Đồ Án HCMUTE: Mô Hình Nâng Vật Bằng Đệm Từ Trường

Đồ án nghiên cứu hcmute mô hình nâng vật bằng đệm từ trường, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Phạm Quốc Hùng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Mô Hình Nâng Vật Bằng Đệm Từ Trường
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Những ứng dụng thực tế
• 1.3. Kết luận
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Tóm tắt nội dung luận văn
• 1.6. Nhiệm vụ luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống nâng vật bằng từ trường
• 2.2. Cấu tạo của hệ thống
• 2.3. Bộ điều khiển PID
• 2.3.1. Định nghĩa
• 2.3.2. Tổng quan các phương pháp điều chỉnh thông số PID
• 2.3.3. Phương pháp Zeigler – Nichols
• 2.3.4. Phương pháp điều chế PWM (Pulse Width Modulation)
• 2.3.5. Mạch cầu H
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình nâng vật bằng đệm từ trường

Mô hình nâng vật bằng đệm từ trường là một ứng dụng quan trọng trong công nghệ hiện đại. Đệm từ trường sử dụng nguyên lý nam châm điện để tạo ra lực nâng, giúp vật thể lơ lửng mà không cần tiếp xúc vật lý. Công nghệ này đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ giao thông vận tải đến công nghiệp chế tạo. Hệ thống maglev (tàu cao tốc sử dụng đệm từ trường) là một trong những ứng dụng tiêu biểu, cho thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này. Theo nghiên cứu, HCMUTE đã có những bước tiến đáng kể trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ này, mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn.

1.1. Ứng dụng của đệm từ trường

Đệm từ trường đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Một trong những ứng dụng nổi bật là trong hệ thống tàu maglev, cho phép di chuyển với tốc độ cao mà không gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, công nghệ này còn được sử dụng trong các thiết bị như vòng bi từ tính, hệ thống treo từ tính, và trong các ứng dụng công nghiệp như tua bin gió. Những ứng dụng này không chỉ giúp giảm ma sát mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ đệm từ trường tại HCMUTE không chỉ góp phần vào sự phát triển của ngành công nghệ mà còn tạo ra những sản phẩm có giá trị cho xã hội.

II. Nguyên lý hoạt động của hệ thống nâng vật bằng từ trường

Hệ thống nâng vật bằng từ trường hoạt động dựa trên nguyên lý magnetic levitation. Nguyên lý này cho phép vật thể từ hóa hoặc nam châm vĩnh cửu lơ lửng trong không khí nhờ vào lực từ. Khi hai cực của nam châm vĩnh cửu được đặt gần nhau, nếu cùng cực thì chúng sẽ đẩy nhau, còn nếu khác cực thì sẽ hút nhau. Để tạo ra lực nâng ổn định, cần sử dụng nam châm điện có thể điều khiển được. Hệ thống này yêu cầu một bộ điều khiển phản hồi để duy trì trạng thái cân bằng. Việc áp dụng định luật Newton và các phương pháp điều khiển hiện đại như PID giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu tại HCMUTE đã chỉ ra rằng việc sử dụng cảm biến Hall để theo dõi vị trí của vật thể là rất quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống.

2.1. Cấu tạo của hệ thống

Hệ thống nâng vật bằng từ trường bao gồm ba phần chính: nam châm điện, nam châm vĩnh cửu và mạch điều khiển. Nam châm điện được sử dụng để tạo ra lực hút hoặc đẩy, trong khi nam châm vĩnh cửu giữ vai trò ổn định. Mạch điều khiển sử dụng các tín hiệu từ cảm biến để điều chỉnh dòng điện chạy qua nam châm điện, từ đó điều chỉnh lực từ. Nguyên lý điều khiển PID được áp dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển, giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng với các thay đổi. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển mới tại HCMUTE không chỉ nâng cao hiệu quả của hệ thống mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong tương lai.

III. Kết quả thực hiện và phân tích

Kết quả thực hiện mô hình nâng vật bằng đệm từ trường cho thấy tính khả thi và hiệu quả của công nghệ này. Qua các thí nghiệm, hệ thống đã chứng minh khả năng nâng vật với độ chính xác cao và ổn định. Việc so sánh giữa số liệu thực tế và lý thuyết cho thấy sự phù hợp, đồng thời chỉ ra một số điểm cần cải thiện. Các nghiên cứu tại HCMUTE đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số điều khiển có thể nâng cao hiệu suất của hệ thống. Hệ thống không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể ứng dụng trong thực tiễn, như trong các thiết bị vận chuyển hoặc trong công nghiệp chế tạo.

3.1. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển trong tương lai của mô hình nâng vật bằng đệm từ trường tại HCMUTE là rất đa dạng. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và tốc độ phản hồi của hệ thống. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo trong điều khiển hệ thống có thể mở ra nhiều cơ hội mới. Các ứng dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải, như tàu cao tốc và các thiết bị vận chuyển hàng hóa, sẽ là những lĩnh vực tiềm năng cho sự phát triển của công nghệ này. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ đệm từ trường không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đệm từ trường và những nghiên cứu trong và ngoài nước. Chương 2: Trình bày lý thuyết nguyên lí hoạt động của hệ thống nâng vật bằng từ trường. Vận dụng định luật hai Newton và phép biến đổi Laplace xác định mô hình toán học của hệ thống. Chương 3: Thiết kế và thực hiện mô phỏng trên Matlab nhằm kiểm chứng lại lý thuyết.

Chương 4: Thiết kế thực hiện phần cứng và phần mềm điều khiển. Chương 5: Kết quả thực hiện, giải thích và phân tích về kết quả thu được. So sánh số liệu thực tế với lý thuyết. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai của đề tài.

do an Luận văn tốt nghiệp Nâng vật bằng đệm từ trường Cuối cùng là phần tài liệu tham khảo. Nhiệm vụ luận văn Luận văn này trình bày về ứng dụng nâng vật bằng đệm từ trường với mục tiêu là: - Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của đệm từ trường. - Thiết kế bộ điều khiển, sử dụng Matlab mô phỏng cho hệ thống nâng vật bằng đệm từ trường. - Thiết kế một mô hình hệ thống đệm từ trường nhỏ để kiểm chứng lại lý thuyết đã tìm hiểu.

- Đánh giá ưu nhược điểm và hướng phát triển trong tương lai của hệ thống đệm từ trường. do an Luận văn tốt nghiệp Nâng vật bằng đệm từ trường Chương 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2. Hệ thống nâng vật bằng từ trường Magenetic levitation có thể hiểu là qua trình duy trì một vật thể từ hóa hay nam châm vĩnh cửu bay lơ lững trong không khí do tác động của lực từ theo phương ngược lại để cân bằng với trọng lực của vật thể. Như ta đã biết khi đặt hai cực của nam châm vĩnh cửu lại gần với nhau nếu cùng cực tính thì chúng sẽ đẩy nhau và khác cực tính thì chúng sẽ hút nhau.

Từ hiện tượng đó ta thay một nam châm vĩnh cửu bằng một nam châm điện còn nam châm vĩnh cửu kia thì vẫn giữ nguyên. Nam châm điện ta có thể điều khiển được lục hút của nó bằng cách thay đổi cường độ dòng điện và đổi chiều dòng điện để giữ cho nam châm vĩnh cửu kia bay lơ lững giống như hình bên dưới.1 Mô hình đệm từ trường đơn Dựa vào hiện tượng này, một giả định được đưa ra cho rằng các lực này có thể làm cho vật thể bay lên được. Nhưng năm 1842, Samuel Earnshaw đã nguyên cứu hiện tượng này và đã chứng minh không thể nâng một vật khi kết hợp nam châm vĩnh cửu với nhau. Từ nguyên cứu này, Earnshaw đã đưa ra một định lí mang tên ông: Định lí Earnshaw là một định lí trong điện động lực học cổ điển, nói về trạng thái cân bằng không bền của các điện tích điểm hoặc các lưỡng cực từ trong điện trường hoặc từ trường không đổi.

Năm 1930, Holmes đã thay nam châm vĩnh cửu bằng nam châm điện và sử dụng một hệ thống có thể thay đổi lực từ để bù đắp cho trọng lượngvà ông do an Luận văn tốt nghiệp Nâng vật bằng đệm từ trường đã đạt được cân bằng ổn định. Holmes đã sử dụng lí thuyết điều khiển phản hồi và đã đạt được mục tiêu này, ông đã nâng trục của một cánh quạt có trọng lượng 6g.2 Thí nghiệm của Holmes Từ các nguyên cứu của Holmes, các phương pháp được sử dụng để điều khiển Magnetic Levitation ngày càng được cải thiện. Kể từ đó, Magnetic Levitation đã trở thành thu hút các nguyên cứu và phát triển công nghệ. Các kỹ thuật và phương pháp điều khiển magnetic levitation khác nhau lần lượt được phát triển và chia làm hai loại đó là: bay lên bởi lực đẩy và bay lên bởi lực hút.

Một kĩ thuật cao hơn đó là bay lên siêu dẫn dựa trên hiệu ứng meissner. Bay lên bởi lực đẩy, phương pháp này còn được gọi là bay lên điện động. Người ta sử dụng cuộn dây để tạo ra một từ trường có xu hướng chống lại các trường được tạo ra xung quanh. Sự tương tác này tạo ra mọt lực đẩy có thể làm đối tượng bay lên lơ lững.3 Bay lên bởi lực đẩy do an Luận văn tốt nghiệp Nâng vật bằng đệm từ trường Bay lên bởi lực hút, phương pháp này làm cho vật thể được treo lơ lững bởi lực hấp dẫn hay lực hút của nam châm điện.

Lực hấp dẫn này có chức năng giữ cân bằng với trọng lực của vật thể để cho vật thể được giữ cân bằng.4 Bay lên bởi lực hút Tuy nhiên trạng thái cân bằng này không thể ổn định, nên muốn cho hệ thống ổn định ta cần phải có một hệ thống điều khiển phản hồi. Do đó ta cần phải có cảm biến để biết được vị trí của vật thể giúp kiểm soát chính xác hơn. Em cũng đang sử dụng phương pháp này để làm thí nghiệm. Siêu dẫn levitation, đay là phương pháp được nguyên cứu ở các nước phát triển trên thế giới như Nhật Bản, Trung Quốc, Brazil… Phương pháp này dựa trên việc loại trừ các từ trường bên trong.

Siêu dẫn chỉ có được ở những vật liệu có nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ. Mục đích của việc nguyên cứu này là để phục vụ cho tàu điện ngầm. do an Luận văn tốt nghiệp Nâng vật bằng đệm từ trường Hình 2.5 Siêu dẫn levitation 2. Cấu tạo của hệ thống Hệ thống maglev được em đề cập trong luận văn này theo nguyên tắc levitation hút.

Mục đích là bù đắp cho cân bằng với trọng lượng của vật thể sắt từ bằng cách thay đổi lực hút của nam châm điện thông qua việc thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây. Hệ thống này muốn ổn định cần phải có hệ thống điều khiển phản hồi. Điều này dựa trên dữ liệu đầu ra của cảm biến Hall. Cảm biến hall sẽ cảm nhận được từ trường và từ đó ta suy ra vị trí của vật thề.

Dựa trên nguyên tắc này hệ thống gồm có ba phần cơ bản sau: a. Nam châm điện, và nam châm vĩnh cửu. Mạch điều khiển. do an Luận văn tốt nghiệp Nâng vật bằng đệm từ trường Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống Nguyên lí hoạt động: Việc kiểm soát xử lí các tín hiệu điều khiển PWM được gửi đến các mạch cầu H.

Mạch này được cách li với mạch điều khiển vì li do an toàn các tín hiệu đầu ra. Ở đây em sử dụng nguyên lí điều khiển PID. Đầu tiên mạch điều khiển sẽ phát ra một tín hiệu dạng xung để điều khiển cuộn dây. Sau đó cảm biến sẽ cảm nhận từ trường sinh ra giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu rồi gửi tín hiệu ở dạng điện áp về cho vi điều khiển.

Vi điều khiển sẽ so sánh với giá trị tham chiếu ban đầu để tìm ra sai số e. Sau đó tiếp tục điều khiển theo sai số e. Hệ thống lặp lại tuần hoàn cho tới khi sai số e gần với hệ thống nhất. do an Luận văn tốt nghiệp Nâng vật bằng đệm từ trường 2.

Bộ điều khiển PID 2. Định nghĩa Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.

Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số.

Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ do an Luận văn tốt nghiệp Nâng vật bằng đệm từ trường vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống.

Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống. Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết.

Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn. Phần này chỉ mô tả dạng song song hoặc không tương tác của bộ điều khiển PID. Xin xem thêm "Alternative nomenclature and PID forms" cho những dạng khác. Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV).

Ta có: 𝑀𝑉 (𝑡 ) = 𝑃𝑜𝑢𝑡 + 𝐼𝑜𝑢𝑡 + 𝐷𝑜𝑢𝑡 trong đó: 𝑃𝑜𝑢𝑡 , 𝐼𝑜𝑢𝑡 và 𝐷𝑜𝑢𝑡 là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác định như dưới đây. Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID.