Luận án: Thiết kế hệ điều khiển ổ từ dọc trục - ĐH Bách Khoa

Ổ từ trường tạo lực đỡ bằng điện từ. Hệ thống gồm nam châm điện, rotor và cảm biến vị trí. Cảm biến đo khoảng cách rotor liên tục. Tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển điều chỉnh dòng điện. Dòng điện thay đổi tạo lực từ cân bằng rotor. Quá trình này diễn ra với tốc độ millisecond. Không có tiếp xúc vật lý giữa các bộ phận. Điều này loại bỏ mài mòn và cần bôi trơn.

AMB ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Turbin khí tốc độ cao sử dụng ổ từ để giảm tổn hao. Máy nén ly tâm đạt hiệu suất cao hơn với magnetic bearing. Thiết bị y tế như máy bơm tim nhân tạo cần độ tin cậy tuyệt đối. Công nghệ vũ trụ sử dụng AMB trong bánh đà quán tính. Ngành năng lượng tái tạo áp dụng cho turbine gió. Lợi ích chính là tuổi thọ cao và bảo trì thấp.

Dòng xoáy là hiện tượng không mong muốn trong ổ từ. Từ trường biến thiên cảm ứng dòng điện trong rotor kim loại. Dòng này tạo từ trường ngược chiều gây suy giảm lực đỡ. Eddy current làm tăng nhiệt độ vận hành. Hiệu suất hệ thống giảm do tổn hao năng lượng. Đáp ứng động học bị chậm lại. Thiết kế điều khiển phải bù trừ ảnh hưởng này. Mô hình toán học chính xác là yêu cầu quan trọng.

Cực từ hình E là thiết kế phổ biến trong ổ từ dọc trục. Cấu trúc gồm lõi thép silicon hình chữ E. Cuộn dây quấn quanh nhánh giữa tạo từ thông. Hai khe hở không khí ở hai bên tạo lực hút. Thiết kế đối xứng cân bằng lực từ hai phía. Ba cặp cực từ bố trí đều quanh trục quay. Góc lệch 120 độ giữa các cặp cực. Cấu hình này tạo lực đỡ ổn định theo mọi hướng.

Phương trình Newton mô tả chuyển động rotor theo trục dọc. Lực từ tổng hợp từ ba cặp cực cân bằng trọng lực. Dòng xoáy tạo thành phần lực trễ pha với dòng điều khiển. Hằng số thời gian dòng xoáy thường từ 1-10ms. Phương trình vi phân bậc nhất mô tả động học dòng điện. Hệ số tắt dần phụ thuộc độ dẫn điện vật liệu. Mô hình trở thành hệ phi tuyến bậc cao. Phương pháp không gian trạng thái biểu diễn hệ thống.

Lực từ có quan hệ phi tuyến với dòng điện và khe hở. Phương pháp chuỗi Taylor tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng. Hệ số độ cứng từ và hệ số lực điều khiển được xác định. Thực nghiệm nhận dạng tham số dòng xoáy. Phương pháp bình phương tối thiểu ước lượng hằng số thời gian. So sánh đáp ứng tần số mô hình và thực tế. Sai số nhận dạng dưới 5% trong dải tần làm việc. Mô hình tuyến tính đủ chính xác cho thiết kế điều khiển.

Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần tỷ lệ, tích phân và vi phân. Thành phần P phản ứng với sai số hiện tại. Thành phần I loại bỏ sai số xác lập. Thành phần D cải thiện đáp ứng động. Tuy nhiên, PID không xử lý trễ pha do dòng xoáy. Biên độ ổn định phải giảm để tránh dao động. Thời gian xác lập dài hơn mong muốn. Hiệu suất hạn chế ở tốc độ cao.

Backstepping là kỹ thuật điều khiển phi tuyến đệ quy. Phương pháp chia hệ thành các hệ con bậc thấp. Hàm Lyapunov đảm bảo ổn định từng bước. Luật điều khiển tổng hợp từ các bước lùi. Backstepping xử lý tốt phi tuyến và bất định. Bù trừ trực tiếp ảnh hưởng dòng xoáy trong luật điều khiển. Đáp ứng nhanh với độ vọt lố thấp. Sai số theo궤 đạo giảm đáng kể.

Đạo hàm bậc phân số mở rộng khái niệm đạo hàm cổ điển. Bậc đạo hàm có thể là số thực không nguyên. Bộ điều khiển PD^α có hiệu suất tốt hơn PD thông thường. Tham số α điều chỉnh giữa tỷ lệ và vi phân. Phương pháp này tăng bậc tự do thiết kế. Đáp ứng tần số linh hoạt hơn. Ứng dụng cho hệ có trễ pha như ổ từ có dòng xoáy. Tối ưu hóa α cải thiện chất lượng điều khiển 25%.

Điều khiển trượt dựa trên lý thuyết cấu trúc biến đổi. Mặt trượt là siêu phẳng trong không gian trạng thái. Khi궤 đạo đạt mặt trượt, hệ có động học mong muốn. Luật điều khiển gồm hai thành phần chính. Thành phần tương đương duy trì chế độ trượt. Thành phần chuyển mạch đẩy궤 đạo về mặt trượt. Hàm sign tạo tín hiệu chuyển mạch tần số cao. Độ bền vững phụ thuộc độ dốc mặt trượt.

ESO ước lượng trạng thái và nhiễu tổng hợp. Nhiễu tổng hợp bao gồm bất định mô hình và nhiễu ngoài. FO ESO sử dụng đạo hàm bậc phân số nâng cao hiệu suất. Băng thông quan sát điều chỉnh độ nhanh ước lượng. Sai số ước lượng hội tụ về không theo thời gian. Thông tin nhiễu dùng để bù trừ trong luật điều khiển. Kết hợp ESO và điều khiển trượt tạo hệ bền vững. Không cần biết chính xác tham số dòng xoáy.

Chattering là dao động tần số cao không mong muốn. Nguyên nhân từ chuyển mạch không liên tục. Ảnh hưởng xấu đến cơ cấu chấp hành và cảm biến. Hàm bão hòa thay thế hàm sign giảm chattering. Lớp biên mỏng quanh mặt trượt làm mềm điều khiển. Tuy nhiên, sai số xác lập tăng nhẹ. Bù trừ nhiễu từ ESO giảm độ lớn chuyển mạch. Kết hợp hai kỹ thuật đạt cân bằng tối ưu. Chattering giảm 70% so với điều khiển trượt thuần túy.

Cơ cấu chấp hành gồm ba cặp cực từ bố trí 120 độ. Lõi thép silicon dày 0.5mm giảm tổn hao dòng xoáy. Cuộn dây 200 vòng dây đồng đường kính 1mm. Điện trở cuộn dây 2.8Ω, độ tự cảm 15mH. Rotor gắn trên trục thép không gỉ đường kính 20mm. Khối lượng rotor 1.2kg tạo tải trọng thực tế. Cảm biến khe hở gắn đối diện mỗi cặp cực. Khung đỡ bằng nhôm đảm bảo độ cứng vững cao.

Card DS1104 của dSPACE là bộ xử lý trung tâm. CPU PowerPC 603e tốc độ 250MHz. ADC 16-bit, 4 kênh song song lấy mẫu 1μs. DAC 16-bit, 8 kênh xuất tín hiệu điều khiển. Chu kỳ điều khiển 100μs đáp ứng yêu cầu thời gian thực. Giao tiếp với máy tính qua cổng PCI. ControlDesk hiển thị đáp ứng thời gian thực. Lưu trữ dữ liệu để phân tích sau.

Thử nghiệm ba phương pháp điều khiển: PID, Backstepping và SMC-ESO. Sai số vị trí xác lập với PID: ±15μm. Backstepping giảm xuống ±9μm. SMC-ESO đạt ±6μm cao nhất. Thời gian xác lập giảm từ 0.8s xuống 0.3s. Khả năng chống nhiễu tăng 60% với SMC-ESO. Chattering kiểm soát dưới ngưỡng cho phép. Kết quả khớp 92% với mô phỏng. Hệ thống hoạt động ổn định liên tục 100 giờ.

Mô hình toán học tích hợp dòng xoáy cho ba cặp cực từ. Phương pháp nhận dạng tham số dòng xoáy từ thực nghiệm. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping bậc phân số. Chứng minh ổn định Lyapunov cho hệ bậc phân số. Bộ quan sát FO ESO ước lượng nhiễu tổng hợp. Kết hợp SMC và ESO giảm chattering hiệu quả. Các kết quả được công bố tạp chí uy tín quốc tế.

Hệ thống thực nghiệm là nền tảng đào tạo và nghiên cứu. Phương pháp thiết kế áp dụng cho ổ từ công nghiệp. Giảm chi phí bảo trì máy móc tốc độ cao. Tăng tuổi thọ thiết bị trong môi trường khắc nghiệt. Công nghệ chuyển giao cho doanh nghiệp sản xuất. Đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao. Góp phần phát triển công nghiệp hỗ trợ Việt Nam.

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển ổ từ. Mạng nơ-ron học ảnh hưởng dòng xoáy thời gian thực. Điều khiển dự báo MPC cho궤 đạo phức tạp. Tối ưu hóa đa mục tiêu: hiệu suất và tiêu thụ năng lượng. Nghiên cứu vật liệu mới giảm dòng xoáy. Phát triển cảm biến quang học độ phân giải nano. Tích hợp ổ từ vào hệ thống năng lượng tái tạo.