Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ.doc

Dịch vụ viết thuê đề tài – KB Zalo/Tele 0917.193.864 – luanvantrust.com
Kham thảo miễn phí – Kết bạn Zalo/Tele mình 0917.193.864
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TRẦN PHƯƠNG LẬP
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
THÁI NGUYÊN,

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TRẦN PHƯƠNG LẬP
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƯỞNG KHOA
PGS.TS.TRẦN XUÂN MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO
THÁI NGUYÊN,

1
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ cần giải quyết 2 bài toán điều khiển:
- Điều khiển động cơ bằng các phương pháp điều khiển như đối với động cơ
không có tích hợp ổ đỡ từ.
- Điều khiển ổ đỡ từ nhằm giữ trục động cơ ở chính giữa tâm của 2 ổ đỡ từ.
Mục tiêu của luận văn là điều khiển trục động cơ ổn định ở chính giữa tâm của 2
ổ đỡ từ ở 2 đầu trục động cơ nên phạm vi nghiên cứu của đề tài luận văn là tập trung
nghiên cứu phương pháp điều khiển ổ đỡ từ nhằm đạt chất lượng điều khiển như mong
muốn. Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm
công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm
công nghệ xanh mới. Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do kích
thước lớn và giá thành cao. Nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu thành công
trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế vòng bi cơ
khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và
công nghiệp vũ trụ,... sẽ là điều tất yếu.
Phần quan trọng của các ổ đỡ từ là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển
cho các ổ đỡ từ có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu
điều khiển không bị chặn... Thực tế này là do phần động lực học của các ổ đỡ từ có
tính phi tuyến cao, mà thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các ổ
đỡ từ) chịu tác dụng của nhiễu và chứa các tham số thay đổi trong quá trình hoạt động
chưa được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế bộ
điều khiển đảm bảo cho các ổ đỡ từ có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm
việc.
Mặt khác, hiện tại có nhiều phương pháp điều khiển ổ đỡ từ, nhưng trong giới
hạn đề tài này tôi lựa chọn nghiên cứu "Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển
động cơ tích hợp ổ đỡ từ".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về mô tả toán học cho ổ đỡ từ.

2
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều
khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ (với phạm vi nghiên cứu là điều khiển ổ đỡ từ).
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về động cơ tích hợp ổ đỡ từ
Chương 2: Mô tả toán học ổ đỡ từ tích cực trong điều khiển động cơ tích hợp ổ
đỡ từ
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ cho ổ đỡ từ trong động cơ tích hợp ổ đỡ
từ
Kết luận và kiến nghị

3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ
1.1 Giới thiệu chung
Thực tế cho thấy các hệ thống truyền động sử dụng động cơ với trục chuyển động
được giữ bởi các vòng bi cơ khí, ổ đỡ chất lỏng có nhiều nhược điểm về độ bền, ma
sát, hạn chế tốc độ…. Trong khi đó các vòng bi dạng ổ đỡ từ sử dụng các lực từ để
hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần có tiếp xúc cơ học. Do đặc điểm treo
nhờ lực từ không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ từ có một số ưu điểm nổi bật so với các loại
ổ đỡ thông thường. Những ưu điểm này bao gồm loại bỏ được các hệ thống bôi trơn ổ
đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao và các đặc tính động có thể điều chỉnh được.
Các vòng bi dạng ổ đỡ từ có khả năng đáp ứng khả năng chịu tải lớn bằng cách tối ưu
hóa hệ thống và các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí của ổ đỡ, từ
thông bão hòa của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lượng vòng dây trên các
cực từ và công suất bộ khuếch đại. Các vòng bi dạng ổ đỡ từ có thể cho phép làm việc
trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ rất cao, nhiệt độ rất thấp và chân
không. Một hệ thống đo lường hiện đại tích hợp trong hệ thống treo từ tính không chỉ
giám sát tức thời các thông số của hệ như vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động
hướng trục, dòng điện, nhiệt độ và tốc độ quay mà hệ thống đo lường này còn có thể
phân tích được sự mất cân bằng bằng cách tính toán được vị trí và biên độ của nó. Bộ
điều khiển có thể thay đổi các thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ. Điều này cho
phép bộ điều khiển điều chỉnh được đặc tính động ảnh hưởng lên các tần số cộng
hưởng của hệ thống và làm giảm rung động lan truyền [6].
Ứng dụng của công nghệ đỡ từ đã trải qua một sự phát triển rõ rệt trong những
năm gần đây. Đã có nhiều các nghiên cứu quan trọng được tiến hành bao trùm lên tất
cả các lĩnh vực liên quan đến ổ đỡ từ. Ta có thể kể ra ở đây bao gồm công nghệ cảm
biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu và các thành phần…
Cho đến nay, các ứng dụng quan trọng của các vòng bi dạng ổ đỡ từ gồm có máy gia
tốc, máy ly tâm, máy chân không, các thiết bị y tế công nghệ cao, các ứng dụng cho
môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm

4
việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly
rung động [6].
1.2. Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các ổ đỡ từ
1.2.1 Nguyên lý làm việc cơ bản
Cấu trúc điện - từ cơ bản và một bộ điều khiển phản hồi cho một hệ thống treo từ
tính một trục được thể hiện như trong hình vẽ 1.1. Kích thích của cuộn dây sẽ tạo ra
lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật. Khi đó đối tượng sẽ được giữ tự do
theo phương thẳng đứng. Dòng điện i sẽ tạo ra từ thông ψ. Đường đi của từ thông được
thể hiện bằng đường nét đứt và đi qua khe hở không khí hai lần theo chiều thẳng đứng.
Lực hấp dẫn giữa vật thể treo và lõi sắt từ là một hàm số của dòng điện i, và tỷ lệ thuận
với bình phương với dòng điện i khi lõi sắt từ chưa bão hòa. Trong các điều kiện xác
lập, lực hấp dẫn này được điều chỉnh để bằng với tích của trọng lượng vật treo m và
gia tốc trọng trường ga nhằm thỏa mãn cân bằng lực.
Sensor chuyển vị sẽ đo mức độ dịch chuyển của vật thể treo theo chiều thẳng
đứng so với vị trí chuẩn của nó. Điện áp ra của sensor sẽ là tín hiệu đầu vào cho bộ
điều khiển. Một bộ vi xử lý đóng vai trò như là một bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều
khiển từ thông tin đo lường, một bộ khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển
này thành dòng điện điều khiển, và dòng điện này sẽ sinh ra từ trường trong mạch từ,
như vậy các lực từ sẽ được tạo ra. Bằng cách đó, vật thể sẽ được treo ở vị trí lơ lửng
của nó. Một lượng đặt của lực từ được tạo ra để treo ổn định vật thể. Lượng đặt của lực
này bằng tổng đại lượng của lực tắt dần và lực đàn hồi. Lượng điều khiển của lực đàn
hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị của vật thể treo. Còn đối với lực tắt dần thì lực này tỷ
lệ thuận với tốc độ dịch chuyển của vật thể treo. Các đại lượng này có chiều ngược với
chuyển vị và tốc độ đối với phản hồi âm. Bộ điều khiển tạo ra lượng dòng điện điều
khiển để nhằm tạo ra lực từ bám sát với lượng lực từ đặt. Bộ điều chỉnh dòng điện sẽ
điều khiển dòng điện bằng cách đặt một điện áp lên các đầu cuộn dây.

5
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống treo nhờ lực từ trường (treo từ tính)
Hình 1.2: Chức năng cơ bản của một ổ đỡ từ chủ động:
Treo rotor theo phương thẳng đứng
Dòng điện i chạy trong một cuộn dây, và nếu ta giả thiết rằng cuộn dây có số
vòng dây là N thì khi đó một lực từ động (MMF) được sinh ra và bằng Ni. Với các vật
liệu sắt từ có độ thẩm từ cao thì từ thông sẽ đi theo đường như trong hình vẽ và đi qua
khe hở hai lần. Độ tập trung từ thông cực đại trong khe hở không khí sẽ quyết định độ
lớn của lực trong phần điện từ. Độ tập trung từ thông lớn sẽ tạo ra lực từ lớn. Tuy
nhiên, độ tập trung từ thông cực đại được giới hạn trong khảng từ (1.7 ÷ 2) T đối với
thép silic thông thường. Một lưu ý quan trọng nữa đó là chiều dài khe hở không khí
phải được giữ càng nhỏ càng tốt để giảm dòng điện và các tổn thất.
Bằng cách chủ động điều khiển động lực học của phần điện từ để tạo ra các lực
điện từ chính là nguyên lý cơ bản mà trên thực tế được sử dụng trong hầu hết các ổ đỡ

6
từ. Trên hình 1.2 giới thiệu các thành phần chính và diễn giải chức năng của một ổ đỡ
từ đơn giản để nâng rotor theo một hướng.
Luật điều khiển ở đây thực hiện nhiệm vụ duy trì sự ổn định của trạng thái treo
cũng như độ cứng và độ tắt dần của quá trình treo đó. Độ cứng và độ tắt dần có thể
được thay đổi rộng trong giới hạn vật lý của hệ thống, và có thể được điều chỉnh theo
yêu cầu công nghệ. Đồng thời chúng có thể được thay đổi trong suốt quá trình làm
việc theo yêu cầu của bài toán điều khiển đặt ra.
1.2.2 Phân loại các kiểu treo từ tính
Có rất nhiều các kiểu thiết kế khác nhau để tạo ra các lực từ nhằm hỗ trợ hoặc
treo một vật thể mà không chịu bất kỳ một tiếp xúc nào. Thậm chí vật thể đó không
thể treo ở trạng thái ổn định và tự do thì ít nhất việc treo này cũng có thể đạt được
trong một vài bậc tự do.
Phân loại này mang tính hệ thống bao trùm lên các kiểu treo từ tính đã biết. Theo
cách mà các lực từ được tính toán và biểu diễn thì ta có thể chia ra làm hai nhóm
chính, đó là lực từ trở và lực Lorentz.
Đối với trường hợp thứ nhất, lực từ trở được sinh ra từ năng lượng tích trữ trong
từ trường và có thể chuyển đổi sang dạng cơ năng. Do vậy, lực từ trở thu được từ công
thức sau:
f
W
(1.1)
s
Trong đó: W là năng lượng từ trường.
s là độ dịch chuyển của vật thể treo.
Lực từ xét trong trường hợp này này luôn gia tăng tại bề mặt giữa các độ từ thẩm
tương đối khác nhau μr, ví dụ như giữa thép và không khí. Hướng của lực vuông góc
với bề mặt của các lớp vật liệu khác nhau. Sai lệch tương đối của độ từ thẩm càng lớn
thì lực từ f càng lớn. Với các vật liệu sắt từ có μr >> 1 thì các lực từ này có thể rất lớn,
do vậy mà nó có thể đáp ứng được những yêu cầu trong các ứng dụng kỹ thuật. Trong
các tài liệu về máy điện, độ cản từ được gọi là từ trở. Giá trị này tỷ lệ nghịch với độ
thẩm từ μr. Lực tác động theo cách này thường có xu hướng làm giảm độ từ trở. Các
động cơ điện khai thác thuộc tính này được gọi là động cơ từ trở.

7
Một điều kiện tiên quyết nữa đó là các lực từ tác động lên vật thể phải giữ cho vật
thể ở trong trạng thái treo ổn định. Trong các ứng dụng công nghiệp, thông thường một
mạch vòng điều khiển là cần thiết để thích ứng liên tục từ trường đối với chuyển động
của vật thể treo. Yêu cầu này dẫn đến khái niệm các vòng bi dạng ổ đỡ từ dạng ổ đỡ từ
tích cực.
Nằm trong nhóm phân loại này gồm có các bộ treo từ loại 1 đến loại 4. Loại 1
được gọi là các bộ treo lực từ trở tích cực. Kiểu này thậm chí còn có thể phân biệt theo
nhiều dạng khác nhau, chẳng hạn như theo cách điều khiển tích cực, theo từ trường, từ
thông, khoảng cách giữa stator và rotor được điều khiển. Loại 2 là các bộ treo dùng
mạch LC. Mạch LC được cấu trúc bởi điện cảm của cuộn dây treo điện từ và một tụ
điện. Độ chuyển dịch của rotor làm thay đổi điện cảm của mạch điện từ. Mạch LC làm
việc tại vùng gần cộng hưởng và được điều chỉnh sao cho tiếp cận vùng cộng hưởng
khi rotor dịch chuyển ra xa khỏi phần điện từ. Điều này tạo ra một dòng điện gia tăng
từ nguồn điện áp xoay chiều và do đó sẽ kéo rotor trở lại vị trí danh định của nó. Lực
và độ cứng không lớn nhưng đủ để đáp ứng cho một số các ứng dụng của các dụng cụ
đo. Do kiểu này ổn định mà không cần mạch vòng điều khiển nên được gọi là thụ
động. Nhược điểm chính của kiểu này đó là không thể tắt dần. Loại 3 là loại từ trường
vĩnh cửu (μr >> 1) có cấu trúc tĩnh và không thể ổn định hóa vị trí của vật thể treo.
Những kiểu treo như này yêu cầu có thêm các lực hồi chuyển như trong trường hợp
của Levitron, hoặc vật liệu nghịch từ (μr < 1) để đạt được trạng thái treo ổn định với
các lực nhỏ, hoặc các chất siêu dẫn (μr = 0). Tuy vậy, việc ứng dụng từ trường vĩnh
cửu là rất hữu ích để hỗ trợ cho vật thể hoặc làm giảm tải của nó theo một phương đối
với ổ đỡ thông thường. Các thiết bị theo loại 4 dựa vào thuộc tính rất đặc biệt của vật
liệu, μr = 0. Chỉ có những vật liệu có thuộc tính như vậy mới được gọi là vật liệu siêu
dẫn. Đặc tính nổi trội của loại này đó là tại nhiệt độ rất thấp, vật liệu sẽ trở thành siêu
dẫn, không còn điện trở. Dòng điện trong cuộn dây siêu dẫn sẽ vẫn tiếp tục duy trì
thậm chí ngay cả khi không còn duy trì điện áp trên nó. Mặc dù chứa đựng nhiều đặc
tính kỹ thuật thú vị nhưng kiểu này vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu tại phòng
thí nghiệm và các ứng dụng công nghiệp của nó sẽ phát triển mạnh trong thời gian
không xa.

8
Trường hợp thứ hai trong phân loại các kiểu treo từ tính được gọi là lực điện từ
(hay là lực Lorentz). Lực này do trường điện từ tác động lên các hạt mang điện tích
gây nên.
f = Q(E + v x B) (1.2)
với, E là vector cường độ điện trường tại vị trí của hạt mang điện; Q là điện tích
của hạt mang điện; v là vector vận tốc chuyển động của hạt mang điện và B là cường
độ từ cảm. Khi không quan tâm đến khái niệm tĩnh điện, ta bỏ qua E tại (1.2) và (Q.v)
được thay thế bằng dòng điện i, Từ đây dẫn đến biểu thức tích chéo 2 véc tơ sau:
f = i x B (1.3)
Lực tạo ra vuông góc với các đường từ thông, độc lập với khe hở không khí và
phụ thuộc tuyến tính với dòng điện (ta giả thiết ở đây là từ thông cũng không phụ
thuộc vào dòng điện). Dựa trên lực Lorentz, các kiểu treo từ tính lại được chia ra làm 4
loại khác nhau dựa trên dòng điện i. Đối với dòng điện cảm ứng thì ta có hai cơ chế có
thể xảy ra: hoặc là có sự tương tác giữa một từ trường vĩnh cửu với một vật dẫn
chuyển động, hoặc là sự tương tác xảy ra, khi không có chuyển động tương đối, giữa
một vật dẫn và điện từ biến thiên (nguồn xoay chiều). Trường hợp còn lại, dòng điện
có thể được điều khiển tích cực và tương tác với một từ trường. Với loại này lại có 2
khả năng xảy ra: hoặc là từ trường được tạo ra bởi một từ trường vĩnh cửu, hoặc là có
sự tương tác giữa dòng điện điều khiển và dòng điện cảm ứng. Cả bốn kiểu này được
mô tả tuần tự trên hình vẽ từ loại 5 đến loại 8 [6].

Hình 1.3:

10
1.3. Vòng bi dạng ổ đỡ từ (Vòng bi từ) tích cực và các ứng dụng nổi bật
Sau hơn 3 thập kỷ kể từ khi bắt đầu được ứng dụng, các vòng bi dạng ổ đỡ từ tích
cực (Active Magnetic Bearings - AMB) được dùng nhiều hơn so với các vòng bi dạng
ổ đỡ từ thụ động (Passive Magnetic Bearings - PMBs). Khái niệm tích cực là chỉ ra
rằng các lực đỡ được điều khiển bằng các phần tử điện từ, một vòng điều khiển phản
hồi phù hợp với các thành phần khác chẳng hạn như các cảm biến và các bộ khuếch
đại công suất. Ngược lại, vòng bi dạng ổ đỡ từ thụ động chỉ tạo ra các lực đỡ bằng các
nam châm vĩnh cửu.
Ưu điểm chính của Vòng bi dạng ổ đỡ từ chủ động được đặc trưng bởi khả năng
điều khiển dễ dàng và tự do (nằm trong giới hạn vật lý), trong khi các vòng bi dang ổ
đỡ từ thụ động chỉ có những thuộc tính cố định phụ thuộc vào kích cỡ và thiết kế cơ
khí của chúng. Ngoài ra, các vòng bi dạng ổ đỡ từ thụ động còn có một nhược điểm
lớn đó là khả năng tắt dần thấp. Vậy nên loại này bị hạn chế trong các ứng dụng công
nghiệp mà có sự xuất hiện của nguồn dao động tắt dần [6].
1.3.1 Các cấu trúc cơ bản của ổ đỡ từ chủ động
Dưới đây mô tả một số cấu trúc đặc trưng của máy điện không ổ đỡ. Trong đó,
các cấu trúc ổ đỡ từ chủ động theo hai phương, năm phương và sự phối hợp giữa các ổ
đỡ từ thông thường và các ổ đỡ cơ khí sẽ được đề cập cụ thể [6].
Hình 1.4: Vòng bi từ chủ động theo hai phương:
(a) có trục xoay ở dưới đáy; (b) không tiếp xúc
Một cấu trúc treo từ tính điển hình theo 2 phương được thể hiện trên Hình 1.4.
Trong hình 1.4(a), trục động cơ nằm trong lõi của rotor. Treo từ tính theo hai phương
được nhận biết bởi các lực từ giữa rotor và stator. Tại phía cuối của trục động cơ có bố
trí một trục xoay nhằm định vị hướng trục và hướng kính cho đầu cuối của trục. Cấu

11
trúc này phù hợp cho các máy trục đứng. Trong khi tại hình 1.4(b), trục động cơ bị loại
bỏ ra khỏi cấu trúc. Định vị tích cực theo hai phương tạo ra quá trình treo thụ động cho
chuyển động hướng trục và nghiêng. Do đó, ta có thể nhận ra được treo thụ động bởi
sự hạn chế về độ dài của lõi trục. Tuy nhiên, với thiết kế đúng đắn, loại này cho ra các
hệ truyền động không ổ đỡ nhỏ gọn và giá thành thấp.
Dưới đây là hình 1.5 thể hiện mặt cắt ngang của một số cấu trúc treo từ tính tích
cực theo năm phương.
Hình 1.5: Các kiểu treo từ tính tích cực theo năm phương: (a) rotor nằm ở bên trong; (b)
rotor nằm ở bên ngoài; (c) rotor rỗng; (d)
Hai bộ treo được dùng để tạo ra các lực hướng kính theo bốn phương. Một bộ
treo từ chặn là để định vị tích cực hướng trục trên phương thứ năm. Trong hình 1.5(a),
có hai rotor nằm trên trục theo vị trí cái trước, cái sau. Rotor và trục cùng quay bên
trong hai lõi thép stator. Các tải chẳng hạn như máy bơm và bộ đẩy máy nén có thể
được gắn vào đầu cuối của trục. Trong hình 1.5(b), rotor được đặt phía ngoài của hai
stator. Cấu trúc kiểu này phù hợp với các loại truyền động bánh đà hay là các ổ đĩa
video số (DVD) và ổ đĩa cứng. Cách bố trí như trong hình 1.5(c) chính là sự cải biến
của hình 1.4(a). Trong lòng trục rỗng nhằm để cho, chẳng hạn như dòng chất lỏng
chạy qua, và bộ từ chặn được đặt ở giữa hai vòng bi dạng ổ đỡ từ trong trường hợp
treo tích cực theo năm phương. Cấu trúc này thích hợp cho các thiết bị đo lưu lượng,

12
các bơm nguyên liệu đóng hộp, các trục quay… Trong các hình 1.5(a, b, và c) có sử
dụng một ổ từ chặn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi lực hướng trục thấp hoặc
không yêu cầu định vị hướng trục chính xác thì không cần đến kiểu ổ chặn này. Trong
những trường hợp này, định vị hướng trục có thể được xác định bằng định vị thụ động
như trong hình 1.5(d). Trong trường hợp này, rotor nằm trong các bộ treo không ổ đỡ
được giữ tự nhiên ở vị trí chính giữa bằng các lực từ. Khi các vòng bi dạng ổ đỡ từ
sinh ra một lượng từ thông đáng kể, trục động cơ sẽ chịu một lực đàn hồi đủ lớn dưới
sự dịch chuyển hướng trục để duy trì quá trình truyền động hướng trục ổn định.
Hình 1.6 biểu diễn mặt cắt ngang của các bộ treo khác nhau khi chúng được phối
hợp với các loại ổ đỡ thông thường, cơ khí và từ tính
Hình 1.6: Các dạng kết hợp giữa vòng bi từ và vòng bi cơ khí:
(a) với vòng bi từ thông thường; (b) với vòng bi cơ khí thông thường;
(c) với trục dài
. Trong hình 1.6(a), khối bên trái là một ổ đỡ từ tính hướng kính thông thường.
Chỉ có khối bên phải là một bộ treo. Cách bố trí này phù hợp với tải có lực hướng kính
lớn ghép ở đầu trục phía trái. Trong hình 1.6(b), các ổ đỡ cơ khí được đặt tại hai đầu
của bộ treo. Khi quay ở tốc độ rất cao, trục động cơ có tốc độ tới hạn gây ra xoắn trục.
Rung động sẽ xuất hiện tại tốc độ này. Bộ treo có thể ngăn chặn những rung động này.
Trong hình 1.6(c), tải được điều khiển bằng một động cơ thông thường có trục dài. Bộ
treo được đặt gần chính giữa của trục nhằm ngăn chặn sự rung động trên trục động cơ.

13
1.3.2 Hệ truyền động sử dụng Ổ đỡ từ tích cực
Để thấy được cấu trúc căn bản của một hệ thống truyền động động cơ dùng các
vòng bi dạng ổ đỡ từ, ta có thể mô tả bằng hỉnh 1.7.
Hình 1.7: Động cơ sử dụng AMB
Động cơ được đặt ở vị trí giữa của hai vòng bi dạng ổ đỡ từ hướng kính. Mỗi một
vòng bi dạng ổ đỡ từ hướng kính tạo ra các lực hướng kính theo hai hướng trục vuông
góc. Các lực hướng kính được điều khiển bằng các hệ thống điều khiển phản hồi âm
sao cho vị trí của trục được điều chỉnh ở vị trí chính giữa của khung stator. Vòng bi
dạng ổ đỡ từ bên trái được điều chỉnh trong hệ trục tọa độ x1 và y1. Vòng bi dạng ổ đỡ
từ bên phải được điều chỉnh trong hệ trục tọa độ x2 và y2. Vị trí của ổ chặn theo trục z
(là hướng của trục động cơ) được điều chỉnh bởi các lực hướng kính sinh ra từ một
vòng bi dạng ổ đỡ từ chặn. Như vậy, tổng thể có tất cả năm trục tọa độ x1, y1, x2, y2 và z
được điều khiển bởi các hệ thống treo từ tính.
Mỗi một vòng bi dạng ổ đỡ từ có bốn cuộn dây trên stator, hai cuộn dây được bố
trí trên trục x và hai cuộn dây được bố trí trên trục y. Dòng điện trên một cuộn dây sẽ
sinh ra lực từ hấp dẫn. Lực hướng kính theo phương trục x được sinh ra do sai lệch
giữa các lực từ hấp dẫn do các cuộn dây trên trục x gây ra.
Dòng điện trong các cuộn dây của hai vòng bi dạng ổ đỡ từ được điều khiển bởi
các mạch điện tử công suất, thông thường là các bộ biến tần nguồn áp một pha. Một bộ
biến tần một pha điều khiển dòng điện trên một cuộn dây. Do đó, cần phải có bốn bộ
biến tần một pha với tám đầu ra cho mỗi vòng bi dạng ổ đỡ từ .

14
Trong vòng bi dạng ổ đỡ từ chặn gồm có hai cuộn dây, do đó hai bộ biến tần một
pha được dùng để điều chỉnh các dòng điện trên các cuộn dây này và tạo ra lực hướng
kính theo hướng trục.
Động cơ sinh ra momen trên trục động cơ hay là trục z. Tốc độ quay trên trục
động cơ được điều khiển bởi momen của động cơ và được mô tả bằng phương trình
momen của hệ thống. Một biến tần ba pha được dùng để cung cấp tần số và điện áp
thay đổi được dựa vào những yêu cầu về momen và tốc độ quay trên trục động cơ.
1.3.3 Truyền động không ổ đỡ
Ngày nay, hầu hết những yêu cầu bảo dưỡng đối với một hệ thống truyền động
công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Dầu nhờn bôi trơn và bản thân các ổ
đỡ phải được thay thế định kỳ. Nếu trục động cơ được treo bằng một lực từ thì các
công việc bảo dưỡng này sẽ không còn cần thiết nữa. Do đó, yếu tố “nâng” – “không ổ
đỡ” thu hút rất nhiều sự quan tâm từ các công nghệ sử dụng động cơ để truyền động.
Cấu trúc của một hệ thống truyền động không ổ đỡ được thể hiện như trong hình
1.8. Hai bộ treo được đặt trên một trục đơn. Mỗi một bộ treo sẽ tạo ra các lực hướng
kính và mômen quay. Bộ treo bên trái làm nhiệm vụ định vị hướng kính cho x1 và y1
trong khi x2 và y2 được định vị bởi bộ treo bên phải. Mômen quay tổng sẽ bằng hai lần
mômen danh định của bộ treo. Mỗi một bộ treo có ba đầu cực cho dây quấn treo và ba
đầu cực khác cho dây quấn động cơ. Dây quấn các pha tương ứng của động cơ trong
mỗi bộ được mắc nối tiếp như trong hình 1.5 sao cho hai cuộn dây mắc nối tiếp trên
mỗi pha tạo thành ghép nối Y.
Hình 1.8: Truyền động không ổ đỡ

15
Khi mắc nối tiếp dây quấn các pha giữa hai bộ treo và rotor được bố trí trực tiếp
trong hai bộ này sao cho nếu như dòng điện nằm trên trục q của rotor ở trong một bộ
treo thì cũng nằm trên trục q của rotor của bộ treo kia. Một bộ biến tần ba pha được
mắc với các dây quấn của động cơ để cung cấp điện áp và tần số thay đổi được để điều
khiển chuyển động cho động cơ. Hai bộ biến tần ba pha làm việc độc lập được mắc với
các đầu cực của dây quấn treo nhằm cung cấp dòng điện treo theo yêu cầu để sinh ra
các lực hướng kính theo bốn trục x1, y1 và x2, y2 bằng các bộ điều khiển phản hồi âm và
cảm biến vị trí của trục động cơ.
Dưới đây là một số ưu điểm của các hệ truyền động không ổ đỡ, là sự kết hợp
giữa vòng bi dạng ổ đỡ từ và động cơ:
 Nhỏ gọn: Do độ dài trục của hệ truyền động không ổ đỡ ngắn nên chúng có tốc
độ tới hạn cao và làm việc ổn định hơn.

 Giá thành thấp: Trong các hệ này số lượng dây quấn ít hơn; số lượng các biến
tần được sử dụng cũng ít hơn; sử dụng bộ biến tần ba pha tiêu chuẩn (giá thành thấp).

 Hiệu suất cao: Nếu như có cùng độ dài trục thì hệ truyền động không ổ đỡ có
thể tạo ra hiệu suất làm việc cao hơn.
1.3.4. Những đặc trưng cơ bản của AMB
Những thuộc tính cụ thể của AMB khiến cho chúng trở nên rất hữu dụng trong
các ứng dụng sẽ được tổng kết lại như sau:
 Thuộc tính không tiếp xúc, và không còn hệ thống bôi trơn và lớp chống bụi
bẩn sẽ cho phép những loại ổ đỡ này được sử dụng trong các hệ thống chân không,
trong các môi trường sạch tuyệt đối hoặc ở môi trường nhiệt độ rất cao.

 Khoảng cách giữa rotor và ổ đỡ thường là rất bé, chỉ bằng khoảng một vài
phần của 1mm, tuy nhiên trong một số ứng dụng cụ thể, nó có thể lên đến 20mm.

 Rotor có thể cho phép quay ở các tốc độ cao. Tốc độ quay tròn bên trong ổ
đỡ, chỉ bị giới hạn bởi độ bền vật liệu của rotor.

 Tổn thất trong ổ đỡ thấp. Khi làm việc ở tốc độ cao, tổn thất do các bộ AMB
gây ra thấp hơn từ 5 đến 20 lần so với các loại ổ đỡ thông thường.

 Khả năng chịu tải cụ thể của AMB phụ thuộc vào vật liệu sắt từ và thiết kế
của nó, thông thường khoảng 20N/cm2
và có thể đạt đến 40N/cm2
.

16
 Động lực học của quá trình treo không tiếp xúc phụ thuộc chủ yếu vào luật
điều khiển được áp dụng. Một bộ vi xử lý sẽ thực thi việc điều khiển khiến cho thiết kế
điều khiển trở nên rất linh hoạt. Do đó, mà nó có thể làm thích ứng độ cứng và độ tắt
dần với công việc treo và với trạng thái làm việc thực cũng như là với tốc độ của rotor.
Điều này chỉ ra rằng độ cứng động có thể sử dụng cho việc cách ly rung động, để vượt
qua các tốc độ tới hạn mà không làm gia tăng một lượng lớn về biên độ của rung động,
hoặc để ổn định rotor khi nó bị tác động bởi các nhiễu không mong muốn.
 Bù mất cân bằng và quay tự do là các đặc trưng điều khiển khi xuất hiện rung
động do mất cân bằng. Tín hiệu này được AMB đo đếm, nhận dạng và sử dụng để tạo
ra thành phần chống lại hoặc bù các lực đỡ hoặc dịch trục rotor nhằm để cho rotor
quay quay tự do.

 Độ chính xác mà trạng thái của rotor có thể điều khiển được chủ yếu được
quyết định bởi chất lượng của tín hiệu đo trong vòng điều khiển.

 Chi phí bảo dưỡng thấp hơn và tuổi thọ làm việc dài hơn của hệ thống AMB
đã được minh chứng trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt. Đây là lý do chính
khiến cho số lượng các ứng dụng liên quan đến máy gia tốc ngày càng nhiều trong thời
gian gần đây.
1.3.5. Các công nghệ liên quan
Hình 1.9 cho biết các công nghệ liên quan đến truyền động không ổ đỡ. Những
phát triển vượt bậc của các công nghệ này đã bổ trợ đáng kể cho công nghệ treo từ
tính.
Vòng bi
từ
N. lượng TĐ không LT ĐK
điện ổ đỡ Vector
Xử lý tín
hiệu số
Hình 1.9: Các công nghệ liên quan

17
Công nghệ điện tử công suất đã có sự đóng góp to lớn đến sự phát triển của cả
động cơ treo từ tính và động cơ không ổ đỡ. Với sự góp mặt của các thiết bị điện tử
công suất có tần số đóng cắt cao như IGBT và MOFET thì việc điều khiển dòng điện
tức thời là hoàn toàn có thể. Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất này thường được
tích hợp chung vào trong một module công suất. Module công suất gồm có sáu thiết bị
công suất cấu thành một bộ biến tần ba pha, cũng như là các mạch điều khiển cực gate
và các mạch bảo vệ khiến cho việc điều chỉnh dòng điện trở nên tin cậy hơn. Chính
nhờ sự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay khiến cho giá thành của hệ thống
điều chỉnh dòng điện giảm đi đáng kể và giá thành của module công suất cũng giảm
do các bộ biến tần nguồn áp ba pha được sản xuất hàng loạt và sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp và dân dụng.
Xử lý tín hiệu số cũng có những bước tiến rõ rệt trong những năm vừa qua. Điều
này khiến cho tốc độ tính toán được tăng lên rất cao trong khi giá thành lại giảm đi. Có
thể nhận thấy rằng treo từ tính yêu cầu khoảng thời gian trích mẫu khá nhỏ so với
truyền động động cơ. Nguyên nhân là do treo từ tính có bản chất không ổn định do đó
mà các bộ điều khiển vi phân hoặc sớm pha (phase-lead) cần thiết phải nhận biết được
quá trình treo từ tính ổn định. Để đạt được biên pha tại tần số cắt thì cần thiết phải có
khả năng trích mẫu nhanh. Yêu cầu đối với tần số trích mẫu phụ thuộc vào quán tính
cơ và độ cứng thiết kế. Nhờ vào sự phát triển của xử lý tín hiệu hiện nay, các bộ xử lý
tín hiệu số và các bộ vi xử lý đơn chip có thể cho ra tốc độ tính toán đủ nhanh cho hệ
thống treo từ tính.
1.4. Các ứng dụng tiêu biểu
Từ những ưu điểm khác nhau của vòng bi dạng ổ đỡ từ đã đưa đến một số các
lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu như sau [6]:
 Các hệ thống chân không và không gian sạch: Các vòng bi dạng ổ đỡ từ
không gặp phải bất kỳ sự ăn mòn cơ khí hoặc sinh ra các chất cặn bẩn. Nếu cần thiết,
các bộ treo này thậm chí có thể được bố trí bên ngoài lớp vỏ của bình chân không
trong khi các lực từ vẫn có thể tác động xuyên qua lớp vỏ bình. Do các bộ treo không
chịu tổn thất của lực cản khí động học và tiêu thu năng lượng thấp nên đây chính là
đặc trưng của các bộ bánh đà trong hệ thống tích trữ năng lượng. Trong dây chuyền

18
sản xuất thực phẩm và dược phẩm, AMB sẽ thay thế các ổ đỡ cơ khí để tránh được dò
gỉ của dầu bôi trơn do các vết nứt của mối hàn trên ổ đỡ gây ra.
 Các máy công cụ: Một trong những ưu điểm chính là độ chính xác cao khiến
cho các vòng bi dạng ổ đỡ từ có thể đạt được tốc độ quay cao với khả năng chịu tải
tương đối lớn. Tốc độ cao là một yêu cầu cần thiết trong quá trình mài chính xác các
chi tiết nhỏ.
 Máy gia tốc: Đây chính là lĩnh vực ứng dụng chính của AMB. Lĩnh vực này
bao trùm từ các máy bơm gia tốc phân tử (turbo-molecular pumps) cỡ nhỏ cho đến các
máy phát và máy nén gia tốc có công suất cao (Megawatts). Một ưu điểm đó là khả
năng điều khiển và làm tắt dần rung động, và đạt được đáp ứng động tốt như mong
muốn. Hơn nữa, các đặc trưng quan trọng khác đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm
đó là khả năng tự điều khiển và chẩn đoán, giá thành bảo dưỡng rất thấp, và mức tiêu
thụ năng lượng thấp. Cùng với sự có mặt của các thiết bị điện tử công suất có hiệu suất
làm việc cao, AMB chính là sự lựa chọn cho các máy tốc độ cao có công suất lớn, thay
thế dần nhu cầu ghép nối giữa các máy phát gia tốc tốc độ cao đến hộp giảm tốc trong
hệ truyền động máy phát và các máy phát tốc độ thấp.

 Các thiết bị y tế: Một ứng dụng cụ thể là việc sử dụng các vòng bi dạng ổ đỡ từ
trong bơm tim nhân tạo. Chính xác hơn đó là một thiết bị hỗ trợ tâm thất trái làm
nhiệm vụ trợ giúp cho quả tim yếu của bệnh nhân luôn giữ được lượng máu bơm đi tại
một mức mong muốn nhằm cung cấp quá trình tuần hoàn máu như yêu cầu.

 Các bộ treo siêu dẫn: ưu thế của các bộ treo siêu dẫn với khả năng thụ động cố
hữu của chúng hứa hẹn sẽ là một sự lựa chọn khác bên cạnh AMB. Tuy nhiên để đạt
được các thuộc tính tắt dần trong một hệ thống treo siêu dẫn cho máy điện quay thì vẫn
cần phải dùng thêm cả các bộ chống dao động tích cực bằng AMB.
1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Mặc dù khái niệm về động cơ điện dùng ổ đỡ từ mới xuất hiện trong thời gian
gần đây nhưng đã thu hút mạnh mẽ nghiên cứu của các nhà khoa học và nghiên cứu
sinh trên khắp cả nước.

19
Tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bộ môn Tự động hóa XNCN của trường
thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật
Bản, mô hình động cơ điện tự nâng với từ thông dọc trục tích hợp sử dụng ổ đỡ từ dọc
trục đã được nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công, các phương pháp điều khiển cơ
bản đã được phát triển và ứng dụng cho động cơ, kết quả nghiên cứu đã được công bố
trên các tạp chí hàng đầu thế giới về Kỹ thuật điện [20, 21, 22].
Tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, với thiết bị
có sẵn tại phòng thí nghiệm của trường đã thu hút các học viên cao học, nghiên cứu
sinh và các nhà khoa học nghiên cứu về ổ đỡ từ. Các vấn đề được nghiên cứu trên ổ đỡ
từ bao gồm:
- Nghiên cứu cơ bản về nguyên lý nâng bằng từ trường
- Các phương pháp điều khiển vòng bi dạng ổ đỡ từ
- Nghiên cứu chế tạo, thu nhỏ kích thước cho động cơ nâng bằng vòng bi dạng
ổ đỡ từ
- Tích hợp chức năng vòng bi dạng ổ đỡ từ dọc trục vào động cơ
- Điều khiển vector cho động cơ tự nâng không dùng cảm biến tốc độ
- Nghiên cứu ứng dụng và nâng cao chất lượng điều khiển.
1.5.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Những kết quả nghiên cứu điển hình trong thời gian qua:
(1). Trong nghiên cứu được công bố gần đây nhất (2009) [8], Chen và cộng sự
đề xuất thay thế bộ điều khiển PID truyền thống bằng độ điều khiển PID tự điều hướng
mờ (self-tuning fuzzy PID - type controller), nhằm giải quyết vấn đề rung động không
cân bằng trong hệ thống ổ đỡ từ tích cực. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cải thiện
đáng kể trong việc giảm rung động cho hệ thống ổ đỡ từ tích cực cũng như giảm dịch
chuyển của trục rotor.
(2). Trong một công trình công bố năm 2008 [7], B.Lu và cộng sự đã tiến hành
thí nghiệm sử dụng phương 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

20
định được xác định nhờ mạng nơ-ron nhân tạo. Một hàm trọng số không ổn định được
gần đúng hóa phục vụ cho việc điều khiển LPV. Các thí nghiệm được 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 được đòi hỏi về tuyến tính mở rộng (gain
scheduling), đồng thời cho thấy kết quả tốt hơn so với điều khiển PID truyền thống ở
tốc độ cao.
(3). Cũng trong năm 2008 [23], Z. Gosiewski và A. Mystkowski công bố
nghiên cứu điều khiển bền vững ổ đỡ từ đơn cực. Hệ điều khiển bền vững của rung
động rotor cứng được thiết kế và kiểm chứng bằng thí nghiệm. Một bộ xử lý tín hiệu
số (Digital Signal Processor) được sử dụng để thực thi giải thuật điều khiển. Kết quả
thí nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ điều khiển cũng như tính bền vững của bộ điều
khiển được thiết kế.
(4). Trong một nghiên cứu khác, T.M. Lim và D. Zhang (2008) [18] phát triển
hệ thống điều khiển lai, kết hợp PID và điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình
mẫu (RMRAC) để điều khiển lực nâng của động cơ không dùng ổ. Công trình này
khai thác quan hệ Lorentz để sản sinh cả lực nâng roto và momen quay. Kết quả thí
nghiệm cho thấy đáp ứng động học của mô hình mới tốt hơn hệ điều khiển PID truyền
thống. Hướng nghiên cứu khai thác lực Lorentz cũng đã được H.Y- Kim và C-W. Lee
đặt ra trong công trình công bố năm 2006 [12] thiết kế mới ổ đỡ từ và hệ thống điều
khiển tích hợp dựa trên nguyên lý lực Lorentz và Maxwell. Hệ thống điều khiển tối ưu
và giải thuật điều khiển Feed - Forward đã được sử dụng trong mô hình thí nghiệm
này. Kết quả cho thấy tính khả thi của thiết kế mới.
(5). I.S.Cade và cộng sự (2007) [13] đề xuất một phương pháp mới để dự đoán
biên độ dao động ở trạng thái ổn định từ các đáp ứng quá độ đo được tại các kênh vào,
kênh ra của hệ thống ổ đỡ từ rotor 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 được thiết lập
trong hệ tọa độ hệ số wavelet, các lực điều khiển được xác định từ các hệ số Wavelet
phản hồi tỷ lệ. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự điều hướng dao động quá độ có thể
được cải thiện.

21
(6). Năm 2004 [15], M.O.T. Cole và các cộng sự đã đề xuất thiết kế hệ thống
điều khiển cho hệ ổ đỡ từ, trong đó tích hợp các phương pháp điều khiển kháng lỗi
(fault-tolerant). Kết quả thí nghiệm thu được trên hệ ổ đỡ từ- rotor 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 được J.
Shi và các cộng sự phát triển và công bố trong năm này [14].
Từ những nghiên cứu đã chỉ ra ở trên, trong luận văn này tác giả đề xuất sử
dụng phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID, áp dụng để
điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do cho động cơ tích hợp ổ đỡ từ nhằm đánh giá chất lượng
so với phương pháp điều khiển PID kinh điển.
1.6. Kết luận chương 1
Chương 1 giải quyết được một số vấn đề sau:
- Giới thiệu những nét khái quát nhất về động cơ tích hợp ổ đỡ từ.
- Xác định đối tượng nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động.
- Định hướng nghiên cứu ổ đỡ từ chủ động theo hướng ứng dụng phương pháp
điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều khiển ổ đỡ từ trong động
cơ tích hợp ổ đỡ từ.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về ổ đỡ từ, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên
cứu về động lực học ổ đỡ từ chịu lực hướng tâm, làm cơ sở để mô tả toán học cho ổ đỡ
từ 4 bậc tự do trong điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ.

22
CHƯƠNG 2
MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ TÍCH CỰC TRONG ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ
2.1. Hệ truyền động điện sử dụng động cơ có tích hợp ổ đỡ từ
2.1.1. Hệ truyền động điện thông dụng
Trong các hệ thống truyền động điện thông dụng, sử dụng vòng bi cơ khí ở hai
đầu trục với các loại động cơ điện xoay chiều ba pha (đồng bộ, không đồng bộ), chỉ có
một bậc tự do () được minh họa như trên hình 2.1.
Với vận tốc góc tối đa khi có một đôi cực (np = 1) là = 314 (1/s) ở tần số 50Hz.
Động cơ điện một bậc tự do cũng được chế tạo để làm việc trong một số môi trường
đặc biệt như phòng cháy nổ hoặc ngâm trong nước,…
Hình 2.1: Mặt cắt mô hình động cơ điện thông dụng một bậc tự do (1: Trục;
2: Rotor; 3: Stator và dây quấn; 4: Vòng bi trái; 5: Vòng bi phải).
2.1.2. Hệ truyền động điện có tích hợp ổ từ
Khi xuất hiện các yêu cầu đặc biệt của hệ thống truyền động điện như: đòi hỏi tốc
độ quay rất lớn (>10.103 v/ph); phải làm việc trong môi trường chân không hay có
nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp hoặc khi phải làm việc trong môi trường không được
phép dùng dầu mỡ bôi trơn ổ trục,... Lúc đó, nếu sử dụng động cơ thông dụng, ta phải
tích hợp thêm các ổ từ như trên hình 2.2. Hai đầu trục động cơ được đỡ bằng hai ổ từ
hướng tâm, đó là loại vòng bi từ không tiếp xúc với trục khi quay, cho nên phải có
thêm một ổ từ dọc trục để chặn chuyển dịch dọc trục của rotor động cơ. Như vậy, bậc
tự do của của hệ là sáu (, z, x1, x2, y1 và y2), đồng thời cũng làm cho kích thước động
cơ trở nên cồng kềnh hơn.
Hình 2.2: Mặt cắt mô hình động cơ điện
thông dụng - ổ từ có sáu bậc tự do (1:
Trục; 2: Rotor; 3: Stator và dây quấn; 4:
Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục).

23
Ổ đỡ từ chủ động (AMB) là loại có thể điều chỉnh được lực điện từ bằng dòng
điện như trên hình 2.3, nó có cấu tạo giống động cơ điện (stator xẻ rãnh và đặt dây
quấn, rotor làm bằng vật liệu từ tính đặc biệt) nhưng nguyên lý làm việc của nó lại
giống nam châm điện.
Thay vì sinh mô men cho trục quay, ổ từ (vòng bi từ) lại sinh ra các lực nâng ở ngõng
trục. Lực nâng từ trường theo các phương x, y làm cho rotor động cơ quay mà không
có tiếp xúc với phần tĩnh như ổ bi thông thường. Cũng chính vì không có tiếp xúc nên
trục động cơ có khả năng chuyển dịch dọc trục, cho nên cần thêm một ổ từ dọc trục.
Hình 2.3: Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB) (a: Ổ đỡ từ hướng tâm;
b: Ổ đỡ từ dọc trục).
2.1.3. Hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam
châm vĩnh cửu có tích hợp ổ từ
Để thu gọn kích thước cho động cơ và nâng cao khả năng điều chỉnh tốc độ cũng
như tận dụng các ưu điểm của động cơ từ thông dọc trục nam châm vĩnh cửu (NCVC)
như: Hiệu suất và hệ số công suất cao; Công suất lớn; Không có vành góp – chổi than;
Có khả năng mô đun hóa (lắp ghép dọc trục từ 1 đến nhiều modul) để tăng mô men,...
Bài báo này đề xuất sử dụng một loại động cơ có cấu trúc đặc biệt được giới thiệu trên
hình 2.4.
Hình 2.4: Mặt cắt động cơ điện đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC có tích hợp ổ đỡ từ
hai đầu trục

24
Động cơ có hai stator ở hai bên và rotor nam châm vĩnh cửu kép hình đĩa ở giữa.
Với cấu trúc đặc biệt này làm cho động cơ vừa có khả năng sinh mô men quay trên
trục, vừa có khả năng sinh ra lực đẩy kéo dọc trục nhằm giữ cho rotor luôn ở vị trí
danh định (mô hình toán của động cơ và ổ từ có thể xem trong [5, 9, 10, 11, 16]). Do
không phải sử dụng thêm ổ từ dọc trục như đối với động cơ thông dụng có tích hợp ổ
từ, cho nên kích thước động cơ cũng như hệ truyền động cũng được giảm đi đáng kể.
Để rõ hơn về số bậc tự do cũng như các lực và mô men xuất hiện trong động cơ
này, ta xem xét tiếp hình 2.5.
Trước hết, động cơ có cấu trúc đặc biệt như trên vì nó phải thực hiện hai chức
năng: Chức năng thứ nhất là động cơ điện đồng bộ từ thông dọc trục rotor nam châm
vĩnh cửu sinh ra mô men quay M; chức năng thứ hai như một nam châm điện phân cực
kép sinh ra các lực đẩy kéo F+
và F-
để giữ cho rotor ở vị trí danh định (z0) so với
stator, chặn các chuyển dịch dọc trục z của rotor.
Ổ đỡ từ trong quá trình làm việc do bị nhiễu (chủ yếu là nhiễu tải) sẽ có hiện
tượng trục quay (đường màu đỏ trên Hình 2.5a,b) chuyển dịch song song với trục tâm
stator (z) trong mặt phẳng xz và mặt phẳng yz tạo ra các khoảng cách xp và yp so với
trục z. Mặt khác, trục quay cũng có thể bị nghiêng so với trục tâm stator trong mặt
phẳng xz và yz, tổng quát trục quay sẽ tạo nên một hình nón xung quanh trục tâm
stator trong các mặt phẳng tương ứng gọi là chuyển động hồi chuyển (gyroscopic
effects) . Chính các lực Fx và Fy sẽ giữ cho rotor ở vị trí danh định với khe hở giữa
stator và rotor theo phương x và y bằng g0 .

25
Hình 2.5: Lực và mô men tác động đến rotor của động cơ và ổ đỡ từ (F+
, F-
: Lực dọc
trục tác dụng lên rotor động cơ; M: Mô men quay trục động cơ; Fx1, Fx2, Fy1, Fy2:
Lực hướng tâm tác dụng lên rotor các ổ đỡ từ. Các khả năng tạo nên
chuyển dịch của trục rotor: Tịnh tiến (a) hoặc bị nghiêng (b) theo trục y
do nhiễu, tương tự đối với trục x).
2.2. Các thành phần của mạch vòng điều khiển
Trước tiên ta đi tìm hiểu thuộc tính cơ bản của hệ thống AMB với 1 bậc tự do
(Degree of Freedom – DOF). Từ đó, việc phân tích và xây dựng một mô hình toán học
cho hệ thống nhiều hơn một bậc tự do sẽ dễ dàng hơn. Hình 2.6 mô tả cấu trúc cơ bản
của một vòng điều khiển kín cho AMB với các thành phần cần thiết để cấu thành nên
một hệ thống AMB theo một phương. Các thành phần và chức năng của chúng sẽ được
mô tả sơ bộ như sau:
Hình 2.6: Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB

26
Một rotor được treo tự do tại một khoảng cách tiền định x0 so với cơ cấu điện
từ. Một cảm biến vị trí không tiếp xúc (thường là kiểu cảm biến dòng điện Eddy hoặc
cảm biến điện cảm) sẽ đo độ sai lệch giữa vị trí mong muốn x0 với vị trí thực của rotor
x và cung cấp thông tin này đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển duy trì vị trí của rotor tại
giá trị mong muốn. Điều này không chỉ làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực hấp dẫn Fm
được tạo ra với mga (tích của trọng lượng rotor với gia tốc trọng trường) tại điểm làm
việc tĩnh mà còn nhằm đạt được sự ổn định hóa, chính là chất lượng quan trọng nhất
của quá trình điều khiển. Sau cùng, bộ điều khiển sẽ gửi một tín hiệu điều khiển vị trí
đến một bộ khuếch đại công suất. Từ bộ khuếch đại công suất này, tín hiệu được
chuyển thành dạng dòng điện để đưa đến cuộn dây của cơ cấu điện từ và sau đó, sẽ tạo
ra được lực điện từ Fm như mong muốn.
Về cơ bản, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách thức: Khi rotor dịch chuyển
đi xuống, cảm biến sẽ cung cấp một tín hiệu chuyển dịch để làm tăng dòng điện điều
khiển, lực điện từ gia tăng khi đó sẽ kéo rotor quay trở lại vị trí danh định của nó.
Bộ khuếch đại công suất và cơ cấu điện từ của AMB là các thành phần phụ
thuộc chặt chẽ với nhau. Các thuộc tính quan trọng của AMB, chẳng hạn như động lực
học của lực phụ thuộc nhiều vào thiết kế của cả bộ khuếch đại công suất và cơ cấu điện
từ của AMB, bao gồm dòng điện và điện áp bộ khuếch đại, hình dạng của vòng bi
dạng ổ đỡ từ , số vòng dây và điện cảm của cuộn dây.
2.3. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
Trong công nghệ treo từ tính, các phần tử điện tử gây ra từ thông khép kín trong
một mạch vòng từ. Khi phân tích những mạch vòng từ như vậy, việc tính toán chính
xác từ trường thường là không khả thi và không thực sự cần thiết. Thông thường các
phương pháp phân tích xấp xỉ hóa dựa vào một số giả thiết chẳng hạn như: từ thông
khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ (không có từ thông dò), ngoại trừ trong khe hở
không khí. Vì độ thẩm từ của vật liệu sắt từ μ = μ0μr lớn hơn nhiều so với độ thẩm từ
không khí, các đường đi của từ trường khi rời khỏi vật liệu sắt từ gần như vuông góc
với bề mặt của nó.

27
Hình 2.7: Mạch từ lõi thép
Trên hình 2.7 thể hiện một cơ cấu điện từ được dùng để treo một lõi sắt từ hình
chữ I bằng một lực từ. Lõi sắt từ hình chữ C có tiết diện là Afe. Đường đi chính của từ
thông được mô tả bởi đường nét liền khép kín qua lõi sắt từ chữ C và chữ I. Cuộn dây
trên cơ cấu điện từ có số vòng dây là N. Dòng điện tức thời có giá trị là i. Độ dài khe
hở không khí tại vị trí danh định là s.
Để tính toán mật độ từ thông B, một số giả thiết sau đây được đưa ra: Từ thông Φ
chỉ chạy hoàn toàn trong vòng từ khép kín. Tiết diện mặt cắt của vật liệu sắt từ Afe
cùng được giả thiết là không đổi trên toàn bộ vòng từ khép kín và bằng với tiết diện
mặt cắt trong khe hở không khí Aa. Từ công thức:
 B fe A fe Ba Aa (2.1)
dẫn đến: B fe Ba B (2.2)
Từ trường trong mạch từ khép kín được giả thiết là đồng nhất trong cả vật liệu sắt
từ và khe hở không khí. Do đó, việc tính toán dựa trên chiều dài trung bình lfe của
đường đi từ trường và chiều dài khe hở không khí 2s.
2.3.1 Mật độ từ thông của mạch từ
Lực từ động (Magnemotive Force - MMF) được cho bởi công thức sau:
H
d
S
 l fe H fe 2sH a Ni R (2.3)
Trong đó, R biểu diễn cho tổng từ trở; Φ là từ thông chạy trong mạch từ tương
đương tại hình 2.7; Từ trường H và mật độ từ thông B liên hệ với nhau qua:
B0r H (2.4)

28
Khi mật độ từ thông B trong lõi sắt từ và khe hở không khí là như nhau, thay thế
(2.4) vào trong (2.3) ta có:
l
fe
B
 2s
B
 Ni (2.5)

r

0
0
Giải phương trình (2.5) đối với B ta sẽ có:
B0
Ni
(2.6)
 l
fe 

 2s
r
 
Đối với các vật liệu sắt từ cór >>1 thì từ hóa của sắt từ thường được bỏ qua.
Trong trường hợp này, (2.6) có thể được viết gọn thành:
B0
Ni
(2.7)
2s
Giả thiết không có từ thông dò: Φ = Φa = Φfe

Ni

0 Aa Ni
2 g l
l
fe  1  l
l
fe  (2.8)
  iron
   2 g iron
 

 0

0
iron

Aa


iron



0
fe 

fe
2.3.2 Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ
Hình 2.8 biểu diễn một mạch điện biến đổi tương đương cho mạch từ của cơ cấu
điện từ trong hình 2.7. Các thành phần MMF, từ thông, từ trở và mạch từ không đổi
được xem xét tương ứng như các thành phần điện áp, dòng điện, điện trở và nguồn DC
trong mạch điện. Sự khác biệt chính đó là từ trở là một thành phần tích trữ năng lượng
chứ không phải là thành phần tiêu tán năng lượng. Nguồn “DC” – Ni biểu diễn cho
MMF do dòng điện trên cuộn dây sinh ra. Ni Rc
Rg
Rl
Rg
Φ
Hình 2.8: Mạch từ hoá tương đương

29
Từ trở của mạch từ được định nghĩa như sau:
R
l
fe

l
fe
(2.9)
0r
A
fe
 A fe
với0 = 4π.10-7
Vs/Am, là độ thẩm từ của môi trường chân không,r là độ thẩm
từ tương đối, giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu từ mà từ trường tác động lên. Trong
môi trường chân không và môi trường không khí đồng nhất, giá trị này được coi bằng
1.
Độ thẩm từ của vật liệu tỷ lệ nghịch với từ trở mạch từ:
P  A fe 
0r
A
fe
(2.10)
a
l
fe
l
fe
Độ tự cảm L là tỷ số của từ thông dây quấn Φw sinh ra bởi một vòng dây với
dòng điện chạy trong vòng dây đó. Đối với một cuộn dây có N vòng dây, độ tự cảm
của cuộn dây được xác định bằng:
L
N
(2.11)
i
Trong đó, Φ là từ thông tổng sinh ra bởi N vòng dây.
Sử dụng (2.1), (2.2) và (2.7) để thay thế vào trong (2.11), độ tự cảm L của mạch
từ có thể được tính xấp xỉ bằng:
L
N 2
A
0 a
(2.12)
2s
Việc xấp xỉ hóa này đôi khi không phản ánh đúng giá trị thực bởi từ thông dò,
kích thước hình học của cuộn dây và từ trở lõi thép được bỏ qua. Khi mối quan hệ giữa
B và H, và giữa Φ và i, là phi tuyến thì điện cảm L cũng sẽ phụ thuộc vào điểm làm
việc trên đồ thị B-H, và có thể được định nghĩa bằng điện cảm vi sai qua biểu thức sau:
Ld N .d / di , tương ứng với độ nghiêng (gradient) trong “đồ thị Φ-i”.
Điện cảm của vòng bi từ cũng rất quan trọng trong thiết kế bộ khuếch đại công
suất. Điện áp cảm ứng u trên một cuộn dây có N vòng dây sẽ được tính bằng:
u N d  L di
(2.13)
dt d
dt

30
Ta thấy, nếu độ tự cảm Ld càng nhỏ thì dòng điện i tăng càng nhanh.
2.4 Các phương trình điện từ
2.4.1 Các lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép
Khi quan tâm đến năng lượng từ Wa được tích trữ trong một thể tích khe hở
không khí của hệ thống, Va = 2sAa; Aa được giả thiết là vùng chiếu của bề mặt cực, ta
có thể dẫn ra được lực từ tại một chuyển dịch bất kỳ. Trường hợp từ trường tại khe hở
không khí là đồng nhất, như thể hiện trong hình 2.2, năng lượng tích trữ Wa được tính
toán theo công thức:
1 B 2
 l
l
fe 
Wa  Ba
2
dVa
a
 2 s
iron
  Aa (2.14)

2 2 0

iron
 fe
 
Từ (2.8), ta tính B = Φ/Aa, sau đó thay vào trong (2.14) ta có:
Wa1  A N 2
i2
0 a
2  l
l
fe  (2.15)
 2 s iron
 

iron
 


fe
Lực tác động lên vật thể sắt từ (μr >> 1) được tạo ra bởi sự biến đổi năng lượng
từ trường trong khe hở không khí. Lực này là một hàm số của độ chuyển dịch vật thể.
Đối với những chuyển dịch nhỏ ds, từ thông Φ duy trì không đổi.
Khi khe hở không khí s tăng lên một lượng δs, thể tích Va = 2sAa sẽ tăng lên, và
năng lượng từ trường cũng tăng lên một lượng bằng dWa. Nếu vật thể bị dịch chuyển
đi một lượng δs thì một lực điện từ F bằng với vi phân từng phần của năng lượng từ
trường với khe hở không khí được sinh ra:
W 1 2 A N 2
i 2
 A N 2
i2
F a
 0 a
 0 a
s 2  l
l
fe  2
 l
l
fe 2
(2.16)
 2 s iron
   2 s iron
 

iron

iron
   

fe 
fe
Đối với các phần tử điện từ, điện năng được đưa vào hệ thống qua các đầu cực
của cuộn dây để tạo ra từ trường. Lực điện từ F được biểu diễn như trên là một hàm số
của dòng điện trong cuộn dây và khe hở không khí. Phương trình (2.16) cho thấy lực
điện từ tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện và tỷ lệ nghịch với bình phương của
khe hở không khí.

31
Đối với trường hợp một vòng bi từ (ổ đỡ từ) từ tính hướng kính, các lực của các
cực từ còn phụ thuộc vào góc α (hình 2.9). Góc α = 22.50
khi bộ AMB có 4 cặp cực thì
lực F được biểu diễn như sau:
 2

Ni

F   A cos
l
fe
02s l   a (2.17)
 iron



iron

fe
Hình 2.9: Biểu diễn hình học của AMB hướng kính
2.4.2 Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép
Khi không kể đến ảnh hưởng của độ từ hóa của vật liệu sắt từ, thành
l

l
fe 
 iron

 
phần được bỏ qua. Lực điện từ được tạo ra trong các biểu thức (2.16)
 iron fe
và (2.17) tương ứng sẽ là:
Ni2
1 2 i2 i2
F 0 Aa  0 N Aa  K (2.18)
4 s
2
s
2
 2 s
F 1  N2
A i 2
cos K i2
cos
(2.19)
4
0a
s2 s2
2.4.3 Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB
Lực hấp dẫn F của cơ cấu điện từ trong (2.18) có thể được biểu diễn như sau:
F K
i0 i2
(2.20)
g 0 x2

32
Phương trình (2.20) được viết thành:
F K i0
2 
1 x 2

1 i 2
2   (2.21)

g
0

i
0
g
0    
Sử dụng phương pháp khai triển Taylor cho (2.21) ta có:
F K i0
2 
1 2 x  3 x2
 4 x3 ...

1 2 i  i2
2  (2.22)

g
0
2 3  2
g
0 
g
0
g
0 
i
0
i
0 
Thông thường dòng điện điều khiển là rất bé trong các hệ thống điều khiển zero-
power, đặc biệt là trong chế độ xác lập. Do vậy, ta sẽ không quan tâm đến các thành
phần bậc cao. Khi đó, (2.22) có thể được viết lại như sau [23]:
F Fe K i i x  K sx p 2 x 2
 p3 x3
 ... (2.23)
F K
i2
 2K
i
 2K
i2
p
3
p
4
0
K 0
K 0
Với, g 2
; g2 ; g 3
; 2g ; 2g 2
e i s 2 3
0 0 0 0 0
Đối với các hệ thống điều khiển zero-power, dòng điện điều khiển của các cơ cấu
điện từ phải hội tụ về zero để thỏa mãn điều kiện cân bằng sau đây:
Fe mg (2.24)
và phương trình chuyển động của hệ thống vòng bi từ có thể được viết:
mx=Fmg (2.25)
Từ các phương trình (2.23), (2.24) và (2.25) ta có:
mx K i i x K sx p2 x 2
 p3 x3
 ... (2.26)
Đây chính là phương trình cơ bản để mô tả chuyển động của một vật treo.
Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong biểu thức (2.16) ở dạng bình
phương cho thấy đây là mối quan hệ phi tuyến. Thông thường các hàm phi tuyến được
xấp xỉ bằng phương pháp tuyến tính hóa tại điểm làm việc. Lực điện từ có thể được
viết dưới dạng tuyến tính hóa như sau:
Fx ( x, i ) K i ix K s x mx (2.27)

33
Hình 2.10: Bên trái:Hệ số lực điện từ - dòng điện, ki
Bên phải: Hệ số lực điện từ-độ chuyển dịch, ks
Ở đây, lực điện từ Fx được tính từ độ dốc ki của đường parabol tại điểm làm việc.
ks là độ dốc của đường cong 1/s2
tại điểm làm việc cho bởi dòng điện i0 và khe hở
danh định s0.
Thông thường trong một bộ AMB gồm có hai phần tử điện từ làm việc ngược
nhau, như thể hiện trong hình 2.10. Kiểu kết cấu này khiến cho AMB dễ dàng tạo ra
các lực dương và âm. Trong chế độ vi sai, một phần tử điện từ được điều khiển bởi
tổng của dòng điện phân cực i0 và dòng điện điều khiển ix, (i0 + ix), phần tử điện từ kia
sẽ được điều khiển bởi một hiệu (i0 - ix). Lực Fx trong hình 2.10 thể hiện sai lệch giữa
các lực của các phần tử điện từ bên trên và bên dưới. Ta có thể thu được cả hai lực này
bằng cách thay (i0 + ix) và (i0 - ix) cho dòng điện i trong (2.17). Đối với khe hở không
khí, (s0 + x) và (s0 - x) cũng được thay vào trong biểu thức này:
i0 ix2
i0ix2

FFFK  cos (2.28)
 s0 x2
s0  x2
x +

 

-
với,
K 1  N 2
A
(2.29)
4 0 a
Nếu ta đơn giản hóa (2.28) khi coi x << s0, và áp dụng (2.26 & 2.27), ta thu được
mối quan hệ sau:
Fx 
4 Ki0
cos ix 
4Ki0
2
cos x K i i x K s x (2.30)
2 3
s s
0 0

34
trong đó:
K
i 
4Ki0
cos
: Hệ số lực điện từ/dòng điện của AMB (2.31)
2
s
0
4Ki2
K s 
0
cos
: Hệ số lực điện từ/độ chuyển dịch của AMB (2.32)
s 3
0
Các hệ số Ki và Ks là dương.
Hình 2.11: Chế độ vi sai của AMB
Khi hệ thống AMB được xem xét gồm hai bộ AMB1 và AMB2 bố trí tại hai
phía, ta sẽ có lực hấp dẫn Fx1 và Fx2 theo phương x của hai bộ AMB này. Các lực này
được biểu diễn cụ thể như sau:
F
x1 
4 Ki0
cos i x1
4Ki0
2
cos x1 K i i x1 K s x1 (2.33)
2 3
s s
0 0
F
x 2 
4 Ki0
cos ix 2
4Ki0
2
cos x2 K i ix 2 K s x2 (2.34)
2 3
s s
0 0
Tương tự như vậy, khi ta xem xét các lực treo của hai AMB theo phương y, ta sẽ
có các lực hấp dẫn theo phương y như sau:
F
y1 
4 Ki0
cos i y1
4Ki0
2
cos y1 K i i y1 K s y1 (2.35)
2 3
s s
0 0
F
y 2 
4 Ki0
cosi y 2
4Ki0
2
cos y 2 K i i y 2 K s y2 (2.36)
2 3
s s
0 0

35
2.4.4 Các phương trình cân bằng về điện
Mô hình từ thông (2.8) đã cho phép ta tính toán được mô hình của các lực điện từ
trong (2.16) ÷ (2.19). Ngoài ra, mô hình từ thông cũng cho phép ta tính toán được
phương trình tổng quát cân bằng về điện áp theo định luật Kirchoff như sau:
u L di  Ri
(2.37)
d
dt
Đối với cấu trúc của một bộ AMB được mô tả như hình 2.12 dưới đây, phương
trình (2.37) có thể được diễn đạt thành [9, 10, 11]:
u L dii  R i ; i 1, 2
(2.38)
i di
dt i i
u  L dij  R i ; i 3, 4
(2.39)
j dj
dt j j
Trong đó:
L
di 
N .di
;
L
dj 
N .d j
dii di j
Hình 2.12: Mô tả hệ thống AMB trục ngang theo mặt cắt ngang

36
2.5 Các phương trình động lực học của hệ thống AMB
Động lực học của rotor cứng quan tâm đến các thuộc tính về hệ cơ của AMB.
Điều này sẽ dẫn ra các phương pháp đối với việc khảo sát toán học, và sẽ chỉ ra các
đặc tính và các giới hạn vật lý trên đáp ứng của chúng. Vậy nên, nhất thiết phải có sự
phân tích động lực học của các hệ thống AMB bởi hai lý do chính sau đây:
 Thứ nhất, khảo sát cơ bản các ảnh hưởng phi tuyến lên đáp ứng động của các
vòng bi từ tính có thể cung cấp những hiểu biết hữu ích từ đặc tính của hệ thống tại
các chế độ làm việc khác nhau, và có thể dự đoán đáp ứng động phức tạp của hệ.

 Thứ hai, cần thiết phải có một mô hình tham số chính xác cho AMB đối với
thiết kế tối ưu nhằm đạt được chế độ làm việc tin cậy và ổn định.

Đối tượng nghiên cứu là một hệ thống gồm hai bộ AMB, được bố trí tại hai đầu
của rotor, để điều khiển chuyển vị phương đứng và phương ngang của rotor theo 4 bậc
tự do (bốn phương). Bộ AMB1 tạo ra các lực treo hướng kính theo các trục x1 và y1.
Bộ AMB2 tạo ra các lực treo hướng kính theo các trục x2 và y2, Đáng lưu ý rằng, khi ta
xem xét đến cả các góc nghiêng trong chuyển động của trục rotor thì ảnh hưởng hồi
chuyển gây nên sự xen kênh không mong muốn giữa các trục x1, y1, x2 và y2.
2.5.1 Cấu trúc của bộ AMB được khảo sát
Hình 2.13 minh họa cấu trúc của một hệ thống AMB được lựa chọn để tiến hành
khảo sát.
Hình 2.13: Hệ thống AMB trục ngang
Theo cấu trúc này, hệ thống bao gồm 2 bộ AMB được bố trí ở hai đầu của trục
động cơ. Phần chính giữa là rotor của động cơ. Hai bộ AMB sẽ gồm có hai rotor, là
phần chuyển động, có dạng hình trụ trục ngang bằng vật liệu sắt từ. Tương ứng cho hai
phần rotor của AMB là hai phần stator, là phần tĩnh, bao quanh các rotor này. Mỗi
phần stator gồm có 4 cực và một gông từ. Gông từ làm nhiệm vụ cố định phần stator

37
và làm đường dẫn khép kín cho đường đi của từ thông. Kích thước của gông từ phải
được thiết kế đủ lớn để tránh được bão hòa mạch từ và có được độ cứng cơ tính cao
nhằm chống lại được rung động do các lực từ hướng kính gây ra. Vùng không gian
giữa các cực từ để dành cho phần dây cuốn.
Một vòng bi từ hướng kính thông thường bao gồm bốn cơ cấu treo điện từ (hình
2.13) phục vụ cho chuyển động hai bậc tự do. Hai cuộn dây tại hai cực từ bên và hai
cuộn dây tại hai cực từ trên và dưới trong mỗi stator của một bộ AMB được cấp vào
các dòng điện nhằm tạo ra các lực từ treo hướng kính theo các phương ngang, x, và
phương đứng, y, tương ứng. Bằng cách này, các lực từ treo rotor sẽ được điều khiển
tích cực bằng cách điều khiển các dòng điện đưa vào từng cuộn dây.
2.5.2 Các phương trình động lực học của hệ thống AMB
2.5.2.1 Hệ thống hai bậc tự do (hai phương)
Trước tiên, ta khảo sát một hệ thống hai bậc tự do để đánh giá được các thành
phần lực và momen xuất hiện trong hệ thống. Các kết quả này sau đó sẽ được vận
dụng cho việc khảo sát hệ thống bốn bậc tự do.
Trên hình 2.14 mô tả một trục rotor quay tại tốc độ góc ωrm xung quanh trục k.
Hệ quy chiếu tĩnh gồm ba trục vuông góc x, y và z. Hệ quy chiếu quay gồm ba trục
vuông góc i, j và k. Đầu cuối của trục rotor được gắn cố định tại vị trí gốc của các trục
tọa độ. Trục rotor của bộ AMB có dạng trụ cứng, với chiều dài là lrt. Dưới chế độ làm
việc bình thường, trục k và trục z được gần như thẳng hàng (trên thực tế luôn có một
sai lệch rất nhỏ).
k
lrt
z
j
z y
i
x
y
Hình 2.14: Hệ tọa độ tĩnh xyz và hệ tọa độ quay ijk

38
Khi ta xem xét chuyển động quay hình nón quanh trục z (chỉ có hiệu lực với các
góc bé trong chuyển động quay không gian ba chiều), θx và θy lần lượt là các vị trí góc
của góc nghiêng trục k so với trục z khi chiếu lên các trục x và y. Ji và Jk lần lượt là
momen quán tính quanh trục quay i và k. Momen quán tính trên trục j bằng với momen
quán tính trên trục i do cấu trúc đối xứng của trục rotor. Tích của momen quán tính với
vi phân bậc hai của vị trí góc so với thời gian chính là bằng tổng các thành phần
momen. Nếu bỏ qua độ uốn cong của trục, ta có các phương trình vi phân mô tả sự cân
bằng momen của chuyển động như sau:
J
i

x rm J ky Nx (2.40)
J i y  rm J kx N y (2.41)
Thành phần thứ nhất ở vế phải của hai phương trình trên là các momen sinh ra do
hiệu ứng hồi chuyển (gyroscopic effects). Momen hồi chuyển là tích của các thành
phần: tốc độ quay ωrm trên trục z, quán tính trên trục k và tốc độ góc của trục vuông
góc. Các thành phần này có ảnh hưởng lớn khi AMB làm việc tại tốc độ quay cao.
Từ các hình 2.15, ta có thể thu được các chuyển dịch lệch so với vị trí trung tâm
của trục rotor hình trụ lên các trục x và y:
x l sin  l  
l
rt
(2.42)
rt y y
rt y
x
yl sin
x
l 
x

l
rt
(2.43)
rt rt x
y
Z
k Z k
N x N y
x y
l
rt lrt
x
y x
y
Hình 2.15: Hệ tọa độ quay chiếu lên trục x-z và y-z

39
Ta có phép xấp xỉ như vậy là do giải thiết rằng độ nghiêng của trục rotor là nhỏ
(góc lệch θ là nhỏ). Nhận thấy rằng x và y tỷ lệ thuận tương ứng với vị trí góc θy và θx.
Thay hai giá trị này vào các biểu thức (2.40) và (2.41), ta sẽ có được các phương trình
dưới đây:
y

rm
J
k
x
l
rt
Nx (2.44)
J i Ji
x

rm
J
k
y
l
rt
N y (2.45)
J i Ji
Thành phần gia tốc trên trục y là tổng của thành phần hồi chuyển tốc độ trục x và
thành phần momen quanh trục x. Thành phần hồi chuyển tỷ lệ với tỷ số các đại lượng
quán tính trên các trục. Sơ đồ khối của các phương trình này được mô tả như hình 2.16
dưới đây:
Hình 2.16: Sơ đồ khối của momen và tốc độ
Tiếp theo, ta sẽ khảo sát đến các thành phần momen ngoại sinh khác. Giả thiết
rằng, trọng tâm rotor của AMB có độ cao là h và khối lượng rotor là m(kg). Trong
trường hợp lý tưởng, ta coi h = lrt. Do vậy, các momen do trọng lượng m gây nên, Nxg
và Nyg, xung quanh các trục x và y có thể được viết là:
N
xg  mg a h sin x  mg a hx mg a h sin
y
(2.46)
l
rt
N
yg  mg a h sin y  mg a hy mg a h sin
x
(2.47)
l
rt

40
Nếu ta định nghĩa Fx và Fy là các lực hướng kính điều khiển bởi các dòng điện
được sinh ra trong các cuộn dây của AMB. Khi đó, các momen Nxi và Nyi, được tạo ra
do các dòng điện, được viết là: N xiFy lrt và N yi Fx lrt . Ngoài các lực hướng
kính điều khiển bởi dòng điện, các lực hướng kính do chuyển dịch gây nên cũng được
tạo ra. Lực hướng kính lên trục y được biểu diễn là kxy, trong đó, kx là hệ số lực-chuyển
dịch và y là độ chuyển dịch của trục rotor theo trục y. Khi đó các momen do chuyển
dịch xung quanh các trục x và y tương ứng là: N xdK x ylrt và
N yd k x xlrt .
Tổng các đại lượng momen thành phần xung quanh hai trục trục x và y sẽ là:
N x  N xg  N xi  N xd 
mg a h
y Fy lrt  k x ylrt (2.48)
l
rt
N y  N yg  N yi  N yd 
mg a h
x Fx lrt  k x xlrt (2.49)
l
rt
Hình 2.17: Sơ đồ khối của momen Nx và Ny
quanh trục x và trục y
Hình 2.17 mô tả sơ đồ khối của các thành phần momen. Các biến đầu vào là các
lực hướng kính được điều khiển bởi dòng điện trong các cuộn dây của AMB và các lực
chuyển dịch hướng kính của rotor. Các lực hướng kính, do gia tốc trọng trường và độ
chuyển dịch gây nên, được cấu thành như là một hàm số của chuyển dịch hướng kính
rotor. Các đầu ra là các momen quay xung quanh trục x và y.
Ta thay các phương trình momen ở trên vào trong (2.44) và (2.45) để thu được
các phương trình động lực học như sau:

41
 J k
mg h k l 2
l 2
y rm
x a x rt
y rt
F (2.50)
J i J i
y
Ji
 J k
mg h k l 2
l 2
x rm
y  a x rt
x rt
F (2.51)
J i J i
x
Ji
Ta biểu diễn dạng sơ đồ khối cho hai phương trình động học ở trên bằng hình
2.18 dưới đây. Các đầu vào là các lực hướng kính Fx và Fy, các đầu ra là các chuyển
dịch theo trục x và y. Các khối xen kênh chéo là do các ảnh hưởng hồi chuyển, và các
vòng phản hồi xuất phát từ trọng lượng m và hệ số lực-chuyển dịch. Sơ đồ khối này
cho ra đáp ứng động hệ cơ.
Hình 2.18: Sơ đồ khối của lực hướng kính và độ chuyển dịch
2.5.2.2 Hệ thống bốn bậc tự do (bốn phương)
Xét hình vẽ 2.19 biểu diễn một hệ thống AMB có bốn bậc tự do. Hệ thống này
bao gồm hai bộ AMB hướng kính được bố trí tại hai phía trái và phải. Bộ AMB1 tạo ra
các lực hướng kính theo trục x1 và y1. Bộ AMB2 tạo ra các lực hướng kính theo trục x2
và y2.

42
y y1
2
z1
x2
x1
Bộ AMB 2 Bộ AMB 1
Hình 2.19: Hệ thống AMB bốn bậc tự do
Các chuyển động của trục rotor có thể được biểu diễn bằng chuyển dịch tịnh tiến
và chuyển dịch nghiêng và trên hình 2.20 mô tả cụ thể về chuyển dịch tịnh tiến.
Fy2 Fy1
Trục quay
Yp
Trục tâm stator Yp
Hình 2.20: Mô tả chuyển dịch tịnh tiến
Trong hình vẽ cho thấy, trục quay của rotor di chuyển song song với trục tâm cố
định của stator. Khi đó cả hai rotor của hai bộ AMB dịch chuyển tịnh tiến một lượng
yp theo hướng trục y.
Trục quay
Trục tâm stator
Hình 2.21: Mô tả chuyển dịch nghiêng

43
Trên hình 2.21, trục quay rotor bị xoay đi theo phương y. Rotor1 và Rotor2 dịch
chuyển đi một lượng tương ứng là yr và - yr.Trong chuyển dịch nghiêng này, trục quay
rotor vị xoay đi một góc nhất định so với trục tâm cố định của stator.
Chuyển dịch hướng kính của rotor được diễn tả bởi các chuyển dịch tịnh tiến và
nghiêng sao cho:
x1 x p xr

 y p yr

y
1

 x p xr (2.52)

x
2
y
2
 y
p
 y
r

Các lực tịnh tiến và các lực nghiêng cũng có thể được mô tả dựa trên các lực
hướng kính của AMB như sau:
Fxp Fx1 Fx 2
  F
y 1 F
y 2

F
yp
  F
x1 F
x 2 (2.53)

F
xp
F  F  F
yp y 1 y 2
Các phương trình động lực học đối với chuyển động tịnh tiến phải được xem xét
trên thực tế là lực hướng kính được sinh ra bởi cả hai bộ AMB:
mx p
 F
xp  2k x xp (2.54)
my p  Fyp  2k x y p mga (2.55)
Lưu ý rằng lực trọng trường của trục rotor có khối lượng m được đặt theo chiều âm (-)
trên trục y. Các biến đầu vào và đầu ra là các lực hướng kính và độ chuyển dịch. Đối
với chuyển động nghiêng, các phương trình động lực học được xây dựng
phức tạp hơn rất nhiều. Các phương trình động lực học được xây dựng cho hệ thống
hai bậc tự do đã cho thấy rằng nếu trục rotor nghiêng đi một góc bằng yr / lrt thì nó sẽ
có một gia tốc góc bằng yr / lrt . Momen ngoại sinh là tổng của các thành phần momen
sinh ra từ dòng điện điều khiển và độ chuyển dịch, ví dụ như Fyr lrt và (2k x yr )lrt .
Do vậy, các phương trình vi phân cho chuyển động nghiêng được biểu diễn như
sau [6], [17], [22]:

44
y
 J k 
2k l 2

l 2
rm
x x rt
y rt
F (2.56)
r
J i
r
J i
yr
Ji
 J k
2k l 2
l 2
x rm
y  x rt
x rt
F (2.57)
J i
r
J i
r xr
Ji
Trong đó, Ji và Jk là các momen quán tính tương ứng quanh các trục x và z. Khối
yr, nằm trong đường nét đứt ở hình 2.22 dưới đây, mô hình hóa cho phương trình
chuyển động nghiêng trên trục y. Các biến đầu vào là lực và tốc độ trục x, trong khi đó
biến đầu ra là chuyển dịch vị trí theo trục y. Ở hình 2.21 thể hiện sơ đồ khối của các
biến x và y đối với chuyển vị tịnh tiến và nghiêng. Các lực hướng kính đặt lên hai rotor
của hai bộ AMB là các biến đầu vào. Các biến đầu vào này được biến đổi thành các
lực tịnh tiến và nghiêng dựa trên phương trình (2.53). Do vậy, từ các lực này, các
chuyển dịch thu được bằng cách sử dụng các phương trình (2.54 – 2.57).
Hình 2.22: Hệ thống cơ AMB bốn bậc tự do

45
mx p Fxp 2k x xp

 mga
my p Fyp 2k x y p
 2 2 (2.58)
J i xrm J k y r 2k x l rt xr
 l rt Fxr
J
i
y
rm
J x 2k l 2
y
r
 l 2
F
 k r x rt rt yr
Các chuyển dịch này được chuyển đổi sang chuyển dịch hướng kính của rotor
thông qua các phương trình trong (2.52).
Từ các phương trình trên và hình 2.22 cho thấy ổ đỡ từ 4 bậc tự do có tác động
xen kênh, vậy ta cần phải thực hiện phương pháp tách kênh để điều khiển.
2.5.3 Tách kênh động cho hệ AMB có bốn bậc tự do
Mô hình không gian trạng thái của AMB 4 bậc tự do như sau được xuất phát từ
hệ phương trình vi phân (3) và (4), biểu diễn cho các chuyển động tịnh tiến và chuyển
động nghiêng của 2 bộ AMB 4 DOF có thể thể hiện dưới dạng phương trình vi phân
ma trận tổng quát như sau:
Mq&= Gq&+ Dq + B f F (2.59)
Trong đó, M, G, D, Bf: là các ma trận hệ số của phương trình vi phân ma trận.
éJ 0 0
êi
m 0
ê0
M =
ê
ê
0 Ji
ê0
ê
0 0
ë
0
éy ù é2
ê r
ú l
ê rt
êx p ú ê0
q = ê ú ê
ê
xr
; Bf = ê
0
ú
ê ú ê
ê ú ê
ê
y
p ú 0
ë û ë
0 ù é 0 0 J w 0ù
ú ê
krm ú
0 ú ê 0 0 0 0ú
ú
;G = ê ú;
0 ú ê 0 0 ú
ú - J w 0
ê krm ú
ú ê
0 0 0
ú
m
û ë 0û
0 0 0 ù éF ù é 2 0 0 0 ù
ú ê yr ú
2 K l
ú
ê srt
ú ê ú ê
0 2 Ks 0 0
ú
100ú F = ê
F
xp ú ê ú
0
ú ; D = ;
0 l 2 ê
Fxr
ú
ê 0 02 K l 2
0 ú
rt ú ê ú ê s rt ú
0 0 1 ú ê ú ê
0 0 0 2Ks
ú
û
ê
F
yp ú
ë û
ë û
Với Fyr ; Fxp ; Fxr ; Fyp được tính theo công thức (2.53).
Từ công thức tính lực của AMB:
Fx ( x, i ) = K i ix + K s x = mx&, kết hợp với (2.53) và (2.542.55) được mối quan hệ
vector lực điện từ biểu diễn cho 2 bộ AMB:
F = - K s qb + K i i (2.60)
Trong đó,

46
é 0 0 K - K ù éx ù
ê
- K
sA
0
sB ú êbA ú
êK 0 ú êx ú
K = ê sA sB ú ê bB
ú
ê
; q =
ê
;
s K
sB 0 0 ú b ú
ê
K
sA ú ê
y
bA ú
ê
0 0
K
sA
ú ê ú
ë
K
sB û ë
y
bB û
é 0 0 K - K ù é ù
ê iB ú
i
iA ê xA
ú
ê K 0 0 ú ê ú
K
ú
i
K = ê iA iB êxB ú
ê ;i =
ê ú
i - K 0 0 ú
K
ú i
ê iA iB ê yA ú
ê 0 0 K K ú ê ú
ë û i û
iA iB
ë
êyB ú
q
b : là vector chuyển vị của rotor trong 2 bộ AMB.
i : là vector dòng điện điều khiển cho bốn cơ cấu điện từ của 2 bộ AMB.
Kết hợp các thành phần mô tả cho mô hình rotor (3.9) và phép biểu diễn lực nâng
tuyến tính hóa (3.10) ta có được phương trình vi phân ma trận của chuyển động cho
rotor cứng được nâng bởi các bộ AMB:
Mq&= Gq&+ Dq + B f (- K s qb + K i i)
(2.61)
y = Cq
Trước khi có thể thiết kế một luật điều khiển cho (3.11), một vấn đề gặp phải ở
đây liên quan đến lựa chọn hệ quy chiếu. Đối với mô tả chuyển động của hệ quy chiếu
tâm khối (Center of Gravity - COG) được biểu diễn qua vector
q
. Phép biểu diễn này
sẽ khiến cho cấu trúc toán học trong các phương trình vi phân vừa xây dựng trở nên
đơn giản hơn. Tuy nhiên, lực nâng điện từ lại liên quan đến vị trí rotor tại các ổ đỡ. Do
đó, hệ quy chiếu ổ đỡ qb được dùng để biểu diễn cho các ổ đỡ với ma trận KS .
Để có thể khảo sát được các thuộc tính của hệ thống điều khiển vòng kín được
tạo ra thì nhất thiết phải biểu diễn chuyển động của rotor chỉ trong một hệ quy chiếu.
Bằng cách sử dụng ma trận chuyển vị tuyến tính TS , ta có thể chuyển đổi hệ quy chiếu
ổ đỡ qb sang hệ quy chiếu COG. Phép biến đổi này liên quan đến các đại lượng hình
học lrt được thể hiện như trong Hình 3.5a.
é ù é 1 0 0 ù
x l
ú
êbA ú êrt
ê ú ê 1 0 0 ú
x l
ú
q = êbB ú êrt
ê
=
ê
´
b ú l
rt
ú
ê
y
bA ú ê0 0 1ú
ê ú ê l
rt
ú
ë
y
bB û ë0 0 1
û
qb = Ts ´ q
éy ù
êr ú
ê
êxr
ú
ú (2.62)
ê
êëy p
ú
úû
Do vậy, bằng cách thay (2.62) vào (2.61), ta thu được phương trình vi phân ma
trận biểu diễn thuần túy trong hệ quy chiếu q như sau:
Mq&= Gq&+ (D - B f K sTs )q + B f K i i (2.63)

Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ.doc

Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ.doc

Similar to Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ.doc (20)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ.doc