên phần tĩnh có lắp đặt một số mạch từ để tạo ra lực từ tác dụng lên phần chuyển động của ổ. Các lực từ tác dụng lên phần chuyển động của ổ đƣợc điều khiển bởi hiệu điện thế hoặc cƣờng độ dòng điện đặt vào các cuộn dây của mạch từ. Dƣới tác dụng của lực tác động lên phần chuyển động của hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính, lực từ đƣợc tạo lên bởi các mạch từ tác dụng lên phần chuyển động này cần phải thay đổi một cách phù hợp để đảm bảo khe hở xác định giữa phần chuyển động và phần tĩnh của ổ đỡ. Thông thƣờng trong thực tế, việc xác định trƣớc cả về định lƣợng và quy luật thay đổi của các lực ngoại sinh là rất khó hoặc không thể đƣợc. Hơn nữa, điều kiện làm việc của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính thay đổi dẫn đến việc xác định trƣớc các thông số của ổ là khó khăn. Ngoài ra động lực học của hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là phi tuyến cả về cơ và điện, nghĩa là quan hệ động giữa hiệu điện thế hoặc cƣờng độ dòng điện đặt vào các cuộn dây từ và lực từ tác dụng lên phần chuyển động đƣợc mô tả bằng hệ phƣơng trình vi phân phi tuyến. Vì vậy, thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính đạt chất lƣợng cao là khó khăn và cần thiết trong các ứng dụng thực tế có sử dụng các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. 1.1.3 Giới thiệu cấu trúc đặc trưng của một hệ thống truyền động động cơ được trang bị các ổ đỡ từ tính. Hình 1.3 chỉ ra cấu trúc đặc trƣng của một hệ thống truyền động động cơ đƣợc trang bị các ổ đỡ từ tính. Động cơ sẽ đƣợc đặt giữa 2 ổ đỡ từ tính hƣớng tâm. Mỗi ổ đỡ từ tính hƣớng tâm sẽ tạo ra các lực hƣớng tâm trong 2 hệ trục tọa độ hƣớng tâm trực giao. Các lực hƣớng tâm này đƣợc điểu khiển bởi các hệ thống điều khiển có phản hồi âm do đó vị trí trục hƣớng tâm đƣợc điều chỉnh về trọng tâm của nòng stato. Ổ đỡ từ tính phía bên tay trái đƣợc điều chỉnh đối với 2 trục tọa độ x1 và y1. Ổ đỡ từ tính phía bên tay phải đƣợc điều chỉnh đối với 2 trục tọa độ x2 và y2. Sự xê LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 dịch vị trí theo trục z tức là theo hƣớng của trục quay, đƣợc điều chỉnh bởi những lực hƣớng trục phát ra bởi một ổ đỡ từ tính dịch chuyển. Tổng số có tất cả 5 hƣớng x1, y1, x2, y2, z chúng đƣợc điểu chỉnh bởi các hệ ổ đỡ từ tính. Mỗi một ổ đỡ từ tính có 4 cuộn dây ở stato : 2 cuộn dây đƣợc đặt theo trục x và 2 cuộn còn lại đặt theo trục y. Với một dòng điện trong một cuộn dây, một lực hút điện từ sẽ đƣợc tạo ra. Một lực hƣớng tâm theo hƣớng trục x đƣợc tạo ra bởi sự khác biệt giữa các lực hút điện từ tạo ra bởi các cuộn dây đặt theo trục x. Hình 1.3 Động cơ với các ổ đỡ từ tính Các dòng điện trong các cuộn dây của ổ đỡ từ tính sẽ đƣợc điều chỉnh bởi các mạch điện tử công suất. Trong đa số các trƣờng hợp ngƣời ta sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp một pha. Mỗi bộ biến đổi nguồn 1 pha có thể điều chỉnh một dòng điện của 1 cuộn dây, do đó mỗi ổ đỡ từ tính cần có 4 bộ biến đổi tƣơng ứng với 8 dây dẫn vào ra. Trong ổ đỡ từ tính dịch chuyển có 2 cuộn dây, do đó 2 bộ biến đổi 1 pha đƣợc kết nối để điều chỉnh các dòng điện của cuộn dây và phát ra lực hƣớng tâm theo hƣớng trục. Động cơ chịu trách nhiệm phát ra momen xoắn quanh trục z. Tốc độ quay của trục đƣợc điều chỉnh bởi momen xoắn của động cơ. Một bộ biến đổi 3 pha đƣợc nối tới động cơ qua 3 dây dẫn với các cuộn dây của động cơ đƣợc nối theo hình sao hoặc Hình 1.3 - Động cơ với các ổ đỡ từ LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 tam giác. Bộ biến đổi cung cấp điện áp và tần số thay đổi đƣợc dựa theo tốc độ quay của trục và các yêu cầu về momen xoắn. Với đa số động cơ, tần số của bộ biến đổi tỉ lệ thuận với tốc độ và tỉ số điện áp / tần số thông thƣờng là hằng số cho tới vùng suy yếu của từ trƣờng. 1.1.4 Giới thiệu hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc Hình vẽ 1.4 giới thiệu cấu trúc của một hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc. Hai ổ đỡ không tiếp xúc đƣợc thiết kế trên cùng một trục truyền động. Mỗi thiết bị phát ra các lực hƣớng tâm cũng nhƣ các mô men quay. Thiết bị ổ đỡ không tiếp xúc phía bên trái có hệ trục hƣớng tâm x1, y1; còn thiết bị phía bên phải có hệ trục hƣớng tâm x2,y2. Mô men truyền động tổng bằng hai lần mô men ƣớc tính của mỗi thiết bị bởi hai thiết bị này chia sẻ với nhau lƣợng mô men. Mỗi ổ đỡ không tiếp xúc có 3 đầu nối cho hệ thống treo và 3 đầu nối cho động cơ. Các cuộn dây pha tƣơng ứng phần động cơ của hai thiết bị đƣợc nối nối tiếp theo cách nối sao (Y) đƣợc hình thành với hai cuộn dây pha nối nối tiếp trong mỗi pha. Một bộ biến đổi 3 pha đơn lẻ đƣợc nối tới các cuộn dây nối nối tiếp của phần động cơ và cung cấp điện áp và tần số thay đổi đƣợc cho truyền động động cơ. Tại các đầu nối các cuộn dây của phần treo, 2 bộ biến đổi 3 pha độc lập đƣợc nối tới để cung cấp các dòng điện yêu cầu với mục đích phát ra các lực hƣớng tâm theo 4 hƣớng nhƣ đƣợc yêu cầu bởi các bộ điều khiển phản hồi âm và các sensor khoảng cách. Chúng ta có thể nhận thấy những lợi ích sau của truyền động ổ đỡ không tiếp xúc : - Gọn: trục quay ngắn dẫn tới tốc độ cao và hoạt động ổn định hơn. - Giá thành thấp: số lƣợng dây dẫn ít hơn. Số lƣợng của các bộ biến đổi ít. Các bộ biến đổi 3 pha giá thành rẻ cũng đƣợc sử dụng. - Công suất cao: truyền động ổ đỡ không tiếp xúc có thể sản sinh công suất gia tăng với cùng 1 chiều dài trục. Những lợi thế này đƣợc hiện thực hóa nhƣ là một kết quả của việc tích hợp ổ đỡ từ tính hƣớng trục và động cơ. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 1.1.5 Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc Giới thiệu hình dạng bên ngoài của một ổ từ Hình vẽ 1.6(a,b) trình bày một bộ treo từ tính chủ động theo 2 trục. Trong hình 1.6a, một trục đƣợc chèn vào lõi của rô to. Bộ treo từ tính hai trục đƣợc thực hiện bởi các lực từ giữa roto và stato. Tại đáy của trục có đặt một ổ xoay để cố định vị trí hƣớng trục và hƣớng tâm của điểm cuối của trục. Cấu trúc này thích hợp cho các máy có trục thẳng đứng. Ở hình 1.6b, trục này bị loại bỏ. Việc tác động chỉ theo 2 trục cung cấp một bộ treo bị động với sự dao động và di động dọc theo trục quay. Do vậy, tồn tại một giới hạn về độ dài của lõi theo trục để thực hiện bộ treo bị động. Với thiết kế chính xác, 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 Cụm từ treo Cụm từ treo Ổ từ chặn z y1 x1 x2 y2 Hình 1.4 - Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 3 4 Hình 1.5 - Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 các truyền động ổ đỡ không tiếp xúc giá rẻ và gọn nhẹ kiểu này đã từng đƣợc thực hiện. Hình vẽ 1.7(a-d) trình bày mặt cắt ngang và cách thực hiện bộ treo chủ động theo 5 hƣớng. Hai ổ đỡ không tiếp xúc cần thiết phải có để phát ra lực hƣớng tâm theo 4 hƣớng. Thêm một ổ đỡ từ dịch chuyển nhằm xác định vị trí của trục theo hƣớng thứ 5. Có 2 ro to trên trục tác động theo bộ đôi ở trong hình 1.7a. Roto và trục quay bên trong 2 lõi stato. Các phụ tải dạng bơm và quạt nén có thể đƣợc gắn vào một đầu của trục. Trong hình 1.7b ro to nằm phía bên ngoài 2 stator. Cấu trúc này phù hợp cho các truyền động bánh đà nhƣ ổ đĩa DVD và các truyền động cho ổ đĩa cứng. Cấu trúc trong hình 1.7c là một biến thể của hình 1.7a với một trục rỗng cho phép dòng khí thổi qua. Ổ đỡ dịch chuyển dọc nằm giữa 2 ổ đỡ từ tính tạo nên 1 bộ treo đầy đủ theo 5 trục. Cấu trúc này phù hợp cho các hệ nhƣ đồng hồ đo lƣu lƣợng, bơm đóng hộp và spindle. Trục rỗng cũng có thể đƣợc sử dụng để lắp bánh xe. Trong hình 1.7 (a.c), một ổ đỡ từ dịch chuyển dọc trục quay đƣợc sử dụng, tuy nhiên nó không cần thiết trong vài trƣờng hợp nếu lực dọc trục quay nhỏ hoặc không yêu cầu việc xác định chính xác vị trí của trục. Trong các trƣờng hợp này việc xác định vị trí dọc trục có thể đƣợc thực hiện bởi bộ định vị bị động nhƣ trong hình 1.7d. Trong hình vẽ này, các roto của hai ổ đỡ từ tính bị hấp dẫn một cách tự nhiên đến các vị trí trung tâm của trục nhờ các lực từ. Bởi vì các ổ đỡ từ tính phát ra từ thông đáng kể, trục sẽ chịu đủ lực đàn hồi qua sự di động theo hƣớng trục để giữ cho truyền động ổn định theo hƣớng dọc trục. Hình 1.6 - Bộ treo chủ động theo 2 trục: (a) điểm đỡ trục tại đáy (b) không có tiếp xúc LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Trong các hình vẽ 1.8(a-c), chỉ ra mặt cắt ngang của các ổ đỡ không tiếp xúc khác nhau khi chúng đƣợc kết hợp với ổ đỡ từ tính thông thƣờng hoặc ổ đỡ cơ khí thông thƣờng. Trong hình vẽ 1.8a ổ đỡ phía bên trái là ổ đỡ từ tính hƣớng tâm truyền thống. Chỉ có ổ đỡ phía bên phải là ổ đỡ không tiếp xúc. Sự sắp đặt này phù hợp cho một tải có lực hƣớng tâm lớn nối vào phía bên trái của trục. Trên hình 1.8b các ổ đỡ cơ khí đƣợc đặt ở cả hai phía của ổ đỡ không tiếp xúc. Khi tốc độ quay cực Rotor Rotor ổ từ treo 1 ổ từ treo 2 Stator ổ từ treo 1 ổ từ treo 2 Ổ từ chặn Stator (c) (d) Hình 1.7 - Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phương a. Rotor bên trong; b. Rotor ngoài; c. Rotor rỗng; d. không gian lắp đặt tải nằm giữa trục. ổ từ treo 1 ổ từ treo 2 Ổ từ chặn Rotor Stator Rotor Stator ổ từ treo 1 ổ từ treo 2 Ổ từ chặn (a) (b) LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 cao, trục sẽ có tốc độ bị giới hạn do tính chất bị bẻ cong của trục đàn hồi. Tại những tốc độ này, những rung động sẽ xuất hiện. Ổ đỡ không tiếp xúc có thể triệt tiêu các rung động này và hỗ trợ sức nặng của trục. Trên hình 1.8c, một phụ tải đƣợc kéo bởi một động cơ thông thƣờng với một trục dài. Ổ đỡ không tiếp xúc đƣợc đặt gần chính giữa trục này với mục đích để triệt tiêu các rung động của trục. Hình 1.8- Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông thường a. Với ổ đỡ từ thông thường b. Với ổ đỡ cơ khí thông thường c. Với trục dài LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 Ta có thể so sánh một vài khía cạnh của các loại động cơ ổ đỡ không tiếp xúc Các đặc tính và chuẩn hoạt động đƣợc chia thành 2 thành phần : Lực và mô men Từ đặc tính hoạt động theo mô men, hiệu suất của động cơ là tỉ số giữa công suất cơ đầu ra của trục và công suất điện đầu vào. Hiệu suất này thƣờng là cao đối với động cơ từ trƣờng vĩnh cửu. Động cơ cảm ứng có rôto hình trụ và mô men êm ả. Chúng cũng gọn nhẹ bởi sự phát triển của nam châm vĩnh cửu dùng vật liệu hiếm. Động cơ cảm ứng có một rotor hình trụ bền vững và một mômen xoắn êm dịu. Các động cơ từ trƣờng gián đoạn và động cơ đồng bộ có lợi thế về sự đòi hỏi về vật liệu thấp nên rất thích hợp cho các sản phẩm có khối lƣợng. Bảng 1 Ta có bảng so sánh các động cơ ổ đỡ không tiếp xúc Tiêu chuẩn Động cơ cảm ứng Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ từ trở đồng bộ Động cơ từ trở gián đoạn Lực xoắn Hiệu suất 4 5 4 4 Tính chính xác 4 5 4 4 Tính bền vững 3-5 3-5 3-5 4 Tính ổn định 5 4 4 3 Giá thành ĐC 4 3 5 5 Mô men quay Nhiệt độ 3 4 4-5 5 Điều khiển gián tiếp 3 4 5 4 Hình 1.9 - Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 Sự khử ghép lĩnh vực cố hữu 4 4 5 4 Lực/hoặc radio hiện thời 4 3-5 5 5 Động cơ độc lập có biến tần 3 5 3-5 3 Ghi chú: 5. Đặc biệt tốt, 4. Rất tốt, 3. Tốt, 2. Khá, 1. Trung bình Từ đặc điểm của việc phát ra lực hƣớng tâm, các động cơ cảm ứng và động cơ nam châm vĩnh cửu độc lập với nhiệt độ. Trong các động cơ cảm ứng, điện trở của rotor là một hàm của dây quấn rotor hoặc nhiệt độ của lồng kim loại dẫn điện. Điện trở suất của đồng hoặc nhôm có thể thay đổi đáng kể trong phạm vi nhiệt độ hoạt động của động cơ, dẫn đến tình trạng không chuẩn trong định hƣớng trƣờng tính toán ở một số trƣờng hợp. Sự không chuẩn xác trong định hƣớng trƣờng này đôi khi dẫn đến các vấn đề về sự treo của trục. Vấn đề tƣơng tự cũng có thể xuất hiện trong các động cơ nam châm vĩnh cửu bởi vì từ dƣ của các nam châm vĩnh cửu suy giảm ở nhiệt độ cao. Sự thay đổi này phụ thuộc vào vật liệu làm nam châm. Sự sai khác trong độ mạnh của nam châm dẫn đến sai số trong tính toán hƣớng của trƣờng. Tuy nhiên động cơ từ trở đồng bộ và động cơ từ trở gián đoạn thì bền vững với sự biến thiên của nhiệt độ do chúng không có mạch điện hoặc nam châm trong rotor. Khi tính tới khả năng của điều khiển gián tiếp, các tham số của động cơ phụ thuộc vào mức độ bão hòa từ thông của các máy điện không ổ đỡ từ trở gián đoạn và từ trở đồng bộ, và sự bão hòa từ thông của các máy điện phi ổ đỡ nam châm vĩnh cửu. Tham số của các máy điện nam châm vĩnh cửu cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Việc phân tách momen và lực hƣớng tâm là ƣu việt trong các động cơ ổ đỡ không tiếp xúc một cực, lai và cực hệ quả. Trong các động cơ này, hƣớng và độ lớn của các lực hƣớng tâm đƣợc phát ra không phụ thuộc vào sự phát ra mo men. Lực hƣớng tâm này chủ yếu đƣợc phát ra bởi sự tƣơng tác giữa các nam châm của rotor với từ thông đƣợc tạo ra bởi dòng điện trong cuộn dây của bộ treo. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Lực treo đƣợc tạo ra bởi dòng điện trong cuộn dây của bộ treo phụ thuộc vào độ dẫn từ của mạch từ mà từ thông đƣợc phát ra chảy trong đó. Độ dẫn từ tƣơng ứng của nam châm vĩnh cửu thì thấp và nó thƣờng liên quan đến vật liệu chế tạo nam châm. Do vậy, nam châm vĩnh cửu có thể đƣợc coi là khe hở không khí do đó nam châm và khe hở không khí có thể đƣợc lấy chung với nhau cho ra các đƣờng dẫn từ có độ dẫn từ thấp, tƣơng ứng với từ trở lớn. Điều này dẫn tới tỉ số lực/dòng điện thấp. Tỉ số này cũng thấp đối với động cơ cảm ứng rotor lồng sóc bởi vì từ thông tạo bởi dòng điện dây quấn treo bị suy giảm dần bởi dòng điện trong lồng rô to. Nguyên nhân của hiện tƣợng này là do từ thông, bởi dòng điện treo sẽ gây ra một sức điện động trong lồng rôto, tạo ra dòng điện và do đó sinh ra từ thông đối kháng với từ thông nguyên bản. Trong động cơ từ trở đồng bộ và động cơ từ trở gián đoạn, tỉ số lực hƣớng tâm / dòng điện lớn bởi từ dẫn lớn của đƣờng dẫn từ nâng lên (trong vị trí đƣợc căn chỉnh trong trƣờng hợp máy điện từ trở và trên trục tọa độ d trong trƣờng hợp máy điện đồng bộ cực lồi). Thêm vào đó, vì khe hở không khí giữa rotor và stato thƣờng đƣợc thiết kế nhỏ trong những loại động cơ kể trên, độ dẫn từ lớn cũng tồn tại trong đƣờng dẫn từ chính của động cơ. Đối với các máy điện đơn cực, lai và cực từ hệ quả, độ dẫn từ của đƣờng dẫn từ có thể đƣợc thiết kế có giá trị lớn nếu chiều dài khe hở không khí cũng ngắn nhƣ với các động cơ từ trở, dẫn tới một tỉ số lực/dòng điện lớn. Cũng cần chú ý rằng tỉ số lực/dòng điện có thể đƣợc cải thiện bởi việc tăng số lƣợng các dây dẫn đƣợc nối nối tiếp trong các cuộn dây treo. Tỉ số lực/dòng điện này chỉ có ý nghĩa nếu đƣợc xem xét trong điều kiện có cùng số vòng quấn nối tiếp. Dung sai của bộ biến đổi cũng là một yếu tố quan trọng đối với động cơ ổ đỡ không tiếp xúc. Trong vài trƣờng hợp, dòng điện động cơ có thể bị ngắt bởi lỗi của bộ biến đổi. Thậm chí trong tình trạng này, bộ treo từ tính nên đƣợc tiếp tục hoạt động trong vài ứng dụng để tránh những phá hủy xa hơn. Với các động cơ ổ đỡ không tiếp xúc nam châm vĩnh cửu, lai và cực từ hệ quả, bộ treo từ tính hoạt động độc lập với dòng điện cuộn dây rotor bởi việc sử dụng từ thông của nam châm vĩnh cửu. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 Ta thấy công nghệ ổ đỡ không tiếp xúc nằm giữa kỹ thuật điện và cơ khí. Ngày nay, hầu hết yêu cầu về bảo dƣỡng trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Dầu bôi trơn phải đƣợc thay thế định kỳ. Ổ đỡ cũng cần phải đƣợc thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Nếu nhƣ trục đƣợc treo bởi một lực từ, những yêu cầu bảo hành này sẽ không cần thiết. Do vậy tiến tới sử dụng “ổ đỡ không tiếp xúc” có nhiều ƣu thế cho ngƣời sử dụng động cơ. 1.1.6 Cấu trúc của cuộn dây Động cơ truyền thống có các loại cuộn dây 3 pha, 2 pha và 1 pha. Cần thiết phải thêm vào các cuộn dây 2 pha hoặc 3 pha để tạo ra lực hƣớng tâm và do đó có nhiều cách khác nhau để làm việc này. Thuật ngữ “cuộn dây 4 cực và 2 cực” tức là một động cơ ổ đỡ không tiếp xúc với một tập hợp cuộn dây động cơ 4 cực cho việc phát momen xoắn và một tập hợp cuộn dây 2 cực cho việc phát ra lực hƣớng tâm. Ví dụ các cuộn dây 3 pha 4 cực và các cuộn dây 3 pha 2 cực có thể đƣợc quấn ở stato với một rôto nam châm vĩnh cửu 4 cực. Cấu hình cuộn dây ứng dụng nói chung cho lý thuyết về động cơ ổ đỡ không tiếp xúc nên nó áp dụng đƣợc cho nhiều loại động cơ nhƣ động cơ từ trở đồng bộ và cảm ứng và các kiểu động cơ nam châm vĩnh cửu bao gồm các cÊu hình ro to kiểu bề mặt, bên trong và buried-spoke. Các cuộn dây động cơ và cuộn dây bộ treo thì tƣơng đối tách biệt và cuộn dây treo hoạt động sử dụng nguyên tắc vi sai. Cuộn dây 4 cực và 2 cực cũng có thể hiểu là một cuộn dây động cơ 2 cực và một cuộn dây treo 4 cực, chức năng của các nhóm cuộn dây chỉ đơn giản là tráo đổi cho nhau. Một từ trƣờng quay 2 cực đƣợc phát bởi dây quấn của động cơ nên nó yêu cầu một rôto nam châm vĩnh cửu có 2 cực. Chiến lƣợc quấn dây này rất hợp với các roto trụ từ tính ví dụ nhƣ các động cơ cảm ứng và động cơ nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt. Với các động cơ cực từ lồi nhƣ các động cơ từ trở đồng bộ hoặc động cơ nam châm vĩnh cửu trong, lực hƣớng tâm cũng là một hàm của vị trí góc quay của roto, do đó bù bổ xung là cần thiết. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Thuật ngữ “dây quấn 2 cực với roto đơn cực” đƣợc hiểu là một máy điện ổ đỡ không tiếp xúc đơn cực, một máy điện ổ đỡ không tiếp xúc lai hoặc có thể là một máy điện ổ đỡ không tiếp xúc cực từ hệ quả. Những máy điện này có cực từ rôto đƣợc kích thích theo duy nhất một hƣớng, tức là từ thông sẽ xuyên qua khe hở không khí một lần và trở về theo một đƣờng khác. Do vậy, một sức từ động cuộn dây trên hai cực là cần thiết để phát ra một trƣờng điện từ không cân bằng. Lực hƣớng tâm sẽ đƣợc phát theo hƣớng của sức từ động. Với sự lựa chọn phù hợp số lƣợng cực từ của roto, lực hƣớng tâm sẽ không phụ thuộc vào vị trí góc của ro to. Thuật ngữ “dây quấn vi sai bƣớc ngắn” tức là có các cuộn dây bƣớc ngắn trên mỗi cực stator. Cấu hình cuộn dây này đặc biệt cho các động cơ từ trở gián đoạn mặc dù chúng cũng đƣợc sử dụng cho các động cơ nam châm vĩnh cửu nhỏ với sự điền đầy rãnh stator cao và các ổ đỡ từ tính. Các cuộn dây vi sai có thể đƣợc quấn đè lên các cuộn dây ro to nên sức từ động có thể đƣợc tạo ra một cách không đối xứng theo một cách thức đƣợc điều khiển để tạo ra một sự phân bố từ thông không cân bằng và do đó tạo ra một lực từ hƣớng tâm giữa roto và stator. Nhƣ đã đề cập, dây quấn vi sai có thể áp dụng cho các động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ ổ đỡ không tiếp xúc kiểu từ trở gián đoạn 1.1.7 Phân loại ổ đỡ từ Ổ đỡ từ có thể đƣợc phân loại theo các cách sau: 1. Phân loại theo điều khiển - Loại có điều khiển (chủ động) - Loại không có điều khiển (bị động) - Loại tổng hợp (vừa có điều khiển, vừa không có điều khiển) 2. Phân loại theo lực từ - Loại có lực đẩy - Loại có lực hấp dẫn 3. Phân loại theo cảm biến - Loại có cảm biến - Loại tự cảm biến LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 4. Phân loại theo tải trọng - Loại dọc trục hay dịch chuyển - Loại hƣớng kính hay dạng nón 5. Phân loại theo từ trƣờng (hiệu ứng từ) - Loại có từ trƣờng tĩnh (hiệu ứng điện từ) - Loại có từ trƣờng động (hiệu ứng điện động) 6. Phân loại theo ứng dụng - Ứng dụng trong chuyển động quay: Động cơ có ổ đỡ, động cơ không có ổ đỡ. - Ứng dụng trong chuyển động tịnh tiến: Bộ truyền động 1.1.8 Một số ứng dụng phù hợp của động cơ và máy phát kiểu treo từ tính - Các truyền động và máy phát điện tốc độ cao yêu cầu bảo dƣỡng ổ đỡ thƣờng xuyên nếu lắp các ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên bộ treo từ tính cung cấp chuyển động quay tốc độ cao mà không cần bảo dƣỡng. - Truyền động bánh đà và máy phát đƣợc sử dụng trong tích trữ năng lƣợng cần có bộ treo có ma sát nhỏ. - Vô lăng phản lực vệ tinh cần một vô lăng quay cho việc điều chỉnh cao độ. - Trong các dây chuyền thực phẩm và dƣợc phẩm, môi trƣờng khắc nhiệt việc rò rỉ dầu do nắp của các ổ đỡ cơ khí bị vỡ phải đƣợc loại trừ. Trong các điều kiện môi trƣờng đặc biệt nhƣ là nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp cũng nhƣ là trong điều kiện chân không, sự treo của trục luôn luôn là vấn đề. Bơm và quạt gió cho chất lỏng hoặc chất khí độc hại, dễ cháy nổ hoặc có tính axit cũng luôn có vấn đề với các phần đệm kín cơ khí mặc dù các bình đựng bằng thép không rỉ và các ổ đỡ cacbon luôn đƣợc sử dụng. Việc sử dụng bộ treo từ tính cho tuổi thọ dài và không cần bảo dƣỡng. - Động cơ lắc cần thiết ổ đỡ. Nếu động cơ lắc hoạt động liên tục không nghỉ, mỡ bôi trơn ổ bi sẽ bị phân tán, do đó tuổi thọ của ổ đỡ không đƣợc đảm bảo. - Thiết bị y tế, bơm máu có thể cấy ghép vào cơ thể. - Các truyền động lƣu trữ thông tin. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 Vì vậy, sử dụng bộ treo từ tính là một giải pháp hiệu quả. 1.2. Một số công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển các hệ phi tuyến (1). Đỗ Khắc Đức, Nguyễn Thị Thanh Bình “Điều khiển thích nghi bền vững các hệ phi tuyến chịu nhiễu ngoại sinh thay đổi theo thời gian”, Tạp chí Khoa học công nghệ Đại học Thái Nguyên, 2008 (2) Do K.D. and F. DeBoer, “Reference defined adaptive control of nonlinear systems without overestimation” Proceedings of the 14th Triennial World Congress of International Federation of Automatic Control, Bejing, China, vol. I, 1999, pp. 367-372. (3) Do K.D. and J. Pan, “Adaptive global stabilization of nonholonomic systems with strong nonlinear drifts”, Systems and Control Letters, vol. 46, No. 3, 2002, pp. 195-205. (4 ) Nguyễn Nhƣ Hiển; Bùi Chính Minh; “Điều khiển phi tuyến thích nghi và bền vững hệ truyền động nối khớp mềm.”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trƣờng đại học kỹ thuật, Hà Nội, 2007. (5) Nguyễn Nhƣ Hiển; Bùi Chính Minh; “Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững cho hệ truyền động nối khớp mềm.”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trƣờng đại học kỹ thuật, Hà Nội, 2007. Các công trình nghiên cứu trong thời gian gần đây: 1. Nghiên cứu ứng dụng lí thuyết điều khiển thích nghi bền vững điều khiển các hệ phi tuyến có phần khó mô hình hoá của tác giả Hoàng Bình Công trình này nghiên cứu việc xây dựng hệ điều khiển thích nghi bền vững điều khiển các hệ phi tuyến có phần khó mô hình hoá . Khi thiết kế hệ ĐKTN cho một hệ thực thƣờng phải chấp nhận một số giả thiết : + Không có phần tử khó mô hình hoá và biết đặc tính phi tuyến. + Các tham số không biết không thay đổi theo thời gian. + Đối tƣợng trong quá trình làm việc không chịu tác động của nhiễu tức là trong quá trình mô tả, ngƣời ta đƣa ra các giả thiết nhƣ bỏ qua khâu động học khó mô hình, các tham số không thay đổi theo thời gian. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Tuy nhiên, các hệ cần điều khiển thực tế chủ yếu là các hệ phi tuyến không thoả mãn các điều kiện trên, các hệ ĐKTN không có tính bền vững khi xét đến nhiễu, sai số mô hình sai số trong việc định tín hiệu vào ra của đối tƣợng.Vì vậy, mục tiêu của công trình nhằm xây dựng hệ ĐKTN bền vững cho lớp đối tƣợng phi tuyến có phần khó mô hình hoá 2. Công trình nghiên cứu hệ phi tuyến tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập của tác giả Đào Thị Lan Phƣơng Công trình nghiên cứu này, tác giả cho thấy, hiện nay có một số dây chuyền sản xuất đƣợc nhập ngoại, trong đó một số công nghệ không đƣợc chuyển giao triệt để nên việc chỉnh định, sửa chữa vẫn phải nhờ chuyên gia nƣớc ngoài gây tổn thất cho cơ sở sản xuất. Do đó tác giả đƣa ra vấn đề nghiên cứu hệ để có thể sửa chữa, chế tạo phụ tùng thay thế. Công trình này cũng đã nghiên cứu cho thấy yêu cầu công nghệ của hệ thống này là đảm bảo tốc độ và lực căng không đổi nên phải tạo mômen hãm để giữ cho lực căng của giấy không đổi bằng cách sử dụng động cơ điện một chiều làm việc ở chế độ hãm tái sinh nhằm tận dụng năng lƣợng cơ năng của động cơ quấn giấy trả về lƣới . 1.3. Các công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển ổ từ Các công trình nghiên cứu trong thời gian gần đây: 1. Trong một công trình công bố năm 2008 [9], B.Lu và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm sử dụng phƣơng pháp điều khiển thay đổi tham số tuyến tính (Linear Parameter Varying – LPV) cho hệ thống ổ từ tích cực. Mô hình các thông số không ổn định đƣợc xác định nhờ mạng nơ-ron nhân tạo. Một hàm trọng số không ổn định đƣợc gần đúng hóa phục vụ cho việc điều khiển LPV. Các thí nghiệm đƣợc tiến hành để kiểm chứng tính bền vững của các hệ điều khiển LPV làm việc với dải các tốc độ quay khá rộng. Cách điều khiển này loại bỏ đƣợc đòi hỏi về quy trình khuyếch đại, đồng thời cho thấy kết quả tốt hơn so với điều khiển PID truyền thống ở tốc độ cao. 2. Trong nghiên cứu đƣợc công bố gần đây nhất (2009), Chen và cộng sự [10] thay thế bộ điều khiển PID truyền thống bằng độ điều khiển PID tự điều hƣớng mờ LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 (self-tuning fuzzy PID-type controller), nhằm giải quyết vấn đề rung động không cân bằng trong hệ thống ổ từ tích cực. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc giảm rung động cho hệ thống ổ từ tích cực cũng nhƣ giảm dịch chuyển của trục roto. 3. Trong một nghiên cƣu khác, T.M.Lim và D.Zhang (2008) phát triển hệ thống điều khiển lai, kết hợp PID và điều khiển thích nghi tham khảo mô hình bền vững (RMRAC) để điều khiển lực nâng của động cơ không dùng ổ [19]. Công trình này khai thác quan hệ Lorentz để sản sinh cả lực nâng roto và momen quay. Kết quả thí nghiệm cho thấy ứng xử động học của mô hình mới tốt hơn hệ điều khiển PID truyền thống. Hƣớng nghiên cứu khai thác lực Lorentz cũng đã đƣợc H.Y- Kim và C-W.Lee đặt ra trong công trình công bố năm 2006 [13]. Thiết kế mới ổ từ và hệ thống điều khiển tích hợp dựa trên nguyên lý lực Lorentz và Maxwell. Hệ thống điều khiển tối ƣu và giải thuật điều khiển Feed-Forward đã đƣợc sử dụng trong mô hình thí nghiệm này. Kết quả cho thấy tính khả thi của thiết kế mới. 4. I.S.Cade và cộng sự (2007) đề xuất một phƣơng pháp mới để dự đoán biên độ dao động ở trạng thái ổn định từ các ứng xử quá độ đo đƣợc tại các kênh vào, kênh ra của hệ thống ổ từ rô to mềm. Kỹ thuật này dựa trên phân tích hệ số Wavelet nhiều cấp và động lực học quá độ hệ thống. Một bộ điều khiển đƣợc thiết lập trong hệ tọa độ hệ số wavelet, các lực điều khiển đƣợc xác định từ các hệ số Wavelet phản hồi tỷ lệ. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự điều hƣớng dao động quá độ có thể đƣợc cải thiện [14]. 5. Năm 2004, M.O.T. Cole và các cộng sự [18] đã đề xuất thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ ổ từ, trong đó tích hợp các phƣơng pháp điều khiển kháng lỗi (fault- tolerant). Kết quả thí nghiệm thu đƣợc trên hệ ổ từ - rô to mềm cho thấy hiệu quả của hệ thống điều khiển này. Một giải thuật điều khiển rung động thích nghi nhằm tối thiểu hóa các thao tác đo rung động bằng cách điều chỉnh biên độ và pha của tín hiệu đồng bộ đi vào điểm nút cộng của vòng lặp điều khiển phản hồi cũng đã đƣợc J. Shi và các cộng sự phát triển và công bố trong năm này [15]. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 6. Năm 2003, J.Y.Hung và cộng sự đã thiết kế hệ điều khiển phi tuyến cho ổ từ, sử dụng kết hợp các khái niệm tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization) và lùi theo bƣớc (backstep), triển khai với bộ xử lý tín hiệu số dấu chấm động (floating point). Kết quả cho thấy ứng xử phản hồi vòng kín (closed-loop response) dễ dàng tinh chỉnh hơn và bộ phản hồi sử dụng dòng điện nhỏ hơn các bộ điều khiển tuyến tính [16]. Trong khi đó, M.Golob và B.Tovornik (2003) ứng dụng bộ điều khiển lôgic mờ cho một hệ thống từ treo đơn giản [17]. Bộ điều khiển phân tách PID mờ bao gồm các phần tỷ lệ, tích phân, vi phân riêng biệt và đƣợc tinh chỉnh một cách độc lập. Kiểm nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ PID phân tách thực thi tốt hơn bộ điều khiển PID tuyến tính truyền thống. 7. Cũng trong năm 2008, Z.Gosiewski và A.Mystkowski công bố nghiên cứu điều khiển bền vững ổ từ đỡ đơn cực [20]. Hệ điều khiển bền vững của rung động roto cứng đƣợc thiết kế và kiểm chứng bằng thí nghiệm. Một bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) đƣợc sử dụng để thực thi giải thuật điều khiển. Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ điều khiển cũng nhƣ tính bền vững của bộ điều khiển đƣợc thiết kế. KẾT LUẬN Nội dung toàn chƣơng 1 đã đề cập một số vấn đề cơ bản trong nghiên cứu về ổ từ nhƣ sau: - Tổng quan về các khái niệm ổ đỡ từ: Cấu tạo, ứng dụng của ổ đỡ từ. - Tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. - Cấu trúc đặc trƣng của một hệ thống truyền động động cơ đƣợc trang bị các ổ đỡ từ tính. - Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc và cấu trúc của cuộn dây. - Phân tích phân loại ổ đỡ từ. - Những hạn chế của các phƣơng pháp điều khiển hiện đại dùng cho ổ đỡ từ. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 CHƢƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ 2.1. Mô hình toán học của bộ treo từ tính Ổ từ đỡ tƣơng tự nhƣ một động cơ điện, tuy nhiên thay vì tạo ra momen xoắn để quay rô-to, nó tạo ra một lực để treo ngõng trục trong lòng ổ. Khoảng cách giữa ngõng trục và lót ổ thông thƣờng khoảng 0,5 ‚ 2 mm. Ổ từ bị động (Passive Magnetic Bearing – PMB) làm việc dựa trên nguyên lý lực đẩy của 2 nam châm vĩnh cửu, do vậy không cần thiết sử dụng nguồn cấp điện. Nam châm vĩnh cửu đòi hỏi phải có độ từ dƣ và độ kháng từ lớn, nên thƣờng phải sử dụng các vật liệu từ dị hƣớng . Ổ từ tích cực (Active Magnetic Bearing – AMB) làm việc dựa trên nguyên tắc tạo lực hút. Các sensơ vị trí của trục theo 5 hƣớng (4 theo phƣơng hƣớng kính, một theo phƣơng dọc trục) đƣợc sử dụng để tạo tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển. 2.1.1 Cấu trúc cơ điện và nguyên lý hoạt động của ổ từ Nguyên tắc làm việc của ổ đỡ tƣ̀ tƣơng tƣ̣ nhƣ một nam châm điện . Nghĩa là, có thể tạo nên chuyển dịch cơ học theo một phƣơng nào đó bằng các lƣ̣c (hút hoặc đẩy) điện tƣ̀. Do vậy, có thể chọn các biến độc lập trong hệ thống ổ đỡ từ là dòng điện (i) chạy trong dây quấn và chuyển vị (x) của vật thể. Hình 2.1 trình bày về một cấu trúc cơ bản của một nam châm điện với một bộ điều khiển phản hồi cho một hệ thống treo theo một phƣơng sử dụng năng lƣợng từ. Cuộn dây đƣợc cấp điện gây ra một lực từ làm treo vật thể bằng sắt hình chữ nhật. Vật thể chỉ tự do theo phƣơng đứng. Dòng điện i sinh ra một từ thông ψ. Đƣờng sức từ đƣợc biểu diễn bằng những đƣờng nét đứt và đi qua khe hở không khí hai lần theo phƣơng đứng. Lực hút giữa vật thể bị treo và lõi từ hình chữ C là một hàm của dòng điện i, lực này tỉ lệ với bình phƣơng của dòng điện i nếu nhƣ lõi từ không bị bão hoà. Dƣới những trạng thái ổn định, lực hút sinh ra đƣợc điều chỉnh đúng bằng tích số mga nhằm thoả mãn điều kiện cân bằng lực với: + m là khối lƣợng vật thể + ga là gia tốc trọng trƣờng . LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Sensor khoảng cách xác định vị trí theo phƣơng đứng của vật thể bị treo. Điện áp đầu ra của sensor chính là đầu vào của bộ điều khiển. Lực từ cần thiết đƣợc tạo ra để treo đối tƣợng một cách cân bằng. Lực cần thiết bằng tổng của lực lò xo và lực cản. + Lực cản tỉ lệ với vận tốc của vật thể treo. + Lực lò xo tỉ lệ với độ dịch chuyển của vật thể treo. Những đại lƣợng điều khiển này có chiều ngƣợc lại so với chiều của vận tốc và chuyển vị cho phản hồi âm. Từ đó bộ điều khiển sinh ra một dòng điều khiển sao cho lực sinh ra phù hợp với yêu cầu. Bộ chỉnh lƣu sẽ điều chỉnh dòng điện i kích thích vào một cuộn dây mắc nối tiếp. Giả sử rằng số vòng của cuộn dây là N, do đó có một lực từ động (lực sinh ra thông lƣợng trong mạch từ) Ni đƣợc sinh ra. Vì độ dẫn từ của vật liệu sắt từ là cao nên từ thông phụ thuộc vào đƣờng sức đƣợc biểu diễn bằng đƣờng nét đứt trên hình vẽ. Từ thông đi qua khe hở không khí hai lần, nhƣng chỉ có duy nhất một đƣờng sức từ thông đƣợc thể hiện trên hình vẽ, tuy nhiên từ thông đƣợc phân bố trong khắp khe hở không khí. Mật độ từ thông lớn nhất trong khe hở không khí quyết định khả Nam châm điện Vật liệu sắt từ x Sensor khoảng cách i v Bộ điều khiển ψ Bộ chỉnh lƣu g mga Hình 2.1 - Hệ thống từ treo LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 năng sinh lực của nam châm điện. Mật độ từ thông cao sẽ dẫn đến lực từ lớn. Tuy nhiên, mật độ từ thông lớn nhất cho các loại thép silic thông dụng đƣợc giới hạn từ 1.7 đến 2T . Mật độ từ thông có ảnh hƣởng quan trọng đến việc giới hạn kích thƣớc khe hở không khí sao cho nhỏ hơn chiều dài cho phép để giảm cƣờng độ dòng điện. Việc xác lập chiều dài khe hở không khí nhỏ nhất có thể đƣợc cũng đóng vai trò quan trọng, điều này sẽ làm giảm dòng điện và tổn thất. 2.1.2 . Các mối quan hệ cơ bản Hình 2.2 mô tả một nam châm điện đƣợc sử dụng để treo một lõi từ hình chữ I bằng một lực từ. Lõi từ hình chữ C của nam châm điện có chiều dầy l và chiều rộng w. Đƣờng sức từ thông đƣợc biểu diễn bằng nét đứt. Các chiều dài của đƣờng từ thông trong lõi từ hình chữ C là l1 và l2. Chiều dài của đƣờng sức từ thông trong lõi từ hình chữ I là l3. Cuộn dây có N vòng. Dòng điện tức thời là i, bởi vậy lực từ động tƣơng ứng là Ni. Kích thƣớc của khe hở không khí ở vị trí danh định là g. Tọa độ của lõi từ hình chữ I là x do đó chiều dài khe hở không khí là (g-x). Từ trở của mạch từ đƣợc xác định là: v g – x x l l3 i l2 l1 w Hình 2.2 - Lõi từ C và lõi từ hình chữ I với một cuộn cảm LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 R = S l mt fP  (2.1) Trong đó: lfp - chiều dài của đƣờng sức mt - độ dẫn từ của vật liệu S - diện tích mặt cắt của đƣờng sức Độ dẫn từ của một vật liệu là một hàm nghịch của từ trở, tức là: Pa = fp mt l S. (2.2) Hình 2.3 trình bày một mạch "điện" tƣơng đƣơng cho một mạch từ của một nam châm điện. Trong các khái niệm lực từ động MMF (điện áp), từ thông (dòng điện) và từ trở (điện trở), một hằng số (dc) mạch từ có thể đƣợc tính toán theo cùng một cách thức nhƣ với một mạch điện. Sự khác nhau cơ bản là từ trở (mạch từ) là một phần tử tích trữ năng lƣợng cßn điện trở (mạch điện) là phần tử tiêu thụ năng lƣợng. + Nguồn điện áp ‘Ni’: đặc trƣng cho lực từ động MMF đƣợc sinh ra bởi cƣờng độ dòng điện cuộn dây. + RC và RI là từ trở tƣơng ứng trong lõi từ C và lõi từ hình chữ I. + Rg là từ trở trong khe hở không khí. Các từ trở đƣợc viết dƣới dạng sau: wl xg Rg 0   (2.3) wl ll R r c 0 212  (2.4) wl l R r I 0 3 (2.5) LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 Với : 0 là độ dẫn từ của không khí ( 0 = 4  x 10 -7 H/m) r là độ dẫn từ tỷ đối ( mt = r . 0 ) Giá trị của r đối với vật liệu thép điển hình thƣờng nằm trong khoảng 1000- 10000. Độ dẫn từ tỷ đối của không khí xấp xỉ bằng 1.0. Trong phần lớn các trƣờng hợp, từ trở của khe hở không khí thƣờng lớn hơn rất nhiều so với từ trở của thép bởi vậy trong các tính toán sau đây có thể bỏ qua từ trở của thép. Nhƣ vậy mạch điện tƣơng đƣơng sẽ đƣợc rút gọn hơn. Với từ thông  ta có: xg wlNi R Ni g   0. 22  (2.6) Từ thông liên kết vòng 1 của cuộn dây đƣợc xác định bằng tích của số vòng N với từ thông đƣợc xuyên qua cuộn dây: xg wliN   0 2 1 . 2   (2.7) Điện cảm L đƣợc xác định bằng từ thông liên kết vòng chia cho giá trị cƣờng độ dòng điện L = i/ nên ta có: )(2 0 2 xg wlN L    (2.8) ψ Rg Rl Rc Rg Ni Hình 2.3 - Mạch từ tương đương LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Nếu chuyển vị x khi so sánh mà nhỏ hơn kích thƣớc khe hở không khí thì công thức chuỗi khai triển sau có thể đƣợc áp dụng:                 ...1 1 1 111 3 3 2 2 g x g x g x g g xgxg ( 2.9) Và nếu chỉ quan tâm số hạng thứ nhất và thứ hai trong công thức chuỗi trên thì hệ số tự cảm có thể đƣợc lấy xấp xỉ bằng:        g x LL 10 (2.10) Với L0 là điện cảm riêng danh nghĩa: g wlN L 2 0 2 0   (2.11) Thêm vào đó, mật độ từ thông B trong khe hở không khí có thể đƣợc tính : )(2 0 xg iN wl B    (2.12) 2.1.3 Cơ cấu chấp hành vi sai Hình 2.4 mô tả một dạng vi sai của một cơ cấu chấp hành từ tính. Vật thể trụ tròn có thể di chuyển theo phƣơng x. Nó đƣợc treo trong không khí bằng lực từ đƣợc điều khiển. Hai cơ cấu chấp hành hình chữ C đƣợc sử dụng để minh hoạ. Giả sử rằng từ thông đƣợc phân bố đều trong khe hở không khí với các mật độ từ thông là B+ và B- trong khe hở không khí trên và dƣới tƣơng ứng. Diện tích khe hở không khí là S bằng tổng của S1 và S2. Lực từ F1 và F2 tác dụng lên vật thể hình trụ. Các lực đó là : 2 0 1 2  B S F  2 0 2 2  B S F  bởi vậy tổng của các lực này là F đƣợc viết nhƣ sau: )BB( 2 S F 22 0     (2.13) Qua công thức cho thấy lực từ tỉ lệ với hiệu của bình phƣơng các mật độ từ thông. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 2.1.4 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt Hình 2.5 là một động cơ nam châm vĩnh cửu. Trên rotor, một nam châm vĩnh cửu hình khuyên tròn đƣợc lắp lên một trục. Nam châm vĩnh cửu là hai điện cực đã đƣợc từ hoá từ trƣớc. Trên stator có 4 điện cực nhô ra. Mỗi điện cực có một dây quấn, tuy nhiên chỉ có một dây pha đƣợc thể hiện trên hình 2.5. Từ thông của động cơ đƣợc sinh ra bởi các nam châm vĩnh cửu. Do vậy tồn tại một lực hút giữa bề mặt rotor và các điện cực của stator. Thông thƣờng tổng của các lực đó bằng không nếu nhƣ rotor ở chính tâm và dòng điện trong các cuộn dây có vị trí đối nhau có giá trị bằng nhau hoặc bằng không. S = S1 + S2 B - B - B + B + x F1 F2 i i Hình 2.4 - Cơ cấu điều chỉnh vi sai LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 Hình 2.5 - Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt Nếu một trục của động cơ điện không đồng tâm với tâm của rotor thì nó không quay quanh đƣờng tâm của nó, 4 thành phần lực hƣớng tâm là không cân bằng bởi vậy tổng các lực từ khác không. Lực từ sinh ra sẽ quay cùng với rotor. Lực hƣớng tâm quay này sẽ gây ra rung động và gây ồn trong hệ thống đồng thời làm giảm tuổi thọ của ổ từ. Nếu lực từ hƣớng tâm trong 4 cực stator đƣợc điều khiển tích cực thì một trục rotor có thể đƣợc đỡ bởi các lực từ. Một lƣợng không cân bằng nhỏ của mật độ từ thông khoảng 0.005T cũng sinh ra một lực từ đủ để treo trọng lƣợng rotor. 1.5. Ổ từ chịu tải hướng tâm (ổ đỡ từ) Hình 2.6 trình bày mặt cắt ngang của một dạng ổ đỡ từ thông dụng. Rotor có dạng vành trụ, trục của rotor đƣợc bao quanh bằng vật liệu sắt từ chẳng hạn nhƣ các thép silic. Stator bao quanh rotor và có 8 cực. Giữa các cực stator là những đƣờng rãnh chứa các dây quấn. Vành stator khép kín các đƣờng dẫn từ của 8 cực stator. Đĩa stator đƣợc thiết kế có bề rộng vừa đủ để tránh đƣợc sự bão hoà từ tính và tạo ra độ cứng vững cơ học cao để tránh dao động do các lực từ hƣớng tâm gây ra, 8 cực đƣợc chia thành 4 nam châm điện tức là các nam châm điện đƣợc đánh số thứ tự từ 1 đến 4 trên hình vẽ. Ở nam châm 1, có hai cuộn dây ngắn mạch đƣợc quấn quanh 2 cực của stator. Các cuộn này đƣợc mắc nối tiếp bởi vậy chỉ có 2 đầu mút ở mỗi nam châm. Với một dòng điện i1 trong một cuộn dây, lực từ thông, từ thông và lực hút hƣớng tâm F1 đƣợc sinh ra giống nhƣ hình 2.2 đã mô tả. Nam châm 1 sinh ra một 60° Bg = 0.7 T 1 N 4 2 S 3 φ 50 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 lực hƣớng tâm F1 theo chiều x, nhƣng trái lại nam châm 3 sinh ra một lực hƣớng tâm có chiều ngƣợc lại (–x). Vì vậy nam châm 1 và nam châm 3 làm việc theo hai chiều khác nhau nhƣ đã trình bày ở hình 2.4 trên. Nam châm 2 và 4 cũng sinh ra 2 lực hƣớng tâm theo phƣơng y và có chiều ngƣợc nhau. Trong ổ đỡ từ, có 2 cặp lực hƣớng tâm vuông góc là các lực theo phƣơng x vuông góc với các lực theo phƣơng y. Nhƣ đã nói ở trên, 4 nam châm làm việc trong 4 hƣớng khác nhau với các cƣờng độ dòng điện trong 4 nam châm đƣợc điều chỉnh một cách độc lập. Nhƣ vậy cần 8 cuộn dây để nối giữa ổ đỡ từ với 4 bộ điều chỉnh dòng điện. Ta định nghĩa các thông số sau: D - đƣờng kính ngoài của rotor (m) l - chiều dài của lõi rotor nghĩa là chiều dài dọc trục của rotor (m). θt – Độ lớn góc ở tâm chắn cung ở cực stator (deg - độ) Điều này có nghĩa là diện tích S của một điện cực stator trong khe hở là: i3 i4 i1 i2 v3 v2 v1 v4 F1 F4 F3 F2 Trục Vành Stator Cực Stator Rãnh h Hình 2.6 - Ổ đỡ từ chịu tải hướng tâm LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31         360 DxlS t ( 2.14) Lực hƣớng tâm F1 đƣợc sinh ra bởi 2 cực stator đƣợc rút ra từ công thức : S B F 0 0 2  vì rằng các điện cực có vị trí góc là 22.50, khi đó lực sẽ là:          8 cos SB F 0 2 1 (2.15) Hệ số tự cảm của một nam châm với chiều dài danh định của khe hở là g là: g2 SN L 0 2 0   (2.16) Với N là tổng số vòng của 2 cuộn dây ngắn mạch. Lực hƣớng tâm có thể tìm đƣợc từ công thức 2 i . g L F 2 0 20 2 0 1 8 cos 22 i g L g iL F         (2.17) 2.1.6. Mô tả toán học ổ đỡ từ Phƣơng trình (2.15) và (2.17) lần lƣợt biểu diễn lực hƣớng tâm nhƣ một hàm của độ cảm ứng từ và hàm của dòng điện. Để điều khiển lực hƣớng tâm thì độ cảm ứng từ hoặc dòng điện phải đƣợc điều khiển. Xác định dòng điện có lợi nhiều hơn so với xác định độ cảm ứng từ bởi những nguyên nhân sau: - Xác định dòng điện có chi phí thấp hơn. Các sensor đó có thể đƣợc cài đặt trong bộ điều khiển hiện có. - Xác định từ thông rất phức tạp và có thể rất đắt tiền. Ví dụ một thiết bị xác định từ thông là bộ cảm biến Hall. Cảm biến Hall phải cực mỏng để có thể lắp đặt vào khe hở. Cảm biến Hall rất đắt và có tính cơ học yếu. Nối dây từ cảm biến Hall đến bộ điều khiển cũng là một vấn đề. Một cách khác để có thể xác định từ thông đó là sử dụng cuộn dây tìm kiếm. Tuy nhiên các cuộn dây tìm kiếm cũng không xác định đƣợc thành phần từ thông không đổi . LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 Trong phần lớn các trƣờng hợp, dòng điện tức thời đƣợc điều chỉnh để điều khiển lực hướng tâm. Dễ nhận thấy là mối quan hệ giữa lực hƣớng tâm và cƣờng độ dòng điện là phi tuyến. Không kể đến ảnh hƣởng của sự bão hoá từ, lực hƣớng tâm tỉ lệ với bình phƣơng dòng điện. Trong thực tế, lực hƣớng tâm không tỉ lệ với i2, mà nó tỉ lệ với i1.6. Ta biểu diễn lực hƣớng tâm nhƣ sau: 2 1 ' i 1 i 4 k F  (2.18) 2 3 ' i 3 i 4 k F  (2.19) với g )8/cos(L2 k 0'i   Để tuyến tính hoá mối quan hệ giữa lực hƣớng tâm và phần tử dòng điện, các dòng điện cuộn dây trong nam châm 1 và 3 đƣợc chia thành 2 thành phần, thành phần dòng điện phân cực Ib và thành phần dòng điện điều khiển lực từ ib: i1 = Ib + ib (2.20) i3 = Ib - ib (2.21) Hình 2.7 - Mối quan hệ giữa lực hướng tâm và dòng điện 0 20 40 60 80 F x ( K g l ự c) 2 4 6 8 i1 (A) 2 1i 6.1 1i LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Cần chú ý rằng các dòng điện i1 và i3 là những giá trị dƣơng. Do vậy, ib nhỏ hơn Ib. Lực hƣớng tâm tác dụng lên trục theo chiều trục x là: Fx = F1- F3 (2.22) Thay (2.18) và (2.19) vào (2.22) ta đƣợc một công thức tính lực từ đơn giản sau: Fx = ki’Ibib (2.23) Từ đây thấy rằng lực hƣớng tâm tỉ lệ với dòng điện điều khiển lực ib khi dòng điện phân cực Ib đƣợc giữ không đổi. Hình 2.7 biểu diễn đặc tính phi tuyến giữa lực hƣớng tâm và dòng điện của cuộn dây trong 2 trƣờng hợp, một là tỉ lệ với i2 và một tỉ lệ với i1.6. Hình 2.8 biểu diễn mối quan hệ giữa lực hƣớng tâm và thành phần dòng điện điều chỉnh lực hƣớng tâm ib cho 2 trƣờng hợp trên. Điều này khẳng định rằng lực hƣớng tâm và ib có mối quan hệ tuyến tính nhƣ đã chỉ ra trong công thức (2.23). Hơn nữa, một quan hệ gần nhƣ là tuyến tính cũng nhận đƣợc trong trƣờng hợp mà lực hƣớng tâm tỉ lệ với i1.6. Kết quả này cho thấy hiệu quả của cách thức điều khiển thành phần dòng điện này. Lực từ có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng: Fx = ki ib (2.24) với ki = ki’Ib và ki đƣợc gọi là hệ số lực - dòng điện Hình 2.9 biểu diễn sơ đồ khối để điều khiển một dòng điện. Trong bộ điều khiển, đại lƣợng lực hƣớng tâm là Fx * và một thành phần dòng điện điều khiển là ib * Hình 2.8 - Mối quan hệ tuyến tính của lực hướng tâm với dòng điện phân cực 1 2 3 0 2 0 4 0 6 0 lb (A) 2 3 2 1 ii  6.1 3 6.1 1 ii  F x ( K g l ự c) lb = 5A LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 đƣợc tạo ra, thành phần tỉ lệ với lực điều khiển. Sau đó dòng điện điều khiển đƣợc tăng lên hoặc giảm bớt đi để giữ cho dòng điện phân cực điều khiển Ib * không đổi dựa vào công thức (2.20) và (2.21). Các dòng điện điều khiển của cuộn dây i1 * và i3 * đƣợc cung cấp cho các bộ điều khiển dòng điện, những bộ điều khiển này sinh ra các dòng điện phù hợp với các yêu cầu trên. Nhƣ vậy, tổng của lực hƣớng tâm đƣợc sinh ra trong nam châm 1 và nam châm 3 sẽ phụ thuộc vào lực hƣớng tâm tham khảo Fx * . Sử dụng phép phân tích ở các phần trên , lực hƣớng tâm có thể đƣợc rút ra cho ổ đỡ từ chịu tải hƣớng tâm là một hàm của đồng thời cƣờng độ dòng điện ib và chuyển vị hƣớng trục x của rotor. Lực hƣớng tâm Fx là tổng của các lực đó: xkikF xbxix  (2.25) Bộ ổn dòng bilk 1 Bộ ổn dòng * bi + + + - * 3i * 1i i3 * xF * bi i1 Hình 2.9 - Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện Hình 2.10 - Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống từ treo sử dụng năng lượng từ theo một phương ik m 1 xk + + ibx s 1 s 1 x Fx ax vx LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 Trong đó : + Với ibx là dòng điện điều khiển lực theo phƣơng x. + Fx : Lực hƣớng tâm của ổ đỡ chịu tải hƣớng tâm. + ki : Hệ số lực – dòng điện + kx : Hệ số lực - chuyển vị Từ định luật 2 Niuton có:        2 2 dt xd mmaxkikF xbxix (2.26) Sử dụng toán tử s thì (1) đƣợc viết lại là: x i bx otu xbxi kms k i x sW xkmsik    2 2 )( )( (2.27) Hệ số lực – dòng điện và lực - chuyển vị đƣợc tính nhƣ sau:              8 cos2 0  g I Lk bi (2.28)              8 cos2 2 0  g I Lk bx (2.29) Hình 2.10 biểu diễn một sơ đồ khối của (2.25) và hệ thống cơ khí. Lực hƣớng tâm đƣợc chia cho khối lƣợng m, bởi vậy đầu ra của khối là gia tốc ax mà gia tốc này cũng chính là đầu vào của một khối tích phân. s là toán tử Laplace, do đó một khối 1/s chính là tích phân của đầu vào. Tích phân của gia tốc là vận tốc hƣớng tâm của rotor υx. Tích phân của vận tốc là chuyển vị hƣớng tâm x. Khối lƣợng m là khối lƣợng của vật thể đƣợc treo. Có thể thấy rằng kx tạo ra một chu kỳ phản hồi dƣơng cũng là nguyên nhân tạo ra hàm truyền không ổn định. Một sơ đồ khối tƣơng tự có thể đƣợc vẽ cho các biến theo trục y. Hình 2.11 biểu diễn một sơ đồ cấu trúc hàm số truyền rút gọn của ổ đỡ tƣ̀. x x 2 i kms k  ibx Hình 2.11 - Sơ đồ cấu trúc rút gọn LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Có thể thấy rằng hàm truyền là không ổn định bởi vì mẫu số ms2-kx bị thiếu một số hạng thứ nhất và bao gồm một số hạng âm -kx Phƣơng trình đặc tính: ms 2 – kx = 0 Nghiệm của phƣơng trình đặc tính là: m k s x2,1  Có thể thấy rằng hàm số truyền của ổ đỡ tƣ̀ là khâu k hông ổn định vì có một nghiệm ở nửa phải của mặt phẳng phức. Để ổ tƣ̀ làm việc ổn định thì phải sƣ̉ dụng các biện pháp ổn định hóa bằng các khâu phản hồi âm hoặc các khâu hiệu chỉnh. Trong chƣơng trƣớc, thiết kế ổ từ và các biểu thức toán học cho các ổ từ và các cơ cấu chấp hành liên quan đã đƣợc mô tả. Ổ từ đƣợc mô hình hoá thành hai hằng số lực đơn giản, chúng đƣợc xác định đối với chuyển vị và dòng điện. Hàm truyền có bản chất là một hàm không ổn định bởi vậy thiết kế bộ điều khiển là một vấn đề quan trọng. 2.2 Các tính chất điều khiển được của bộ treo từ tính 2.2.1.Lực kéo không cân bằng Vấn đề về lực kéo không cân bằng rất quan trọng bởi vì nó là nguyên nhân của những đặc tính không ổn định vốn có của các hệ thống từ treo. Trong phần này, những nguyên lý và phép phân tích về nguồn gốc của lực từ kéo không cân bằng sẽ đƣợc trình bày. Kết quả này sẽ đƣợc ứng dụng cho ổ đỡ từ 8 cực từ phần trƣớc. 2.2.1.1 Các nguyên tắc cơ bản Hình 2.12(a, b) mô tả các lõi từ C và lõi từ hình chữ I đơn giản đƣợc quấn dây. Giả sử rằng các dòng điện cuộn dây là không đổi. Lƣu ý rằng các hình này chỉ khe hở là khác nhau. Ở hình 2.12(a), kích thƣớc khe hở danh định là g, tuy nhiên trong hình 2.12(b) thì kích thƣớc khe hở nhỏ hơn tức là g-x. Ta định nghĩa mật độ từ thông khe hở trong hình 2.12(a,b) lần lƣợt Ba và Bb. Mật độ từ thông ở hình 2.12(b) là cao hơn bởi vậy Ba <Bb. Vì vậy, lực hút từ giữa lõi từ C và lõi từ hình chữ I trong LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 hình 2.12(b) cao hơn nên Fa < Fb. Do đó, lực từ sẽ tăng lên khi kích thƣớc khe hở giảm xuống. Đặc tính này gây nên cơ chế không ổn định đƣợc mô tả dƣới đây. Nếu lõi từ I có thể di chuyển theo phƣơng x thì nó sẽ bị một lực từ hút về phía lõi C. Do vậy kích thƣớc khe hở sẽ giảm xuống. Tuy nhiên điều này làm cho lực từ tăng lên. Sự di chuyển tiếp theo sẽ bị giới hạn do 2 cực từ bị hút chặt vào nhau. Vì vậy, cơ cấu bên dƣới phải là một hệ thống lò xo âm. Do vậy, lực từ đƣợc sinh ra ( là một hàm của x) là một lực không ổn định. Trong một hệ thống từ treo hoàn hảo, thì lực không ổn định đƣợc khử bằng một lực phản hồi âm. Trong trƣờng hợp của cơ cấu điều chỉnh vi sai đƣợc mô tả ở hình 2.4 và 2.6, lực từ không ổn định đƣợc cân bằng tại vị trí trung tâm. Nếu một vật thể treo dịch chuyển khỏi vị trí trung tâm thì một lực từ không ổn định đƣợc sinh ra. Lực từ không ổn định là một hàm của độ lệch tâm của vật thể đƣợc treo, bởi vậy, lực từ trong trƣờng hợp này đƣợc gọi là lực kéo không cân bằng. 2.2.1.2 Phép phân tích trong lõi từ hình C và lõi từ hình chữ I Các nguyên tắc của lực không ổn định cho thấy rằng lực từ không những là hàm của dòng điện mà còn là một hàm của chuyển vị x. Trong phần trƣớc, lực hƣớng tâm đƣợc biểu diễn là một hàm của riêng dòng điện và giả sử rằng x =0. Tuy nhiên, xem xét ảnh hƣởng của x là một vấn đề quan trọng. g g – x Ba Bb (a) (b) Hình 2.12 - Lực từ kéo (hấp dẫn) và kích thước khe hở: (a) kích thước khe hở rộng, (b) kích thước khe hở được giảm xuống. Fb Fa I I LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 Ở phần 1.2, một phép xấp xỉ đƣợc ứng dụng trong một phép khai triển toán học. Tuy nhiên, 1/(g-x) có thể đƣợc khai triển cho nhiều nhóm hơn: .....])()(1[ 1 )1( 11 32     g x g x g x g g x g xg (2. 30) Trong phần 1.2 đến 1.5, chỉ có nhóm thứ nhất và nhóm thứ hai trong dấu ngoặc đƣợc xem xét. Lực không ổn định xuất hiện từ nhóm thứ 3 hoặc cao hơn. Xem xét 3 số hạng đầu tiên trong ngoặc. Hệ số tự cảm L là:        20 )(1 g x g x LL (2.31) Do vậy, năng lƣợng từ dự trữ đƣợc viết dƣới dạng nhƣ sau                2 0 2 1 2 1 g x g x LiWm (2.32) Từ đó lực từ tìm đƣợc từ đạo hàm riêng của năng lƣợng từ dự trữ, giả sử vật liệu là từ tuyến tính, bởi vậy có: xi g L i g L F 2 2 020 2  (2.33) Nhóm thứ hai chính là lực không cân bằng mà lực này là một hàm của chuyển vị x. 2.2.1.3 Phép phân tích trong ổ đỡ từ Gọi x là một khoảng cách của rotor tính từ vị trí tâm stator. Lực không ổn định đƣợc sinh ra bởi nam châm 1 trong hình 2.6 là: ) 8 cos(2 2 0 xi g L F  (2.34) Với nam châm 3, cùng một giá trị lực hƣớng tâm cũng đƣợc tạo ra, tuy nhiên chiều của lực hƣớng tâm là ngƣợc lại, bởi vậy tổng lực không ổn định theo phƣơng x có giá trị gấp đôi giá trị ở biểu thức (2.34). Do lực từ đƣợc tăng cho nam châm này và sẽ giảm ở nam châm kia.        8 cos 2 2 2 0 xi g L F (2.35) Nếu nhƣ dòng điện cuộn dây là bằng với dòng điện phân cực Ib thì : F=kxx (2.36) LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Với 2 2 0 )8 cos(2 bx I g L k   (2.37) Hệ số kx đã đƣợc nói đến ở phần trƣớc đƣợc gọi là hệ số lực - chuyển vị . Trong các ổ đỡ từ, hệ số lực- chuyển vị là dƣơng. Do vậy, lực này gây ra cho ổ từ sự mất cân bằng. Vì vậy, đòi hỏi cung cấp một phản hồi vị trí âm đủ lớn để triệt tiêu ảnh hƣởng của hệ số này, vấn đề này đƣợc trình bày ở phần sau. 2.2.2 Các nguyên tắc điều khiển ổ đỡ từ một kênh Bộ điều khiển cơ bản ƣ́ng dụng cho hệ thốn g treo tƣ̀ tính theo một phƣơng còn đồng thời có nhiệm vụ hiệu chỉnh cấu trúc và tham số đảm bảo tính ổn định cho hệ thống. Tƣ̀ mô hình hệ thống treo một kênh (SISO) sẽ đƣợc mở rộng cho mô hình đa kênh (MIMO). Hình 2.13 trình bày một sơ đồ khối của một ổ từ và bộ điều khiển của nó cho một hệ thống treo theo một phƣơng. Hình 2.13 - Hệ thống treo từ tính theo phương x Vị trí của vật thể treo x đƣợc dò tìm và khuyếch đại bởi một sensor dịch chuyển có độ khuyếch đại là ksn và sau đó đƣợc so sánh với vị trí danh định x *. Độ sai lệch đƣợc khuyếch đại bởi một bộ điều khiển GC. Một dòng điện ib đƣợc cung cấp cho ổ từ một phƣơng. Trong khối ổ từ: + m là khối lƣợng vật thể + ki là hệ số lực – dòng điện Kp+Kds LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 + kx là hệ số lực - chuyển vị. Động học của bộ treo từ tính theo một ph ƣơng là khâu không ổn định . Bởi vậy, bộ điều khiển phải ổn định hoá nó bằng cách sử dụng một vòng phản hồi ngƣợc . Một bộ điều khiển đơn giản phù hợp với ổ từ đó là bộ điều khiển PD. Hàm truyền lý tƣởng của bộ điều khiển PD là: sKKsG dpc )( (2.38) Với: + KP là hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển tỷ lệ + Kd là hằng số thời gian của bộ điều khiển đạo hàm. Hàm truyền hệ hở đƣợc viết nhƣ sau: x i dpLch kms k sKKsGsGsW   2 )()()()( (2.39) Do đó, hàm truyền từ tham khảo vị trí đến khoảng dịch chuyển (Hàm truyền hệ kín) là: sn x i dp x i dp fhh h K k kms k sKK kms k sKK WW W x x W        2 2 * )(1 )( 1 )(2* xpsnidisn ipid K kKkksKkkms kKskK x x W    (2.40) Phƣơng trình đặc tính: 0)(2  xpsnidisn kKkksKkkms (2.41) Giải phƣơng trình này theo s ta đƣợc:  )(4)( 2 1 2 xsnipsnidsnid kkkKmkkKkkK m s  (2.42) Từ phƣơng trình này rút ra một số điều kiện ổn định cho hệ thống từ treo là: a. Nếu Kd = 0 và Kp = 0 thì giá trị bên trong ngoặc vuông là: LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41   xmk4 (2.43) Do đó , có một nghiệm nằm bên phải mặt phẳng phức . Hệ thống là không ổn định. b. Nếu Kd = 0 và Kpkiksn – kx >0 thì:   )(4 xsnip kkkKmj  (2.44) Cả hai nghiệm nằm trên cùng một trục ảo . Trên lý thuyết, với điều kiện này ổn định. Tuy nhiên, trong thực tế điều kiện này không đƣợc sử dụng vì nó chỉ là ổn định mang tính chất biên (rất không ổn định). c. Nếu Kd dƣơng và Kpkiksn – kx > 0 thì:   )(4)( 2 xsnipsnidsnid kkkKmkkKjkkK  (2.45) Cả hai nghiệm ở nửa bên trái của mặt phẳng phức, hệ thống ổn định. Nhƣ vậy, bộ điều khiển PD kết hợp phản hồi âm đã ổn định hệ thống treo tƣ̀ tính theo một phƣơng. Thêm nƣ̃a , độ khuyếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển đạt giá trị nhỏ nhất khi sni x p kk k K  Lực hƣớng tâm phản hồi là –kiksn(Kp + sKd)x. Trong các điều kiện trạng thái ổn định, sKd có thể đƣợc bỏ qua, bởi vậy lực hƣớng tâm phản hồi là – Kpkiksnx. Từ đó, tổng của các lực hƣớng tâm là kxx – Kpkiksnx có giá trị âm khi sni x p kk k K  . Đây chính là điều kiện cần cho một phản hồi ổn định. * KẾT LUẬN Nội dung toàn chƣơng 2 đã đề cập một số vấn đề cơ bản trong nghiên cứu về ổ từ nhƣ sau: - Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ. - Mô tả cơ cấu chấp hành vi sai của cơ cấu chấp hành từ tính - Phân tích đƣợc tính chịu tải hƣớng tâm của ổ đỡ từ - Các tính chất điều khiển của ổ từ. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 - Các nguyên tắc điều khiển ổ từ theo một kênh. - Từ đó đƣa ra mô tả toán học của ổ từ ******** LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH 3.1 Thiết kế các bộ điều khiển PID 3.1.1 Một vài nét về thuật toán điều chỉnh PID Hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất là một hệ thống quan trọng, nó trực tiếp tạo ra của cải vật chất cho xã hội. Chính vì vậy, việc tổng hợp và phân tích tự động quá trình sản xuất là cần thiết đối với các nhà kỹ thuật, đòi hỏi phải đánh giá được khả năng làm việc cũng như chất lượng sản phẩm do hệ thống tạo ra. Hay nói cách khác phải xem hệ thống có làm việc ổn định hay không, đã đáp ứng được các yêu cầu công nghệ đề ra hay chưa. Qua đó tính toán, thiết kế các bộ điều khiển để hệ thống làm việc và thoả mãn các yêu cầu công nghệ đề ra. Trong thực tế người ta chế tạo rất nhiều bộ điều khiển như khí nén, thuỷ lực, điện tử…. chúng hoạt động theo các luật điều khiển PID đã và đang đươc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển. Luật điều khiển PID là luật điều khiển được vào hệ thống với mục đích hệ thống đó đáp ứng được tính ổn định cũng như các chỉ tiêu chất lượng yêu cầu. Vì vậy thiết bị điều khiển PID không thể thiếu được trong các hệ tự động hoá quá trình sản xuất. Tuy nguyên lý điều khiển của bộ PID không thể thay đổi nhưng do sự phát triển của kỹ thuật điện tử, tin học…. nên thiết bị điều khiển PID thay đổi nhiều về phần cứng cũng như phần mềm. Và đặc biệt với sự phát triển mạnh mẽ của vi xử lý, sự ra đời của các bộ khả trình PLC làm cho bộ điều khiển PID từ cố định chuyển sang lập trình được. Vậy bộ điều khiển PID là phần tử rất quan trọng trong các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất cũng như trong công nghiệp. 3.1.2 Cấu trúc chung của hệ điều khiển tự động Hệ thống tự động là hệ thống được xây dựng từ 3 bộ phận chủ yếu: - Bộ điều khiển - Đối tượng điều khiển - Thiết bị đo lường LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Sơ đồ hệ thống: Các tín hiệu tác động trong hệ thống: x(t) : Tín hiệu đầu vào của hệ thống (giá trị đặt hay giá trị chủ đạo) y(t) : Tín hiệu đầu ra của hệ thống (lượng được điều chỉnh) e(t) : Sai lệch điều khiển u(t) : đầu ra của bộ điều khiển - Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng z(t) : Tín hiệu phản hồi fn(t): Tín hiệu nhiễu tác động lên đối tượng. Phương trình toán học của thuật toán PID trên miền thời gian là :   dt de KdtteKteKtu dip )()()( Trong đó : Kp : là hệ số tỷ lệ Ki : là hệ số tích phân Kd : hệ số vi phân Nếu biểu diễn trên miền ảnh Laplace thì hàm truyền bộ PID là : sK s KKW dipPID  1 Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần : + Thành phần tỷ lệ + Thành phần tích phân + Thành phần vi phân Mỗi thành phần có đặc điểm và ưu thế riêng khi tham gia vào bộ điều khiển PID BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG ĐO LƯỜNG x(t) e(t) u(t) y (t) fn (t) z(t) (-) Hình 3.1 – Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 3.1.2.1 Thành phần tỷ lệ Phương trình toán học của thành phần tỷ lệ trong bộ điều khiển PID : u(t)=Kpe(t) Trong đó Kp là hệ số khuyếch đại tỷ lệ. Quy luật này làm việc ổn định với tất cả các đối tượng, tốc độ tác động nhanh. Nhưng khi làm việc với các đối tượng tĩnh thì hệ thống điều khiển luôn luôn tồn tại sai lệch tĩnh ở chế độ xác lập. Nếu trong cấu trúc của hàm truyền hệ hở của hệ thống không chứa khâu tích phân thì sai số xác lập sẽ là hằng số : K X teimlS t t 0)(   Trong đó : + K :Hệ số khuyếch đại của hàm truyền hệ hở + X0 : Biên độ của tín hiệu vào Từ công thức trên ta thấy khi bộ điều khiển có hệ số khuyếch đại Kp nhỏ thì K nhỏ  sai số xác lập lớn nhưng hệ ổn định. Điều này thể hiện sự điều khiển không đáp ứng được, không bù trừ được sai số. Khi tăng hệ số Kp thì K tăng nên sai số sẽ giảm đi, đáp ứng của hệ thống vẫn không dao động nhưng để đảm bảo sai số nhỏ thì Kp phải có giá trị lớn. Điều này mâu thuẫn với điều kiện để đạt được chất lượng tốt trong chế độ quá độ, bởi vì khi tăng Kp đến một giá trị lớn nào đó thì hệ thống bắt đầu dao động và có thể làm cho hệ thống mất ổn định trước khi đạt được hệ số khuyếch đại mong muốn. Như vậy, khi hệ thống làm việc với bộ điều khiển có cấu trúc tỷ lệ thì hệ thống luôn tồn tại sai số ở chế độ xác lập. đây chính là nhược điểm của chính của bộ điều khiển tỷ lệ khi điều khiển các đối tượng không có cấu trúc tích phân. Khi hệ số Kp nhỏ, tín hiệu u(t) đầu ra của bộ điều khiển nhỏ nên đáp ứng quá độ có sai số lớn. Khi tăng hệ số Kp trong giới hạn nào đó hệ thống vẫn ổn định, sai lệch có xu hướng giảm. Khi tăng Kp đến một giá trị nào đó lớn hơn giới hạn thì đáp ứng của hệ thống bắt đầu dao động và hệ dễ mất ổn định. 3.1.2.2 Thành phần tích phân LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Phương trình toán học của thành phần tích phân trong bộ điều khiển PID :  dtteKtu i )()(1 với u1(t) là thành phần tín hiệu điều khiển tích phân tham gia vào trong u(t). Trong quy luật này, tín hiệu ra được xác định bằng tích phân của tín hiệu vào. Thành phần u1(t) có bản chất giống như phần tử cộng tích luỹ các giá trị đầu vào do đó nó sẽ giữ vai trò quan trọng trong những hệ thống điều chỉnh có yêu cầu khử sai lệch tĩnh (sai lệch giữa giá trị đầu ra thực của hệ thống và giá trị mong muốn khi đặc tính quá độ xác lập) nhưng nó tác động chậm (tín hiệu ra chậm pha so với tín hiệu vào) vì vậy hệ thống kém ổn định. 3.1.2.3 Thành phần vi phân Phương trình toán học của thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID : dt tde Ktu dD )( )(  với uD(t) là thành phần tín hiệu điều khiển vi phân tham gia vào trong u(t). Kd gọi là hằng số thời gian vi phân. Thành phần vi phân uD(t) chỉ phụ thuộc vào tốc độ biến đổi của giá trị đầu vào e(t) bộ điều khiển, tốc độ biến đổi càng lớn thì ảnh hưởng của uD(t) đến u(t) càng lớn. Do đặc điểm đó, thành phần vi phân thường được sử dụng khi đối tượng trong hệ thống điều chỉnh có độ quán tính bé và yêu cầu tác động của bộ điều khiển nhanh chóng. Còn với những đối tượng có độ quán tính lớn thì thành phần uD(t) không được sử dụng do có nhược điểm là lượng quá điều chỉnh thường vượt quá trị số cho phép và phản ứng với nhiễu cao tần . Khi kết hợp các luật với nhau thì ta có các luật điều khiển : PI, PD, PID như sau : * Luật điều khiển tỷ lệ tích phân PI Trong thực tế, không bao giờ dùng luật điều khiển tích phân độc lập vì nó sẽ làm kéo dài thời gian điều khiển và hệ thống rất dễ mất ổn định. Xuất phát từ quan điểm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu loạn, tăng hệ số khuyếch đại của hệ thống ở vùng tần số thấp giảm bớt sai số ở chế độ xác lập mà không làm thay đổi đáng kể đặc tính ở miền tần số cao, các bộ điều khiển tỷ lệ tích phân đã được sử dụng rất phổ biến và mang lại hiệu quả cao. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Ưu điểm : Tác động nhanh (nhanh hơn quy luật tích phân nhưng chậm hơn quy luật tỉ lệ) vừa triệt tiêu được sai lệch nên quy luật này được sử dụng rộng rãi và đáp ứng được chất lượng của nhiều qui trình công nghệ. Tuy nhiên nếu đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà đòi hỏi độ chính xác điều chỉnh cao thì quy luật này không đáp ứng được. * Khâu điều khiển tỷ lệ vi phân Khâu tỷ lệ có thêm thành phần vi phân làm tăng tốc độ tác động ( nhanh hơn cả quy luật tỷ lệ), nhưng thành phần vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu xạ cao tần có biên độ nhỏ và không làm sai lệch lượng dư. Vì vậychỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi tốc độ tác động nhanh(như điều khiển tay máy ) * Khâu điều khiển tỷ lệ- tích phân- vi phân PID : Đây là qui luật hoàn hảo nhất (tác động nhanh hơn cả quy luật tỷ lệ), đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các quy trình công nghệ. Nhưng việc hiệu chỉnh tham số của nó rất phức tạp đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ nhất định. Do vậy nó chỉ được sử dụng ở những nơi cần thiết do quy luật PI không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điều chỉnh. 3.1.3 Hệ giảm chấn - khối lƣợng – lò xo tƣơng đƣơng fd . x x a b Hình 3.2 - Hệ thống giảm chấn - khối lượng – lò xo a. Sơ đồ cấu tạo b. Sơ đồ khối LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 Hình 3.2 trình bày một hệ cơ học một phương. Một vật thể có khối lượng m [kg] được treo bởi một lò xo và một bộ giảm chấn. Trong điều kiện trạng thái ổn định, chiều dài của lò xo là Xs + x. Lò xo sinh ra một lực ksx, lực này tỉ lệ với độ giãn của lò xo là x bởi vậy : mga = ksx Bộ giảm chấn sinh ra một lực giảm chấn tỷ lệ với vận tốc của chuyển vị của x tức là bằng kd (dx/dt). Vật thể cũng chịu tác dụng của một ngoại lực fd bởi vậy chuyển động được điều khiển bởi một phương trình động lực là: xk dt dx kf dt xd m sdd 2 2 (3.1) Trong đó : + ks : là độ cứng của lò xo. + kd : hệ số khuyếch đại giảm chấn. Áp dụng phương trình này, một sơ đồ khối có thể được vẽ như trên hình 3.2(b). Có thể thấy rằng lực lò xo và lực giảm chấn của khối kd và ks chính là các lực phản hồi âm. Hàm truyền sẽ là : sdd kskmsf x   2 1 (3.2) Hàm truyền này là một hệ trễ bậc hai điển hình, dạng tiêu chuẩn là: 2 21 1         nn s d ss k f x   ( 3.3) Với: + Hằng số giảm chấn s d mk k 1 2  (3.4) m ks n  ( 3.5) Từ các phương trình trên, ta có thể đưa ra kết luận sau: LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 - Vận tốc của sự đáp ứng với lực nhiễu ngoài được xác định bởi vận tốc góc tự nhiên ωn.Tại giá trị ωn cao hơn thì sự đáp ứng nhanh hơn. Có thể thấy rằng, đáp ứng nhanh được thực hiện với khối lượng vật thể nhỏ và hằng số độ cứng lò xo lớn. - Hằng số giảm chấn ζ tỷ lệ với hệ số giảm chấn kd. Một bộ giảm chấn mạnh với kd cao thì ζ cao. Với đầu vào theo bậc, nếu ζ >1 thì không đáp ứng được sự quá tải. Ước tính độ quá tải vào khoảng 25% với ζ =0.4 và 50% với ζ =0.2, bởi vậy tăng hằng số giảm chấn sẽ làm ảnh hưởng đến sự khử dao động. - Chuyển vị ổn định tỉ lệ với hệ số đàn hồi (của lò xo) ks. Chuyển vị sẽ nhỏ nếu sử dụng một lò xo cứng. Dễ thấy những điểm tương tự giữa hệ thống giảm chấn - khối lượng – lò xo và hệ thống treo từ tính. Hình 3.3 trình bày một sơ đồ khối sửa đổi của hệ thống ổ từ đã trình bày trên hình 2.13. Trong hình 3.3, một lực gây nhiễu fd được đặt vào vật thể treo. Vật thể cũng chịu tác dụng của 2 lực do chuyển vị và vận tốc của vật thể gây nên. Giả sử rằng vị trí tham chiếu x* bằng không. Có thể nhận thấy sự tương đương giữa hình 3.2 và 3.3. Các hệ số của lò xo và bộ giảm chấn được thay thế bởi các hệ số của hệ thống từ treo: kd=Kdkiksn (3.6) ks=Kpkiksn- kx (3.7) Điều này có nghĩa là hằng số thời gian Kd trong bộ điều khiển vi phân là tương đương với hằng số giảm chấn ζ . Ngoài ra độ khuyếch đại điều khiển tỷ lệ Kp Hình 3.3 - Hệ thống treo từ tương đương với hệ thống giảm chấn-khối lượng – lò xo LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 tương đương với độ cứng lò xo ks. Các hệ số của lò xo và bộ giảm chấn được điều chỉnh trong hệ thống treo từ và hệ số lực/chuyển vị kx dẫn đến ảnh hưởng âm đến độ cứng lò xo. Độ cứng lò xo dương nếu như Kp>kx/(kiksn). Trong thực tế, kx luôn biến đổi ( trong các ổ đỡ từ hệ số này là dương, do vậy lực này gây ra sự mất cân bằng ) và sự biến thiên này là do dòng điện phân cực và phi tuyến. Bởi vậy Kpkiksn phải được chọn để có giá trị lớn hơn kx một lượng đáng kể. Từ phương trình (3.3) đến (3.5), hệ thống treo được biểu diễn là: 2 21 1 . 1                nn xsnipd sskkkKf x   (3.8) Với:  mkkkK kkK xsnip snid   1 2  (3.9) m kkkK xsnip n   (3.10) Từ đó có thể nhận thấy hệ thống từ treo có những đặc điểm sau đây: - Tăng độ khuyếch đại của bộ điều khiển đạo hàm dẫn đến giảm chấn tốt hơn. - Tăng độ khuyếch đại của bộ điều khiển tỷ lệ dẫn đến đáp ứng nhanh và độ cứng cao hơn. 3.1.4 Điều chỉnh của các hệ số khuyếch đại PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) Trong phần này, sẽ giới thiệu việc tối ưu hóa hệ số khuyếch đại, các bộ điều khiển đạo hàm và điều khiển tích phân. Những đặc trưng gây nhiễu được khảo sát với việc điều chỉnh các hệ số khuyếch đại điều khiển PID. Trong một hệ thống treo từ tính, tham chiếu dịch chuyển thường xác lập bằng không tại vị trí chuẩn (danh định). Tham chiếu vị trí luôn là tâm của hệ thống ổ từ. Dịch chuyển phản hồi theo vị trí khảo sát thường không được mô tả; thay vào đó nó là chuyển vị gây nên bởi lực nhiễu, mặc dù cải thiện lực nhiễu trong hệ thống treo cũng dẫn đến phản hồi tốt hơn cho chuyển vị khảo sát. Do vậy, sự đáp ứng chuyển vị phụ thuộc vào lực gây nhiễu sẽ được khảo sát trong phần này. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 Từ hình 3.3 hàm truyền từ lực nhiễu tới chuyển vị tức độ cứng động lực là: xsnipsnidd kkkKskkKmsf x   2 1 ( 3.11) Ta thấy rằng mẫu số t rong công thức này giống như hàm truy ền của )(2* xpsnidisn ipid K kKkksKkkms kKskK x x W    như đã trình bày . Vì vậ y, các hàm truyền này có cùng một quỹ tích các cực . Thực tế này chỉ ra rằng : có thể nhận được một sự phản hồi tốt hơn của x /x* nếu phản hồi x/fd được cải thiện , điều này minh họa cho nhận xét trên đây . Trong các điều kiện trạng thái ổn định , độ cứng tĩnh nhận được bằng cách cho s = 0, do đó xsnipd kkkKf x   1 ( 3.12) Độ cứng động lực cung cấp những thông tin về chuyển vị tĩnh từ vị trí danh định. Ta khảo sát độ cứng tĩnh. Khi một khối lượng m được nâng lên bởi một nam châm điện, chuyển vị là Xs. Khi một khối lượng bổ sung m ' được thêm vào , thì chuyển vị tăng lên thành Xs + x. Lượng tăng x nhận được từ lực ngoài thêm vào m’ga. Khi đó : )( )( , xsnip a s kkkK gmm xX    nếu (Kpkiksn – kx) là cao, sẽ nhận được chuyển vị nhỏ và và do vậy độ cứng cao. Với quan hệ (3.11) ta khảo sát để tìm được những đáp ứng chuyển vị tương ứng với lực nhiễu tại giá trị bằng một nửa và gấp đôi hệ số khuyếch đại tỷ lệ. những đáp ứng tại giá trị một nửa và gấp đôi hệ số khuyếch đại đạo hàm. Cụ thể : +Kp1=5; Kp2=10; Kp3=20; Kd=0.5; m=3.14kg ;ksn=10000V/m; ki=1N/A; kx=15800N/m. Khi xét đáp ứng chuyển vị tương ứng và Kp. +Kp=10; Kd1=0.25; Kd2=0.5; Kd3=1; m=3.14kg ;ksn=10000V/m; ki=1N/A; kx=15800N/m . Khi xét đáp ứng chuyển vị tương ứng và Kd LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Nhận xét: - Hình 3.4 (a) trình bày đặc trưng đáp ứng chuyển vị cho các hệ số khuyếch đại tỷ lệ Kp. Nó cho thấy chuyển vị ở trạng thái ổn định có giá trị nhỏ hơn đối với một hệ số khuyếch đại tỷ lệ cao. - Hình 3.4(b) trình bày đáp ứng chuyển vị cho các hệ số khuyếch đại đạo hàm Kd đã cho. Ta biết rằng khi tăng hệ số khuyếch đại đạo hàm K d thì được giảm chấn tốt hơn (hay sự cải thiện trong giảm chấn được quan sát thấy ở Kd cao) nhưng các giá trị cuối cùng thì không phụ thuộc vào Kd. Hình 3.4(c) trình bày các biểu đồ tiệm cận đối với độ cứng động lực x/fd. Hệ số khuyếch đại khoảng -140dB tại tần số thấp. Hệ số khuyếch đại này tương ứng với độ cứng tĩnh là 0.1μm/N vì 20log10(0.1×10 -6 ) = -136dB. Một sai lệch của độ cứng cho đối với hệ số khuyếch đại tỷ lệ chỉ xuất hiện tại tần số thấp. Giá trị của x/fd thấp đối với Kp cao, dẫn đến lực nhiễu được triệt tiêu tốt hơn. Tại tần số cao, độ cứng không phụ thuộc vào các hệ số khuyếch đại điều khiển. Điều này được biểu diễn bằng một đường thẳng mà nó giảm theo tần số. Hình 3.4a - Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kp LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 b. Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kd Hình 3.4.c - Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với Kp Hình 3.4.b - Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kd LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 3.1.4.1 Điều chỉnh hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân Căn cứ vào các phương trình với các độ khuyếch đại t ỷ lệ và độ khuyếch đại vi phân được xác định cho một hệ số giảm chấn và tần số riêng yêu cầu. Có thể nhận được đáp ứng động học tốt hơn cho triệt tiêu lực nhiễu trong một hệ thống với bộ giảm chấn được cải thiện có đáp ứng nhanh. Điều chỉnh các độ khuyếch đại vi phân và tỷ lệ một cách riêng lẻ không mang lại đáp ứng mong muốn một cách trực tiếp . Vì vậy tăng đồng thời các độ khuyếch đại tỷ lệ và vi phân trong khi duy trì một quan hệ xác định. Trong phần trước, tần số góc riêng và hệ số giảm chấn được biểu thị là:  mkxkkK kkK snip snid   1 2  m kkkK xsnip n   Từ các công thức này, các hệ số khuyếch đại tỷ lệ và khuyếch đại đạo hàm có thể được biểu thị như sau: sni xn p kk km K   2 (3.13) Hình 3.4.d - Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị Kd Hình 3.4 – Đáp ứng chuyển vị tương ứng với lực nhiễu 1N LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55   sni n d kk m K 2  (3.14) Từ những công thức này có thể đưa ra những nhận xét sau: - Để được một đáp ứng nhanh, tần số góc riêng ωn phải cao. Để tăng ωn, độ khuyếch đại tỷ lệ phải tăng tỉ lệ với bằng bình phương của ωn. - Hệ số khuyếch đại đạo hàm phải tăng tỷ lệ với ωn và ζ. Các quan hệ giữa hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân được biểu diễn là một hàm của tần số góc riêng cho một hệ số giảm chấn bằng  =0.9. Với các trường hợp Kd = 0.5 và Kd =1, tìm tần số góc riêng và hệ số khuyếch đại tương ứng. Từ phương trình (3.13) và (3.14), Kp và Kd tìm được và trình bày trên hình 3.4 (a,b). Từ hình vẽ này có thể thấy tần số riêng ωn =620 với Kd=0.5 và ωn =1300 với Kd =1. Các hệ số khuyếch đại tỷ lệ Kp tương ứng là 100 và 520. Đối với một nhiễu, đáp ứng chuyển vị tương ứng bộ số Kp và Kd được trình bày trên hình 3.5. Nhận xét : Các hệ số khuyếch đại điều khiển cao dẫn đến một đáp ứng nhanh cùng với chuyển vị nhỏ. Chọn Kd=0.5 và Kp=100. Hình 3.5 – Quan hệ các hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 3.1.4.2 Sai số vị trí ở trạng thái ổn định và điều chỉnh hệ số khuyếch đại tích phân Chỉ với một bộ điều khiển PD, kích thước khe hở không khí giữa vật thể được treo và cơ cấu chấp hành nam châm điện được tăng lên khi ngoại lực tĩnh được đặt vào do sai số trạng thái tĩnh. Vì vậy,bộ điều khiển tích phân được sử dụng bổ sung cho một bộ điều khiển PD để ngăn chặn điều đó xảy ra. Hình 3.7 (a) trình bày sơ đồ khối cho một bộ điều khiển PID. Nó chính là một bộ điều khiển PID đã được bổ sung thêm một bộ tích phân Ki/s. Đầu vào tức sai lệch vị trí ex được xác định đưa tới một bộ điều khiển PID, một đại lượng điều khiển lực F * x được sinh ra. Hình 3.7(b) trình bày một biểu đồ tiệm cận được đơn giản hoá cho bộ điều khiển PID. Vùng giữa miền tần số, hệ số khuyếch đại tỷ lệ đóng vai trò là chủ yếu, tuy nhiên, ở các miền tần số thấp và tần số cao , các bộ điều khiển tích phân và vi phân đóng các vai trò quan trọng . Đường nét đứt thể hiện trường hợp hệ số khuyếch đại điều khiển tích phân thấp. Nó cho thấy rằng giá trị của hệ số khuyếch đại điều khiển Gc là tăng tại miền tần số thấp nhờ có bộ điều khiển tích phân. Sự thực này chứng tỏ Hình 3.6 - Đáp ứng chuyển vị đối với các hệ số khuyếch đại PD tối ưu hoá. Kp=100, Kd=0.5 Kp=520, Kd=1 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 rằng hệ số khuyếch đại của hệ thống là tăng tại tần số thấp bởi vậy phản hồi âm được cải thiện. Hình 3.7 - Bộ điều khiển PID (a) sơ đồ khối; (b) các đặc tính tần số Chức năng của bộ tích phân có thể được giải thích rõ hơn bởi hình 3.8. Hình vẽ này trình bày dạng sóng đầu ra với một đầu vào dạng bậc trong một vị trí khảo sát. Tại 5ms, đáp ứng tức thời của bộ điều khiển PID dường như đã kết thúc . xsn được phóng đại tương ứng với x*sn khảo sát bởi vậy sai lệch vị trí là âm. Đầu vào của bộ tích phân là âm và lấy cân bằng theo thời gian. Nhưng lực theo phương x được sinh ra theo chiều âm. Lực này có xu hướng di chuyển đối tượng theo phương ngược lại với phương x bởi vậy vị trí xsn dần dần giảm xuống. Đầu ra tích phân giảm cho đến khi vị trí trùng với vị trí tham khảo. Tại thời điểm 30ms, x*sn bằng với xsn và đầu ra tích phân là hằng số (được gọi là hằng số tích phân). Lực F*x khác không nhưng là một giá trị không đổi, nó là điều kiện cần để lực cân bằng cho sai lệch vị trí bằng không. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 Hình 3.8 - Đáp ứng của thay đổi bậc trong tham khảo vị trí Ta hãy khảo sát sai lệch chuyển vị trong điều kiện trạng thái ổn định. Sai số dịch chuyển / vị trí yêu cầu và c