Tiến Sĩ Cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2013

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix
LỜI CẢM ƠN xii
MỞ ĐẦU 1
1 Khái quát chung 1
2 Tính cấp thiết của đề tài 2
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4 Phương pháp nghiên cứu 3
5 Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết
và triển vọng về kết quả đạt được 3
6 Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài 3
7 Bố cục của luận án 4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 5
1.1 Khái niệm về ổ trục và ổ đỡ trục 5
1.1.1 Ổ trục 6
1.1.2 Ổ đỡ từ 7
1.2 Luận giải, định hướng nghiên cứu của đề tài 12
1.2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 12
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 13
1.2.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 14
1.3 Kết luận chương 1 16
Chương 2.
MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG 17
2.1 Giới thiệu chung 17
2.2 Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường 18
iii
2.2.1 Mật độ từ thông của mạch từ 19
2.2.2 Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ 19
2.2.3 Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép 21
2.2.4 Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép 22
2.2.5 Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB 22
2.3 Xây dựng mô hình toán học của hệ nâng bằng từ trường dùng ổ đỡ
từ 4 cực 23
2.3.1 Các dạng cấu trúc của ổ từ hiện nay và hướng nghiên cứu 23
2.3.2 Cấu trúc của hệ nâng từ trườngAMB 4 bậc tự do (DOF) 24
2.3.3 Xây dựng mô hình toán học 26
2.3.4 Các đặc tính động học của ổ đỡ từ bốn bậc tự do 31
2.4 Mô hình tuyến tính hóa xung qanh điểm làm việc 33
2.5 Mô hình tổng quát của hệ AMB 4 DOF dưới dạng Euler –
Lagrange 35
2.5.1 Giới thiệu về hệ Euler – Lagrange 35
2.5.2 Mô hình tổng quát của hệ AMB 4 DOF dưới dạng Euler –Lagrange

2.6 Kết luận chương 2 42

Chương 3 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 BẬC TỰ DO

3.1 Đặt vấn đề 43
3.1.1 Hiện tượng trễ 43
3.1.2 Sự lệch trục của lực hướng tâm 43
3.1.3 Sự rung động do tính không cân bằng cơ học trong hệ thống quay 43
3.2 Xây dựng hệ điều khiển sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung
quanh điểm làm việc.
44
3.2.1 Xây dựng hệ điều khiển 44
3.2.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab-Simulink 51
3.3 Cải thiện chất lượng điều khiển ổ từ tích cực (AMB) bằng PD bù
trọng trường
57
iv
3.3.1 Xây dựng hệ điều khiển 59
3.3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ AMB 61
3.4 Đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PD
bù trọng trường theo tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch 68
3.6 Kết luận Chương3 69

Chương 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
4.1 Giới thiệu cấu hình thí nghiệm 70
4.2 Kết quả thí nghiệm 81
4.3 Kết luận chương 4 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90
1 Kết luận 90
2 Kiến nghị 91
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

MỞ ĐẦU
1. Khái quát chung
Trong các hệ điều khiển chuyển động, các ổ trục giúp cho các trục có thể thực hiện chuyển động quay hoặc tịnh tiến một cách dễ dàng nhờ giảm thiểu được ma sát. Thực tế ổ trục rất đa dạng, nhưng có thể chia làm hai loại là có tiếp xúc và không có tiếp xúc. Loại có tiếp xúc thường gặp là các loại vòng bi cơ khí, ổ trượt cơ khí , ngoài chức năng đỡ cho các trục chuyển động quay hoặc tịnh tiến thì nó còn có chức năng chặn chuyển động theo chiều dọc trục. Loại không có tiếp xúc đó là các loại ổ bi từ (giọi tắt là ổ đỡ từ, sử dụng lực nâng của từ trường để trục hoặc bộ phận chuyển động thực hiện chuyển động quay hay tịnh tiến mà không có tiếp xúc giữa phần tĩnh và phần động), ổ đỡ từ chỉ có chức năng đỡ trục (ổ đỡ từ hướng tâm), muốn thêm chức năng chặn thì phải kết hợp thêm một loại ổ đỡ từ dọc trục. Do không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cho nên các ổ đỡ từ đã có ứng dụng quan trọng và hiệu quả trong các thiết bị máy có trục quay với tốc độ cao (từ 5.000 v/ph đến trên 10.000 v/ph), đòi hỏi độ chính xác lớn, làm việc trong các môi trường không dùng được chất bôi trơn (nhiệt độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp). Nghiên cứu về ổ đỡ từ hiện nay đang tập trung chủ yếu vào bốn hướng như sau: (1). Nghiên cứu ứng dụng ổ đỡ từ trong các máy công nghiệp và dụng cụ y sinh
học.
(2). Nghiên cứu thu gọn kích thước của ổ đỡ từ.
(3). Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt như chân không, nhiệt
độ, áp suất rất cao hoặc rất thấp,
(4). Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại cho ổ đỡ từ.
Nội dung luận án này sẽ định hướng nghiên cứu theo hướng thứ 4.
Đề tài nghiên cứu bao gồm các nội dung chính như sau:
1. Nghiên cứu tổng quan về ổ đỡ từ và ứng dụng của nó trong công nghiệp và các lĩnh vực liên quan.
2. Mô tả toán học ổ đỡ từ cho trục quay với tốc độ cao.
3. Thiết kế bộ điều khiển tách kênh phi tuyến cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do.
4. Tiến hành nghiên cứu mô hình ổ đỡ từ bốn bậc tự do bằng mô phỏng và thực nghiệm.