Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG
TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH
TRẦN THỊ THANH NGA
THÁI NGUYÊN 2009 Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
MC LC
Li cam oan
Mc lc
Danh sỏch cỏc kớ hiu, cỏc ch vit tt
Danh mc cỏc bng
Danh mc cỏc hỡnh v, th
Li núi u
Ni dung
Trang
CHNG I
TNG QUAN V T V NH HNG
IU KHIN T
1
1.1 Gii thiu v b treo t tớnh v ng dng ca chỳng
1
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
2.1.2 Cỏc mi quan h c bn
24
2.1.3 C cu chp hnh vi sai
27
2.1.4 ng c nam chõm vnh cu lp ghộp b mt
28
2.1.5 t chu ti hng tõm ( t)
29
2.1.6 Mụ ta toa n ho c ụ t
31
2.2 Cỏc tớnh cht iu khin c ca b treo t tớnh
36
2.2.1 Lc kộo khụng cõn bng
36
2.2.1.1 Cỏc nguyờn tc c bn
36
2.2.1.2 Phộp phõn tớch trong lừi t hỡnh C v lừi t hỡnh ch I
37
2.2.1.3 Phộp phõn tớch trong t
38
2.2.2 Cỏc nguyờn tc iờ u khiờ n ụ t mt kờnh
39
KT LUN
42
CHNG 3
THIT K CC B IU KHIN B TREO T TNH
43
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
3.2.5 Cỏc b iu khin m
70
3.2.5.1 Cỏc b iu khin kinh in
70
3.2.5.2 B iu khin m tnh
71
3.2.5.3 B iu khin m ng
74
3.2.5.4 H iu khin m lai (F - PID)
79
a. Gii thiu chung
79
b. Cỏc dng h m lai ph bin
81
3.2.5.5 Tng hp h iu khin m lai khụng thớch nghi cú b iu khin kinh in
82
3.3 Mụ phng cỏc b iu khin ó thit k
84
3.3.1 Mụ phng vi b iu khin PID
84
3.3.2 Mụ phng vi b iu khin nõng cao
85
KT LUN
88
KT LUN V KIN NGH
89
TI LIU THAM KHO
Hình 1.3
Động cơ với các ổ đỡ từ
6
Hình 1.4
Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc
8
Hình 1.5
Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ
8
Hình 1.6
Bộ treo chủ động theo 2 trục:
a.điểm đỡ trục tại đáy b. không có tiếp xúc
9
Hình 1.7
Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phƣơng
a. Rotor bên trong
b. Rotor ngoài
c. Rotor rỗng
d. không gian lắp đặt tải nằm giữa trục
10
Hình 1.8
Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông thƣờng
a. với ổ đỡ từ thông thƣờng
b. với ổ đỡ cơ khí thông thƣờng
c. với trục quay dài
11
Hình 1.9
Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống
12
Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện
34
Hình 2.10
Sơ đồ cấ u trú c của một hệ thống từ treo
sử dụng năng lƣợng từ theo mộ t phƣơng
34
Hình 2.11
Sơ đồ cấ u trú c rú t gọ n
35
Hình 2.12
Lực từ kéo (hấp dẫn) và kích thƣớc khe hở: (a) kích thƣớc khe
hở rộng, (b) kích thƣớc khe hở đƣợc giảm xuống
37
Hình 2.13
Hệ thống treo tƣ̀ tí nh theo phƣơng x
39
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH
43
Hình 3.1
Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động
44
Hình 3.2
Hệ thống giảm chấn - khối lƣợng – lò xo
a. Sơ đồ cấu tạo
b. Sơ đồ khối
47
Hình 3.3
Hệ thống treo từ tƣơng đƣơng với hệ thống giảm chấn-khối
Hình 3.7
Bộ điều khiển PID: (a) sơ đồ khối; (b) các đặc tính tần số
57
Hình 3.8
Đáp ứng của thay đổi bậc trong tham khảo vị trí
58
Hình 3.9
Các đặc tính tần số của bộ điều khiển PID
59
Hình 3.10
Đáp ứng chuyển vị đối với K
i
60
Hình 3.11
- Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
63
Hình 3.12
Hệ thống điều khiển mờ
65
Hình 3.13
Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con ngƣời và hệ mờ
67
Hình 3.14
Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ
72
Hình 3.15
Đƣờng đặc tính y(x) cho trƣớc
74
Hình 3.16
Hình 3.23
Cấu trúc hệ mờ lai Cascade
81
Hình 3.24
Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ
82
Hình 3.25
Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào
83
Hình 3.26
Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra
83
Hình 3.27
Quan sát tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ lai
83
Hình 3.28
Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ.
84
Hình 3.29
Sơ đồ mô phỏng với bộ PID kinh điển
85
Hình 3.30
Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x của ổ từ có sử dụng
bộ PID kinh điển
85
Hình 3.31
Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID
86
Hình 3.32
các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng được chất bôi
trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cần phải được thay thế
định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Ngày nay, cuộ c cá ch mạ ng khoa họ c
k thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ bão, không ngừ ng vươn tới những đỉnh
cao mớ i, trong đó có nhữ ng thà nh tự u về kỹ thuậ t tự độ ng hó a sả n xuấ t. Việc sử dụng hệ
truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bước tiến quan trọng
của ngành cơ khí, cho phép khắc phục những nhược điểm của các hệ truyền động sử dụng
động cơ không đồng bộ với các ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải
có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Phần
quan trọng của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là bộ điều khiển.
Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ
tính có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị
chặn. Thực tế này là do động lực học của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo
từ tính có tính phi tuyến cao và các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi
tuyến (bao gồm các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính) chịu tác dụng của
nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi theo thời gian chưa được nghiên cứu và phát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển thích nghi bền vững
cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Vì vậy nghiên cứu thiết kế
các bộ điều khiển chất lượng cao cho một số hệ phi tuyến bao gồm các bộ treo từ tính là cấp
thiết.
Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như
Hiển em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo
từ tính
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển
và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù đã có nhiều
cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định. Em rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn
hoàn thiện hơn.
phc tp cng nh giỏ thnh ca nú.
Vo nhng nm cui ca thp k 80, khỏi nim mi v khụng tip xỳc ó
c a vo cụng ngh truyn ng ng c khụng ng b. T ú n nay, lớ
thuyt v kin thc c bn v khỏi nim ny ó c nghiờn cu cựng vi rt vic
phỏt trin nhiu truyn ng th nghim vi mc ớch thu thp kinh nghim v s
hot ng v hnh vi ca nhiu loi truyn ng ng c khụng ng b
khụng tip xỳc.
Cụng ngh truyn ng s dng ng c khụng ng b ó c phỏt trin v
cú phm vi ỏp dng rng k t thp niờn 70 bi nhng u th vt tri ca nú so
vi truyn ng ng c mt chiu nh: hiu sut cao; gn; nh; cú yờu cu bo trỡ
thp v giỏ thnh ng c r. S tng lờn v cụng sut v tc quay ca ng c
khụng ng b cng lm m rng phm vi ng dng ca loi ng c ny. Mt hn
ch khụng trỏnh khi trong ch bo dng i vi truyn ng ng c khụng
ng b l vic bụi trn v thay th . Cỏc cú th gõy ra vn ln cho cỏc
ng dng truyn ng ng c trong khong khụng gian xung quanh cng nh i
vi mụi trng cú cha cỏc cht c hi hoc b nhim x. Hn na, du bụi trn
khụng th dựng c trong cỏc iu kin nh chõn khụng, nhit khớ quyn quỏ
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
2
cao hoc quỏ thp, hoc trong cỏc dõy chuyn thc phm v dc phm. Do ú, cỏc
b treo t tớnh cú th m rng phm vi ng dng .
Hu ht yờu cu v bo dng trong mt truyn ng cụng nghip u liờn quan
n cỏc c khớ. Cỏc h truyn ng s dng c khớ khụng phự hp trong
cỏc thit b mỏy quay ũi hi tc cao, yờu cu chớnh xỏc cao, phi dựng c
cht bụi trn do cú s tip xỳc trc tip gia phn chuyn ng v phn tnh. Du
bụi trn phi c thay th nh k. cng cn phi c thay th nh kỡ vi
yờu cu phi thỏo phn thõn ca ng c. Nu nh trc c treo bi mt lc t,
nhng yờu cu bo hnh ny s khụng cn thit. Do vy tin ti s dng
Mt trc quay s c bao bc bi lừi ca stato. Roto v stato c t húa bi
bn cc t theo trỡnh t bc, nam, bc, nam. Cú nhng lc hp dn t tớnh rt mnh
gia lừi ca roto v lừi ca stato bờn di cỏc cc t ny. Trong hỡnh 1.1a, 4 cc t
cú cựng mt t thụng v do ú cú cựng biờn lc hp dn . Nh vy l, tng
vector ca 4 lc hng tõm ny bng 0. Ngc li, trong hỡnh 1.1b mt cc t bc
thỡ mnh hn so vi ba cc t cũn li nờn nú cú lc hng tõm mnh hn. S phõn
b mt t thụng khe h khụng cõn bng ny dn n lc t hng tõm s tỏc
ng vo roto. Trong trng hp ny, lc hng tõm roto tỏc ng vo roto t phớa
tay phi. Trong c 2 trng hp ng c cú t tớnh v ng c khụng , lc
hng tõm roto c to bi trng in t khụng cõn bng tc l lc hng tõm
Hỡnh 1.1 - S to ra lc t hng tõm bi mt t thụng khe h khụng cõn
bng: a. mt t thụng khe h cõn bng
b. mt t thụng khe h khụng cõn bng
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
5
Hỡnh 1.2 l s tng trng ca mt h truyn ng khụng tip xỳc s dng b
treo t tớnh. V nguyờn lý, bao gm 2 phn chớnh: phn chuyn ng cú th l
chuyn ng quay hoc tnh tin (rotor) v phn tnh (stator). trờn phn tnh cú
lp t mt s mch t to ra lc t tỏc dng lờn phn chuyn ng ca . Cỏc
lc t tỏc dng lờn phn chuyn ng ca c iu khin bi hiu in th hoc
cng dũng in t vo cỏc cun dõy ca mch t. Di tỏc dng ca lc tỏc
ng lờn phn chuyn ng ca h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t
tớnh, lc t c to lờn bi cỏc mch t tỏc dng lờn phn chuyn ng ny cn
phi thay i mt cỏch phự hp m bo khe h xỏc nh gia phn chuyn ng
v phn tnh ca . Thụng thng trong thc t, vic xỏc nh trc c v nh
lng v quy lut thay i ca cỏc lc ngoi sinh l rt khú hoc khụng th c.
Hn na, iu kin lm vic ca cỏc h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo
t tớnh thay i dn n vic xỏc nh trc cỏc thụng s ca l khú khn. Ngoi
ra ng lc hc ca h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh l phi
tuyn c v c v in, ngha l quan h ng gia hiu in th hoc cng
dũng in t vo cỏc cun dõy t v lc t tỏc dng lờn phn chuyn ng c
mụ t bng h phng trỡnh vi phõn phi tuyn. Vỡ vy, thit k cỏc b iu khin
cho cỏc h truyn ng khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh t cht lng cao l
khú khn v cn thit trong cỏc ng dng thc t cú s dng cỏc h truyn ng
khụng tip xỳc s dng b treo t tớnh.
1.1.3 Gii thiu cu trỳc c trng ca mt h thng truyn ng ng c
c trang b cỏc t tớnh.
Hỡnh 1.3 ch ra cu trỳc c trng ca mt h thng truyn ng ng c c
trang b cỏc t tớnh. ng c s c t gia 2 t tớnh hng tõm. Mi
t tớnh hng tõm s to ra cỏc lc hng tõm trong 2 h trc ta hng tõm
trc giao. Cỏc lc hng tõm ny c iu khin bi cỏc h thng iu khin cú
phn hi õm do ú v trớ trc hng tõm c iu chnh v trng tõm ca nũng
stato. t tớnh phớa bờn tay trỏi c iu chnh i vi 2 trc ta x
Hỡnh 1.3 ng c vi cỏc t tớnh
Cỏc dũng in trong cỏc cun dõy ca t tớnh s c iu chnh bi cỏc mch
in t cụng sut. Trong a s cỏc trng hp ngi ta s dng b bin i ngun
in ỏp mt pha. Mi b bin i ngun 1 pha cú th iu chnh mt dũng in ca
1 cun dõy, do ú mi t tớnh cn cú 4 b bin i tng ng vi 8 dõy dn
vo ra.
Trong t tớnh dch chuyn cú 2 cun dõy, do ú 2 b bin i 1 pha c
kt ni iu chnh cỏc dũng in ca cun dõy v phỏt ra lc hng tõm theo
hng trc.
ng c chu trỏch nhim phỏt ra momen xon quanh trc z. Tc quay ca trc
c iu chnh bi momen xon ca ng c. Mt b bin i 3 pha c ni ti
ng c qua 3 dõy dn vi cỏc cun dõy ca ng c c ni theo hỡnh sao hoc
Hỡnh 1.3 - ng c vi cỏc t
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
7
tam giỏc. B bin i cung cp in ỏp v tn s thay i c da theo tc quay
ca trc v cỏc yờu cu v momen xon. Vi a s ng c, tn s ca b bin i
t l thun vi tc v t s in ỏp / tn s thụng thng l hng s cho ti vựng
suy yu ca t trng.
1.1.4 Gii thiu h truyn ng khụng tip xỳc
tớnh hng trc v ng c.
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
8
1.1.5 Cu trỳc khụng tip xỳc
Gii thiu hỡnh dng bờn ngoi ca mt t
Hỡnh v 1.6(a,b) trỡnh by mt b treo t tớnh ch ng theo 2 trc. Trong hỡnh
1.6a, mt trc c chốn vo lừi ca rụ to. B treo t tớnh hai trc c thc hin
bi cỏc lc t gia roto v stato. Ti ỏy ca trc cú t mt xoay c nh v trớ
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
9
cỏc truyn ng khụng tip xỳc giỏ r v gn nh kiu ny ó tng c thc
hin. Hỡnh v 1.7(a-d) trỡnh by mt ct ngang v cỏch thc hin b treo ch ng
theo 5 hng. Hai khụng tip xỳc cn thit phi cú phỏt ra lc hng tõm
theo 4 hng. Thờm mt t dch chuyn nhm xỏc nh v trớ ca trc theo
hng th 5. Cú 2 ro to trờn trc tỏc ng theo b ụi trong hỡnh 1.7a. Roto v
trc quay bờn trong 2 lừi stato. Cỏc ph ti dng bm v qut nộn cú th c gn
vo mt u ca trc. Trong hỡnh 1.7b ro to nm phớa bờn ngoi 2 stator. Cu trỳc
ny phự hp cho cỏc truyn ng bỏnh nh a DVD v cỏc truyn ng cho
a cng. Cu trỳc trong hỡnh 1.7c l mt bin th ca hỡnh 1.7a vi mt trc rng
cho phộp dũng khớ thi qua. dch chuyn dc nm gia 2 t tớnh to nờn 1
b treo y theo 5 trc. Cu trỳc ny phự hp cho cỏc h nh ng h o lu
lng, bm úng hp v spindle. Trc rng cng cú th c s dng lp bỏnh
xe. Trong hỡnh 1.7 (a.c), mt t dch chuyn dc trc quay c s dng, tuy
nhiờn nú khụng cn thit trong vi trng hp nu lc dc trc quay nh hoc
khụng yờu cu vic xỏc nh chớnh xỏc v trớ ca trc.
Trong cỏc trng hp ny vic xỏc nh v trớ dc trc cú th c thc hin bi
b nh v b ng nh trong hỡnh 1.7d. Trong hỡnh v ny, cỏc roto ca hai t
Trong cỏc hỡnh v 1.8(a-c), ch ra mt ct ngang ca cỏc khụng tip xỳc
khỏc nhau khi chỳng c kt hp vi t tớnh thụng thng hoc c khớ
thụng thng. Trong hỡnh v 1.8a phớa bờn trỏi l t tớnh hng tõm
truyn thng. Ch cú phớa bờn phi l khụng tip xỳc. S sp t ny phự
hp cho mt ti cú lc hng tõm ln ni vo phớa bờn trỏi ca trc. Trờn hỡnh 1.8b
cỏc c khớ c t c hai phớa ca khụng tip xỳc. Khi tc quay cc
Rotor
Rotor
t
treo 1
t
treo 2
Stator
t
treo 1
t
treo 2
t
chn
Stator
(c)
(d)
Hỡnh 1.7 - Nhng bin i h treo tỏc dng theo 5 phng
a. Rotor bờn trong; b. Rotor ngoi;
c. Rotor rng; d. khụng gian lp t ti nm gia trc.
t
treo 1
Hỡnh 1.8- S kt hp vi t v c khớ thụng thng
a. Vi t thụng thng
b. Vi c khớ thụng thng
c. Vi trc di
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
12
Hiu sut
4
5
4
4
Tớnh chớnh xỏc
4
5
4
4
Tớnh bn vng
3-5
3-5
3-5
4
Tớnh n nh
5
4
4
3
Giỏ thnh C
4
3
5
5
Mụ men quay
ng c c lp cú
bin tn
3
5
3-5
3
Ghi chu : 5. c bit tt, 4. Rt tt, 3. Tt, 2. Khỏ, 1. Trung bỡnh
T c im ca vic phỏt ra lc hng tõm, cỏc ng c cm ng v ng c
nam chõm vnh cu c lp vi nhit . Trong cỏc ng c cm ng, in tr ca
rotor l mt hm ca dõy qun rotor hoc nhit ca lng kim loi dn in. in
tr sut ca ng hoc nhụm cú th thay i ỏng k trong phm vi nhit hot
ng ca ng c, dn n tỡnh trng khụng chun trong nh hng trng tớnh
toỏn mt s trng hp. S khụng chun xỏc trong nh hng trng ny ụi khi
dn n cỏc vn v s treo ca trc. Vn tng t cng cú th xut hin trong
cỏc ng c nam chõm vnh cu bi vỡ t d ca cỏc nam chõm vnh cu suy gim
nhit cao. S thay i ny ph thuc vo vt liu lm nam chõm. S sai khỏc
trong mnh ca nam chõm dn n sai s trong tớnh toỏn hng ca trng. Tuy
nhiờn ng c t tr ng b v ng c t tr giỏn on thỡ bn vng vi s bin
thiờn ca nhit do chỳng khụng cú mch in hoc nam chõm trong rotor.
Khi tớnh ti kh nng ca iu khin giỏn tip, cỏc tham s ca ng c ph
thuc vo mc bóo hũa t thụng ca cỏc mỏy in khụng t tr giỏn on
v t tr ng b, v s bóo hũa t thụng ca cỏc mỏy in phi nam chõm vnh
cu. Tham s ca cỏc mỏy in nam chõm vnh cu cng ph thuc vo nhit .
Vic phõn tỏch momen v lc hng tõm l u vit trong cỏc ng c
khụng tip xỳc mt cc, lai v cc h qu. Trong cỏc ng c ny, hng v ln
ca cỏc lc hng tõm c phỏt ra khụng ph thuc vo s phỏt ra mo men. Lc
hng tõm ny ch yu c phỏt ra bi s tng tỏc gia cỏc nam chõm ca rotor
vi t thụng c to ra bi dũng in trong cun dõy ca b treo.
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn
cu.
Copyright: Tài liệu đại học ©