Điều khiển vị trí dọc trục và tốc độ cho ổ từ dọc trục – động cơ bằng phương pháp điều khiển trượt

Bài viết tập trung thiết kế và tính toán bộ điều khiển vị trí dọc trục và bộ điều khiển tốc độ cho đối tượng thuộc nhóm động cơ ổ từ tự nâng. Khi động cơ làm việc, rotor vừa chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vừa thực hiện chuyển động quay.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển vị trí dọc trục và tốc độ cho ổ từ dọc trục – động cơ bằng phương pháp điều khiển trượt Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DỌC TRỤC VÀ TỐC ĐỘ CHO Ổ TỪ DỌC TRỤC – ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Ngô Mạnh Tùng1,2*, Phạm Quang Đăng2, Nguyễn Huy Phương2 Tóm tắt: Bài báo tập trung thiết kế và tính toán bộ điều khiển vị trí dọc trục và bộ điều khiển tốc độ cho đối tượng thuộc nhóm động cơ ổ từ tự nâng. Khi động cơ làm việc, rotor vừa chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vừa thực hiện chuyển động quay. Khi đó, hệ truyền động xuất hiện thông số bất định do khe hở giữa rotor và stator thay đổi. Từ đó, phương pháp điều khiển trượt được đề xuất nhằm tăng sự bền vững cho các bộ điều khiển. Để kiểm chứng khả năng làm việc của toàn hệ truyền động, một cấu trúc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab- Simulink. Kết quả cho thấy, hệ làm việc ổn định với các đáp ứng của vị trí và tốc độ bám theo giá trị đặt mong muốn. Từ khóa: Động cơ ổ từ tự nâng; Điều khiển vector; Từ trường dọc trục; Điều khiển trượt. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, động cơ ổ từ dần được ứng dụng để thay thế cho các động cơ ổ bi thông thường, nhất là trong một số môi trường làm việc đặc biệt. Động cơ dùng ổ bi cơ khí có kết cấu vững chắc nhưng vẫn tồn tại nhiều nhược điểm. Để khắc phục những hạn chế của ổ bi thông thường, động cơ ổ từ được thiết kế sử dụng lực từ trường để nâng trục động cơ và loại bỏ sự tiếp xúc vật lý. Khi đó, động cơ có thể làm việc ở dải tốc độ cao hơn khi sự ma sát và mài mòn cơ khí gần như là không đáng kể. Hệ thống ổ từ như vậy bao gồm hai hệ điều khiển: hệ điều khiển thứ nhất tạo ra lực từ nâng trục động cơ theo phương thẳng đứng vuông góc với trục động cơ, hệ điều khiển thứ hai kiểm soát chuyển động quay và cố định sự dịch chuyển dọc trục của bản thân trục động cơ [1–3]. Nội dung thiết kế điều khiển tập trung vào tính toán cho hệ điều khiển thứ hai ở trên. Hình 1. Cấu trúc của động cơ ổ tự nâng từ khe hở dọc trục. Hình 1 trình bày cấu trúc của động cơ ổ từ tự nâng khe hở dọc trục. Ở cấu trúc này, hai ổ từ ngang trục có nhiệm vụ tạo ra lực nâng trục động cơ theo hướng ngang trục. Một ổ từ dọc trục- động cơ có vai trò cố định rotor và trục động cơ theo phương dọc trục và tạo ra momen làm quay động cơ. Sự kết hợp giữa ổ từ dọc trục- động cơ này được gọi là động cơ có từ trường khe hở dọc trục (TTKHDT). Động cơ TTKHDT được nghiên cứu trong bài báo là động cơ đồng bộ có cấu trúc gồm một rotor dạng đĩa có gắn nam châm vĩnh cửu và hai stator ở hai bên rotor được quấn bởi các cuộn day ba pha. Cấu trúc điều khiển cho động cơ là dựa trên nguyên lý điều khiển vector tựa theo từ thông rotor [4]. Trong cấu trúc này, một mạch vòng điều khiển tạo ra tín hiệu dòng điện id điều chỉnh vị trí dọc trục của rotor, một mạch vòng điều khiển tạo ra tín hiệu dòng điện iq điều chỉnh tốc độ rotor [5–7]. Các kết quả đạt được cho thấy, hệ truyền 38 N. M. Tùng, P. Q. Đăng, N. H. Phương, “Điều khiển vị trí dọc trục … điều khiển trượt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ động tạo ra cả lực dọc trục và momen quay, đồng thời hệ thực hiện được điều khiển tách kênh giữa hai mạch vòng vị trí và tốc độ. Như vậy, so với một số công trình [1, 2, 7] chỉ điều khiển tập trung vào mạch vòng tốc độ, ở bài báo này trình bày thêm ý tưởng thiết kế bộ điều khiển cân bằng vị trí giữa rotor và hai stator. Tuy nhiên, các bộ điều khiển được sử dụng là bộ điều khiển tuyến tính PID [6, 8] trong khi động cơ có tính phi tuyến mạnh. Ngoài ra, khác với động cơ truyền thống, động cơ trong bài có giá trị khe hở không khí g giữa rotor với hai stator là một hàm thay đổi theo thời gian. Điều này làm ảnh hưởng đến giá trị độ tự cảm pha của stator trên trục d và trục q. Do đó, mô hình toán hoc của động cơ có chứa các thành phần bất định, làm giảm chất lượng của bộ điều khiển. Bộ điều khiển trượt được biết đến với ưu điểm bền vững khi đối tượng có chứa các tham số bất định [9, 10]. Trong bài báo này, thiết kế bộ điều khiển vị trí dọc trục và tốc độ động cơ sử dụng phương pháp điều khiển trượt để tăng sự ổn định của đáp ứng đầu ra trước sự nhạy của mô hình đối tượng đối với giá trị sai lệch vị trí z [11, 12]. Để kiểm chứng phương pháp được đề xuất này, một mô hình hệ thống được xây dựng và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC Động cơ được nghiên cứu điều khiển có cấu tạo gồm một rotor và hai stator. Cấu trúc của động cơ trình bày trên hình 2. Giả thiết rằng, các tham số trên các trục x, y, ϴx, ϴy của roto bị chi phối bởi các ổ từ ngang trục và việc điều khiển các ổ từ ngang trục này đã được đảm bảo bởi các bộ điều khiển ổ từ ngang trục. Bài báo tập trung tính toán bộ điều trượt tương ứng cho hai bậc tự do là dịch chuyển vị trí dọc trục và vận tốc quay của rotor. Hình 2. Cấu trúc của động cơ TTKHDT. Theo nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor, các đại lượng và tham số của động cơ sẽ được thực hiện quy đổi về hệ tọa độ quay dq thông qua các ma trận chuyển đổi tọa độ [4]. Mô hình toán học của động cơ TTKHDT có chứa thành phần bất định do độ tự cảm pha của stator là hàm tỉ lệ nghịch với khe hở không khí g theo công thức xấp xỉ sau: Ls  3L's 0 / 2 g  Lsl (1) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 39 Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa L’s0 là điện cảm từ hóa stator trên đơn vị dài. Lsl là điện cảm rò. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ TTKHDT biểu diễn trên hệ trục tạo độ quay d,q như sau [3]:  usd  Rs isd  Lsd disd / dt   Lsq isq  ...