Luận án: Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp động cơ bánh đà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN DANH HUY NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH HỢP TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ- BÁNH ĐÀ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2019 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Bùi Quốc Khánh Nguyễn Danh Huy i LỜI CẢM ƠN Vượt qua một thử thách dài và khó khăn để có được kết quả này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, động viên của nhiều người.

Tôi rất biết ơn thầy hướng dẫn PGS Bùi Quốc Khánh đã tận tình hướng dẫn chuyên môn và động viên tôi hoàn thành quyển luận án. Xin trân trọng cảm ơn các thầy, các cô, các bạn đồng nghiệp tại Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp và nhiều bạn bè trong trường đã hỗ trợ, ủng hộ về mọi mặt trong quá trình nghiên cứu của tôi. Cảm ơn gia đình đã chia sẻ và tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm hoàn thành công việc nghiên cứu cũng như tất cả công việc cơ quan, xã hội. Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2019 Nguyễn Danh Huy ii MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.

vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU. vii MỞ ĐẦU .1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG. Lịch sử phát triển hệ tích lũy năng lượng dùng bánh đà. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ đỡ từ.

Phân tích nguyên lý chung hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ. Nguyên lý làm việc của bánh đà. Nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ – bánh đà. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ.

Tổng quan các phương pháp điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ-bánh đà. Định hướng nghiên cứu. Chọn cấu hình ổ từ chủ động. Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ.

Thiết kế điều khiển. Xây dựng mô hình thử nghiệm. 23 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG. Động học quá trình điện cơ của ổ từ.

Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép. Phương trình trạng thái cho một ổ từ chủ động. Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động cơ-bánh đà. Phân tích lực cho hệ ổ từ.

Động lực học của hệ ổ từ chủ động trong hệ tọa độ u, v, w. Chuyển vị điều khiển. Động lực học của bánh đà nâng bằng ổ từ trong hệ z, θx, θy. Cấu trúc chung hệ điều khiển ổ từ tích hợp trong hệ TĐ ĐC-BĐ.

Phân tích mô hình điều khiển. Đặc điểm về điều khiển:. Đặc điểm về hoạt động:. 50 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ.

Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ. Thiết kế tuyến tính hóa cho một ổ từ kép. Thiết kế điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ. Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí.

Mô phỏng điều khiển nâng theo mô hình tuyến tính của một cặp ổ từ. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mô hình tuyến tính của ổ từ. Mô phỏng hệ 3 ổ từ điều khiển tuyến tính. 72 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ – BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG.

Nguyên lý phẳng và điều khiển phẳng. Định nghĩa hệ phẳng. Thiết kế quỹ đạo đặt. Thiết kế điều khiển phẳng khi nâng cho hệ ổ từ của truyền động động cơ–bánh đà theo hệ tọa độ u, v, w.

Thiết kế điều khiển theo phương pháp tựa phẳng. Thiết kế điều khiển quá trình nâng lên vị trí cân bằng. Thiết kế điều khiển duy trì ở vùng vị trí cân bằng. Thiết kế bù nhiễu bằng bộ bù feedforward.

Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ trong hệ z, θx, θy. Điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân bằng. Duy trì bánh đà ở vị trí cân bằng. Mô phỏng điều khiển phi tuyến hệ bánh đà ổ từ.

Kết luận, đánh giá. Mô tả cấu hình thí nghiệm. Trình tự thực hiện thí nghiệm:. Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển hệ ổ từ.

Thiết lập ghép nối DSP với các tín hiệu vào/ra điều khiển động cơ truyền động bánh đà. Xây dựng giao diện thí nghiệm. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w. Giao diện thí nghiệm điều khiển theo hệ u, v, w.

Thí nghiệm và lấy kết quả của giai đoạn nâng tĩnh. Nâng tĩnh khi điều khiển theo u,v, w. Nâng tĩnh điều khiển theo z, θx, θy. Thí nghiệm khởi động và duy trì tốc độ bánh đà.

Thí nghiệm quá trình xả cho bánh đà. Thí nghiệm điều khiển phi tuyến. Xây dựng giao diện vận hành, giám sát cho phương pháp phi tuyến. Thông số thiết kế.

Thiết kế bánh đà. Thiết kế ổ từ. Tính toán lực nâng cho ổ từ. Tính toán các thông số nam châm điện.

Chọn cảm biến đo vị trí và hệ đo vị trí. Thiết kế cụm bệ đỡ bánh đà. Thiết kế khung vỏ hệ bánh đà:. Cơ cấu lắp cảm biến.

Chế tạo, lắp ráp bánh đà, nam châm và cảm biến vị trí. Lắp ráp cụm nắp dưới:. Lắp ráp cụm nắp trên:. Lắp ráp khung vỏ và cảm biến.

Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi công suất, đo lường và điều khiển cho các ổ từ. Thiết kế mạch khuyếch đại công suất. Thiết kế mạch điều khiển dòng điện. Hiệu chỉnh bộ điều chỉnh dòng điện.

150 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Ghi chú Tiếng Anh Ý nghĩa FESS Flywheel Energy Store System Hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà KERS Kinetic Energy Recovery Systems Hệ thống thu hồi năng lượng bằng động năng UPS Uninteruptible Power Supply Cấp nguồn không gián đoạn PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung MLS Magnetic Levitation System Hệ thống nâng từ DSP Digital Signal Proccessing Xử lý tín hiệu số ADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số DAC Digital to Analog Converter Chuyển đổi số sang tương tự SMC Sliding Mode Control Điều khiển chế độ trượt PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – đạo hàm DOD Depth of Discharge Độ xả sâu BBĐ Bộ biến đổi vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Fem N Lực điện từ m kg Khối lượng bánh đà g m / s2 Gia tốc trọng trường e m Khe hở không khí z m Độ lệch vị trí đọc trục B Wb / m2 Mật độ từ thông L1 , L2 H Điện cảm cuộn dây nam châm R1 , R2  Điện trở cuộn dây nam châm  Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ 0 Độ từ thẩm của môi trường chân không r Độ từ thẩm tương đối n Số vòng dây Wa Năng lượng tích trữ Ka Hệ số tỷ lệ với dòng điện Kn Hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển KP Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển KD Hệ số đạo hàm của bộ điều khiển KI Hệ số tích phân của bộ điều khiển s Toán tử Laplace A m2 Tiết diện mạch từ  Hệ số cấu tạo nam châm ổ từ Fu , Fv , Fw N Lực điện từ của các ổ từ tại các góc u , v, w zu , zv , z w m Độ lệch vị trí tại các góc bánh đà Fze N Lực điện từ dọc trục M xe , M ye Nm Mô men điện từ lật theo trục x, y x ,  y rad Góc nghiêng theo trục x, y vii Fzd N Lực nhiễu dọc trục M xd , M yd Nm Mô men nhiễu theo trục quay x, y Jx, J y, Jz N .s 2 Mô men quán tính theo các trục x, y, z r m Bán kính tác động của ổ từ lên bánh đà D m Đường kính vành ngoài bánh đà d m Đường kính vành trong bánh đà H m Chiều dày bánh đà i1u , i1v , i1w A Dòng điện các cuộn dây nam châm i2u , i2v , i2 w I0 A Dòng điện tiền từ hóa (dòng điện lệch) Tbx s Chu kỳ điều chế độ rộng xung của bộ biến đổi viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Bánh đà đã được thử nghiệm bởi USFS. Hệ bánh đà do hãng Pillar (Đức) chế tạo. Hệ thống FES dùng bánh đà của hãng Beacon Power.

Một số kiểu FESS cỡ nhỏ dùng bánh đà. Hệ thống động cơ - bánh đà với ổ từ 5 bậc tự do. Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng điển hình. Nguyên tắc cơ bản nam châm điện.

Mô hình hệ nâng vật bằng lò xo. Cấu trúc cơ bản của ổ từ chủ động. Đặc tính quan hệ lực điện từ theo dòng điện. Hệ nâng từ bằng nam châm kép (ổ từ kép).

Cấu hình hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ làm mô hình thử nghiệm. Cấu hình hệ ổ từ của mô hình thử nghiệm. Mô tả ổ từ kép với hai nam châm điện. Cấu trúc một cơ cấu ổ từ.

Phân tích lực bánh đà trong các hệ tọa độ. Tính quy đổi giữa hệ (u, v, w) và (z,  x ,  y ) về vị trí và lực. Mô tả các ổ từ tương đương trong hệ ( z ,  x ,  y ). Tương quan giữa các dòng điện i2 z , i2 x , i2 y và i2u , i2v , i2w.

Sơ đồ nguyên lý điều khiển ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động cơ -bánh đà. Cấu trúc điều khiển ổ từ trong hệ ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động cơ -bánh đà. Quan hệ giữa lực F và dòng điện i của các nam châm điện. Nguyên lý ổ từ với dòng điện tiền từ hóa.

Cấu trúc điều khiển ổ từ kép khi có dòng tiền từ hóa I0. Đặc tính F(iC) với các giá trị I0 khác nhau. Cấu trúc ổ từ tại điểm làm việc tuyến tính. Đặc tính F(y) với các giá trị I0 khác nhau khi iC=0.

Đặc tính F(iC) với I0 = 1,8A khi z thay đổi. Cấu trúc mạch vòng vị trí lân cận điểm cân bằng. Kết quả mô phỏng điều khiển ổ từ theo mô hình tuyến tính hóa.