Thạc Sĩ Nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính

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, cuôc cach mang khoa hoc kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ b, ãkohông ngưng vươn tới những đỉnh cao mơi, trong đo co nhưng thanh tưu vê ky thuât tư đông hoa san xu. âVt iệc 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

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.



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

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ Trang

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 5
được trang bị các ổ đỡ từ tính.
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
22
MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ

2.1 Mô hình toán học của bộ treo từ tính

2.1.1 Cấu trúc cơ điện và nguyên lý hoạt động của ổ từ 22

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 ta toan hoc ô đơ tư 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 điêu khiên ô đơ tư một kênh 39

KẾT LUẬN 42

CHƯƠNG 3 43

THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH

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 sô vị trí ở trạng thái ổn định và điều chỉnh hệ số khuyếch đại tích 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

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