Luận án tiến sĩ về điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Dương Quốc Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Xuân Minh
• Trường học: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền động với động cơ đồng bộ từ thông dọc trục
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB TỪ THÔNG DỌC TRỤC CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ
• 1.1. Mở đầu
• 1.2. Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục
• 1.3. Các kiểu máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu
• 1.3.1. Các cấu hình cơ bản của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục
• 1.3.2. Lựa chọn cấu hình động cơ đồng bộ từ thông dọc trục
• 1.3.3. Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ
• 1.3.4. Mô hình ĐC thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục ĐC
• 1.3.5. Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục
• 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.5. Định hướng nghiên cứu của luận án
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NCVC TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ DỌC TRỤC
• 2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu
• 2.2. Nguyên lý làm việc động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC
• 2.3. Mô hình toán học của động cơ từ thông dọc trục kích từ NCVC
• 2.4. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục tích hợp chức năng ổ từ dọc trục trên hệ tọa độ đồng bộ từ thông
• 2.5. Tính toán lực hút dọc trục
• 2.5.1. Xác định lực dọc trục của ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu
• 2.5.2. Mô hình toán học của ĐC AFPM
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC
• 3.1. Cấu trúc điều khiển vectơ động cơ AFPM
• 3.1.1. Cấu trúc điều khiển tổng quát
• 3.1.2. Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp kinh điển
• 3.1.3. Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp Backstepping-SMC
• 3.2. Các kết quả mô phỏng
• 3.2.1. Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài PID, mạch vòng dòng điện PID
• 3.2.2. Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Hệ thống thí nghiệm
• 4.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.2.1. Động cơ chạy với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức n=1500 vòng/phút
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống truyền động sử dụng động cơ điện (ĐC) xoay chiều đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, vấn đề bảo trì và thay thế các vòng bi cơ vẫn là một thách thức lớn. Đặc biệt trong các môi trường khắc nghiệt, việc sử dụng động cơ đồng bộ (ĐCĐB) không tiếp xúc là một giải pháp khả thi. Hệ thống này không chỉ giúp giảm thiểu hao mòn mà còn nâng cao hiệu suất làm việc. Các ứng dụng chính bao gồm máy nén cao tốc và các thiết bị trong ngành công nghệ sạch. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ động cơ này là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các lĩnh vực như y tế, quốc phòng và công nghiệp vũ trụ.

II. Đối tượng phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục. Luận án tập trung vào việc thiết kế điều khiển cho ĐC nhằm sinh ra mô men quay và lực dọc trục mà không cần bổ sung ổ đỡ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc xây dựng mô hình toán học cho ĐC và thiết kế các bộ điều khiển. Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, sử dụng các phần mềm mô phỏng để đảm bảo chất lượng điều khiển. Các kết quả đạt được sẽ chứng minh tính khả thi của hệ thống truyền động không tiếp xúc này.

III. Những đóng góp mới ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đã đóng góp nhiều điểm mới trong nghiên cứu điều khiển động cơ. Việc xây dựng mô hình toán học cho động cơ AFPM và tính lực tác dụng dọc trục là một trong những thành tựu quan trọng. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ bằng phương pháp Lyapunov và Backstepping đã chứng minh hiệu quả trong việc điều khiển hệ thống. Ý nghĩa khoa học của luận án không chỉ nằm ở việc phát triển công nghệ mới mà còn trong việc ứng dụng vào các lĩnh vực như bơm hóa chất và thiết bị y tế. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong các hệ thống có tốc độ cao và siêu cao, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

IV. Bố cục của luận án

Luận án được cấu trúc thành bốn chương chính. Chương 1 tổng quan về động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ. Chương 2 mô hình hóa động cơ này, bao gồm cấu tạo và nguyên lý làm việc. Chương 3 tập trung vào việc điều khiển động cơ, với các phương pháp điều khiển hiện đại. Cuối cùng, chương 4 trình bày hệ thống thí nghiệm và kết quả thực nghiệm, từ đó rút ra những kết luận và kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục nâng trục quay theo hướng x, y, còn một ổ từ dọc trục dùng để chặn chuyển động theo hướng z của rotor ĐC, ĐC điện có vai trò tạo ra chuyển động quay . Kết quả là ĐC điện sử dụng ổ từ thì trục của nó có 6 bậc tự do. Sơ đồ nguyên lý của ổ đỡ từ chủ động (AMB) hướng tâm (hình 1.7a) và ổ đỡ từ dọc trục (hình 1.7b) là loại có thể điều chỉnh được lực điện từ bằng dòng điện, nó có cấu tạo giống ĐC 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 [15,50,91].7 Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB): hướng tâm (a), dọc trục (b).5 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục Các nghiên cứu gần đây đang tập trung vào việc giảm kích thước và giá thành cho ĐC có sử dụng ổ từ thông qua việc tích hợp chức năng của ổ từ vào ĐC. Thành công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A.

Chiba tại đại học Tokyo – Nhật Bản. Bằng cách tích hợp chức năng của ổ từ hướng tâm vào ĐC điện, kích thước của ĐC điện dùng ổ từ đã được giảm đáng kể (giảm khoảng 25%) tuy nhiên cấu trúc của ĐC phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ học (cuộn dây ổ từ được quấn cạnh cuộn dây ĐC) và số bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng cho ĐC vẫn giữ nguyên. Do đó giá thành của ĐC kiểu này vẫn cao. Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ từ dọc trục vào ĐC [91] (Hình 1.

Thông qua phương pháp điều khiển mới, ĐC có thêm chức năng sinh ra lực đẩy kéo dọc trục mà không cần bổ xung thêm dây quấn phụ. Bằng cách này phần cứng của ổ từ dọc trục được loại bỏ hoàn toàn, kết quả là kích thước và giá thành của ĐC điện dùng ổ từ sẽ suy giảm đáng kể. 13 luan an Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục Hình 1.8 Mặt cắt ĐC AFPM có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục 1: Trục; 2, 3: Stator của ĐC phải và ĐC trái; 4: Rotor của ĐC; 5,6: Rotor của AMB trái và AMB phải; 7,8: Stator và dây quấn của AMB trái và AMB phải; z0, g0: Khe hở danh định giữa rotor và stator của ĐC và AMB.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Các hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC điện có tích hợp chức năng ổ đỡ từ như máy bơm, tuốc bin khí, máy nén khí, máy công cụ,… sẽ có hiệu suất cao do ít tổn hao. Chính vì vậy, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả trong hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW với tốc độ quay là 12.000 vòng/phút sử dụng ĐC điện dùng ổ đỡ từ được thay thế cho ĐC sử dụng ổ thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700.

Với ưu điểm này, ĐC điện có chức năng tích hợp ổ đỡ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học (bơm hóa chất [80]), công nghệ y sinh học (bơm máu trong tim nhân tạo [86,110]). Một hướng nghiên cứu nữa cũng đang được quan tâm là sử dụng ĐC điện với chức năng tích hợp với ổ đỡ từ làm việc trong môi trường sạch tuyệt đối, môi trường khắc nghiệt (chân không, có nhiệt độ rất cao và rất thấp,. Trong thực tế, các hệ truyền động điện sử dụng ĐC có tích hợp chức năng ổ từ, đã làm việc trong môi trường chân không không cần chất bôi trơn ổ trục, làm việc trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng: -1760C [71]) hoặc rất nóng (5500C [90]). Việc giảm kích thước và giá thành cho hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC điện có chức năng tích hợp ổ đỡ từ là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm.

Thành công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A. Chiba tại 14 luan an Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục Đại học Tokyo – Nhật Bản [15]. Bằng cách tích hợp chức năng của ổ đỡ từ hướng tâm vào ĐC điện, kích thước của ĐC điện dùng ổ đỡ từ đã được giảm đáng kể (giảm khoảng 25%) tuy nhiên, cấu trúc của ĐC phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ khí (cuộn dây ổ đỡ từ được quấn cạnh cuộn dây ĐC) và số bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng cho ĐC vẫn giữ nguyên. Do đó giá thành của ĐC kiểu này vẫn cao.

Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ đỡ từ dọc trục vào ĐC [91]. Thông qua phương pháp điều khiển mới và với cấu tạo đặc biệt, ĐC có thêm chức năng sinh ra lực nâng dọc trục mà không cần bổ sung thêm dây quấn phụ. Bằng cách này, phần cứng của ổ đỡ từ dọc trục được loại bỏ hoàn toàn, kết quả là kích thước và giá thành của ĐC điện dùng ổ đỡ từ sẽ giảm được đáng kể. Tuy nhiên, những nghiên cứu này mới chỉ thành công trong thí nghiệm hai bậc tự do (chuyển động quay và dịch chuyển theo trục z) với các bộ điều khiển PID khi các chuyển động ngang trục của ĐC bị chặn.

Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồng bộ ĐC điện dùng ổ đỡ từ theo một khối thống nhất sẽ thành công trong việc giảm kích thước và giá thành, góp phần nhanh chóng đưa ĐC điện dùng ổ đỡ từ vào ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Mặc dù, khái niệm về hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC (nhất là loại ĐC điện ĐB AFPM) có tích hợp chức năng 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. Trong đó nổi bật là hai trung tâm nghiên cứu về ổ đỡ từ và ĐC điện dùng ổ đỡ từ thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên. Tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật điều khiển và từ động hóa, bộ môn Tự động hóa XNCN của Viện Điện, thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản, mô hình ĐC 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 ĐC, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới về Kỹ thuật điện. Thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu sinh tại bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên với các Giáo sư ở trường đại học Curtin (Curtin University - Australia), 15 luan an Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục các thuật toán điều khiển nâng cao cho ổ đỡ từ đã được nghiên cứu.

Bước đầu đã có một số công trình nghiên cứu về điều khiển ổ đỡ từ chủ động hướng tâm, được đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành và các hội thảo toàn quốc về tự động hóa. Các nghiên cứu về điều khiển ĐCĐB AFPM có tích hợp chức năng ổ đỡ từ mới đang bắt đầu được tiến hành.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1) Nghiên cứu về tối ưu hóa thiết kế ĐC AFPM Các nghiên cứu về tối ưu hóa thiết kế cho máy điện AFPM tập trung vào việc hiệu chỉnh hình dạng thông qua lựa chọn các tham số hình học, các phương pháp xác định hoặc các phương pháp tính toán mềm. Aydin et al. [76] đã phát triển các máy điện AFPM có kích thước tối ưu cho cả cấu trúc liên kết SSDR và DSSR, nhưng chỉ có hai tham số (tỷ số đường kính và mật độ từ thông ở khe hở không khí) được xem như là các biến tối ưu và việc tối ưu hóa được thực hiện thông qua hiệu chỉnh hình dạng.

Trong tất cả các phương pháp hiệu chỉnh hình dạng, có nhiều lựa chọn trong số các tham số đặc tính và các phương pháp này không thể áp dụng được cho các bài toán tối ưu đa mục tiêu. Trong một số nghiên cứu, giá trị tối ưu của tỷ số đường kính trong và đường kính ngoài λ  0.58 được chọn nhằm có được công suất đầu ra cực đại trong máy điện AFPM [105]. Các phương pháp tính toán mềm được đề xuất như là một giải pháp cho các bài toán tối ưu đa mục tiêu do có các hệ thống máy tính hiệu quả cao và các thuật toán mới, tính toán nhanh. Các kỹ thuật tối ưu hóa tiêu chuẩn gồm có phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên, phương pháp Hook và Jeeves, phương pháp Powell và thuật toán Gen (GA) [22].

Phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên mất nhiều thời gian để hội tụ và hoàn toàn phụ thuộc vào điểm bắt đầu, trong khi phương pháp Hook và Jeeves chậm hơn nhưng chính xac hơn [100]. Phương pháp Powell nhanh chóng đạt được lời giải tối ưu nhưng không bền vững khi đối diện với các bài toán phức tạp hơn hoặc khi giá trị cực tiểu toàn cục bị ẩn trong nhiều giá trị cực tiểu cục bộ. Trong [83] đã đưa ra một thiết kế tối ưu hóa bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) động cơ AFPM được tạo ra có số lượng cuộn dây ít hơn, chiều cao răng thấp hơn, và tỷ lệ đường kính thấp hơn để hạn chế tổn thất đồng. 2) Nghiên cứu về vật liệu, cấu tạo và chế tạo ĐC AFPM Một số lượng đáng kể các nghiên cứu gần đây liên quan đến khía cạnh vật liệu, cấu tạo và chế tạo ĐC AFPM.

16 luan an Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục - Các nghiên cứu về vật liệu chế tạo ĐC AFPM: Nhu cầu về các máy điện trọng lượng nhỏ, giảm tổn thất và tăng mật độ công suất đã dẫn đến những nghiên cứu toàn diện về các ứng dụng của các vật liệu mới trong cấu tạo của máy điện AFPM. Việc sử dụng vật liệu từ vô định hình AMM, vật liệu tổng hợp từ mềm SMC, thép định hướng hạt, polime tích điện, chất siêu dẫn, vật liệu siêu tĩnh và nhựa trong cấu tạo của máy điện AFPM đã được đánh giá trong các bài báo gần đây. Masson et al. [87] đề xuất một ĐC từ thông dọc trục siêu dẫn nhiệt độ cao HTC cho hệ thống đẩy của máy bay.