1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2014

2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các hệ truyền, dẫn động luôn có sự tiếp xúc giữa phần động và phần
tĩnh do sử dụng ổ đỡ cơ khí nên chúng sinh ra lực ma sát lớn ảnh hưởng đến tốc độ
chuyển động. Không những thế khi sử dụng ổ đỡ cơ khí người ta phải bảo dưỡng
định kỳ. Việc bảo dưỡng động cơ không phải là công việc đơn giản dễ làm. Chính

cho ra đời một loại ổ đỡ từ có chất lượng tốt.
2. Mục tiêu của luận văn
Dựa trên các nghiên cứu về hệ thống truyền động điện dùng ổ đỡ từ hai bậc tự
do bằng bộ điều khiển kinh điển PID, qua khảo sát bằng mô phỏng và thực nghiệm
cho thấy các phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế.
Để khắc phục các nhược điểm của bộ điều khiển kinh điển, dựa trên cơ sở logic
mờ, luận văn đề xuất thiết kế bộ điều khiển thông minh sử dụng bộ điều khiển mờ
chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Bước đầu tiến hành kiểm nghiệm bộ điều
khiển mới bằng phần mềm mô phỏng trên Matlab – Simulink sau đó là thí nghiệm
trên thiết bị thực tại trung tâm thực nghiệm của Trường ĐHKTCN Thái Nguyên.
3. Kết quả thực nghiệm của luận văn
Với yêu cầu lý luận phải được kiểm chứng bằng thực tế, luận văn cao học cần
được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong miền thời gian thực. Đây là một yêu cầu
mới về nâng cao chất lượng đào tạo cho các học viên cao học. Việc áp dụng sáng
tạo các mô hình thí nghiệm sẵn có của nhà trường hay thiết kế các mô hình mới vào
công việc thực nghiệm của luận văn đã cho thấy những kết quả khả quan. Kết quả
thí nghiệm đã chứng tỏ rằng nghiên cứu để nâng cao chất lượng ổ đỡ từ hai bậc tự
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

do của đề tài này bằng lý thuyết và mô phỏng còn có khoảng cách so với thực tế
nhưng nhờ có thí nghiệm nên có cơ sở vững chắc để điều chỉnh lại thông số bộ điều
khiển đáp ứng yêu cầu của hệ thống và làm nền tảng cho thiết kế nâng cao chất
lượng cho hệ thống.
4. Nội dung luận văn:
Luận văn bao gồm những nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ.
Chương 2: Mô tả toán học cho ổ đỡ từ hai bậc tự do.
Chương 3: Thiết kế các bộ điều khiển kinh điển (PID) tự do.

Để giải quyết vấn đề này các nhà khoa học đã tìm ra một loại ổ đỡ đó là ổ đỡ từ
nghĩa là dùng lực nâng của từ trường để nâng trục động cơ mà không có sự tiếp xúc
giữa phần động và phần tĩnh.
Do đặc điểm không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ mới này đưa ra một số các ưu
điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông thường, như ổ đỡ vòng bi hay ổ đỡ chất
lỏng. Những ưu điểm này bao gồm loại bỏ được các hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số
ma sát thấp, tốc độ rotor cao và các đặc tính động có thể điều chỉnh được. Các vòng
bi từ có khả năng đáp ứng khả năng chịu tải lớn bằng cách tối ưu hóa hệ thống và
các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí của ổ đỡ, từ thông bão hòa
của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lượng vòng dây trên các cực từ và
công suất bộ khuếch đại. Các vòng bi từ có thể cho phép làm việc trong các môi
trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và chân không.
Ngày nay, những nhận thức trọng tâm trong thiết kế các vòng bi từ đã có những
bước tiến rõ rệt và việc ứng dụng các vòng bi từ vào các ứng dụng thực tiễn đã
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vượt ra ngoài những mong muốn ban đầu. Các ứng dụng quan trọng của các vòng
bi từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, các thiết bị y tế công nghệ
cao, các ứng dụng cho môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc
độ cao, các thiết bị làm việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng
lượng và các bộ cách ly rung động.
1.2. Lịch sử phát triển
Ổ đỡ từ được các nhà nghiên cứu tìm ra vào khoảng giữa những năm 1842,
người ta đã đưa ra ý tưởng dùng từ trường để treo một đối tượng. Một số nghiên
cứu sau đó sử dụng lực nâng bằng từ trường trong hoạt động sản xuất công nghiệp
tại pháp. Từ những năm 70 của thế kỷ XX đến nay, khi kỹ thuật truyền động điện
xoay chiều được phát triển và ứng dụng rộng rãi, chúng ngày càng thể hiện được
những ưu thế vượt trội so với truyền động điện một chiều. Tuy nhiên do cấu tạo về

Động cơ từ cảm không ổ đỡ.
Bischel

Chiba
Thụy Sỹ

Nhật Bản
1994
Phân tích động cơ AC không ổ đỡ.
Điều khiển vector cho động cơ cảm ứng không
ổ đỡ.
Chiba
Schoeb
Nhật Bản
Thụy Sỹ

1995
So sánh giữa các vòng bi từ kiểu kích thích
vĩnh cửu và kiểu cảm ứng.
Okada
Nhật Bản

1996
Động cơ trượt không ổ đỡ.
Động cơ treo từ tính hướng trục.
Schoeb
Okada
Thụy Sỹ
Nhật Bản
1997


Năm
Công trình nghiên cứu
Tác giả
Quốc gia
hướng trục.
2005
Không cảm biến chuyển vị cho động cơ không
ổ đỡ.
Okada

Nhật Bản
2006
Động cơ không ổ đỡ kiểu segment.
Nhận biết lực hướng kính và tốc độ cho các
động cơ không ổ đỡ.
Gruber
Chiba
Áo
Nhật Bản
2007
Động cơ không ổ đỡ kiểu từ trở đồng bộ.
Takemoto
Nhật Bản
2009
Động cơ không ổ đỡ dạng đĩa cho tim nhân tạo.
Asama
Nhật Bản
2010
Điều khiển phản hồi phi tuyến cho động cơ DC

Lực hấp dẫn giữa vật thể treo và lõi sắt từ là một hàm số của dòng điện i, và tỷ
lệ thuận với bình phương với dòng điện i khi lõi sắt từ chưa bão hòa. Trong các
điều kiện xác lập, lực hấp dẫn này được điều chỉnh để bằng với tích của trọng
lượng vật treo m và gia tốc trọng trường g
a
nhằm thỏa mãn cân bằng lực.
Ngoài ra Sensor chuyển vị sẽ đo mức độ dịch chuyển của vật thể treo theo
chiều thẳng đứng so với vị trí chuẩn của nó. Một bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều
khiển từ thông tin đo lường, một bộ khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều
khiển này thành dòng điện điều khiển, và dòng điện này sẽ sinh ra từ trường trong
mạch từ, như vậy các lực từ sẽ được tạo ra. Bằng cách đó, vật thể sẽ được treo ở vị
trí lơ lửng của nó. Vật thể sẽ được treo ổn định nhờ một lượng đặt của lực từ.
Lượng đặt của lực này bằng tổng đại lượng của lực tắt dần và lực đàn hồi. Lượng
điều khiển của lực đàn hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị của vật thể treo. Còn đối
với lực tắt dần thì lực này tỷ lệ thuận với tốc độ dịch chuyển của vật thể treo. Các
đại lượng này có chiều ngược với chuyển vị và tốc độ đối với phản hồi âm.
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống treo từ tính
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bộ điều khiển tạo ra lượng dòng điện điều khiển để nhằm tạo ra lực từ bám sát
với lượng lực từ đặt. Bộ điều chỉnh dòng điện sẽ điều khiển dòng điện bằng cách
đặt một điện áp lên các đầu cuộn dây.
Dòng điện i chạy trong một cuộn dây, và nếu ta giả thiết rằng cuộn dây có số
vòng dây là N thì khi đó một lực từ động (MMF) được sinh ra và bằng Ni. Với các
vật liệu sắt từ có độ thẩm từ cao thì từ thông sẽ đi theo đường như trong hình vẽ và
đi qua khe hở hai lần. Độ tập trung từ thông cực đại trong khe hở không khí sẽ
quyết định độ lớn của lực trong phần điện từ. Độ tập trung từ thông lớn sẽ tạo ra
lực từ lớn. Một lưu ý quan trọng nữa đó là chiều dài khe hở không khí phải được

không chịu bất kỳ một tiếp xúc nào. Thậm chí vật thể đó không thể treo ở trạng thái
ổn định và tự do thì ít nhất việc treo này cũng có thể đạt được trong một vài bậc tự
do.
Theo cách mà các lực từ được tính toán và biểu diễn thì ta có thể chia ra làm
hai nhóm chính, đó là lực từ trở và lực Lorentz.
Lực từ trở có 4 loại:
- Loại 1 được gọi là các bộ treo lực từ trở tích cực.
- Loại 2 là các bộ treo dùng mạch LC.
- Loại 3 là loại từ trường vĩnh cửu (μ
r
>> 1) có cấu trúc tĩnh và không thể ổn
định hóa vị trí của vật thể treo .
- Loại 4 dựa vào thuộc tính rất đặc biệt của vật liệu, μ
r
= 0. Chỉ có những vật
liệu có thuộc tính như vậy mới được gọi là vật liệu siêu dẫn.
Lực từ trở được sinh ra từ năng lượng tích trữ trong từ trường và có thể
chuyển đổi sang dạng cơ năng. Do vậy, lực từ trở thu được từ công thức sau:
f = ∂W/∂ (1.1)
Trong đó: W là năng lượng từ trường.
∂s là độ dịch chuyển của vật thể treo.
12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Lực từ của dạng này luôn gia tăng tại bề mặt giữa các độ thẩm từ tương đối
khác nhau μ
r
, ví dụ như giữa thép và không khí. Hướng của lực vuông góc với bề
mặt của các lớp vật liệu khác nhau. Sai lệch tương đối của độ thẩm từ càng lớn thì


thể được điều khiển tích cực và tương tác với một từ trường. Với loại này lại có 2
khả năng xảy ra: hoặc là từ trường được tạo ra bởi một từ trường vĩnh cửu, hoặc là
có sự tương tác giữa dòng điện điều khiển và dòng điện cảm ứng. Cả bốn kiểu này
được mô tả tuần tự trên hình vẽ từ loại 5 đến loại 8

1.3.2.2. Theo chức năng
+ Ổ đỡ từ ngang trục: Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục
chuyển động theo hướng ngang trục (hướng x và y).
+ Ổ đỡ từ dọc trục: Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục
chuyển động theo hướng dọc trục.

Hình 1.3- Phân loại các kiểu nâng và treo từ tính:
A: chỉ ổn định khi có điều khiển chủ động; P: ổn định thụ động không cần điều khiển
14


Hình 1.5- Ổ đỡ từ thụ động (a), ổ đỡ từ siêu dẫn (b), ổ đỡ từ chủ động (c)

15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.4. Các cấu trúc cơ bản của ổ đỡ từ chủ động( AMB)
Dưới đây mô tả một số cấu trúc đặc trưng của máy điện không ổ đỡ. Trong đó,
các cấu trúc vòng bi từ chủ động theo hai phương, theo năm phương và sự phối hợp
giữa các vòng bi từ thông thường và các ổ đỡ cơ khí sẽ được đề cập cụ thể.
Hình 1.6(a, b) trình bày một cấu trúc treo từ tính theo hai phương. Trong hình
1.6(a), trục động cơ nằm trong lõi của rotor. Treo từ tính theo hai phương được
nhận biết bởi các lực từ giữa rotor và stator. Tại phía cuối của trục động cơ có bố trí
một trục xoay nhằm định vị hướng trục và hướng kính cho đầu cuối của trục. Cấu
trúc này phù hợp cho các máy trục đứng. Trong khi tại hình 1.6(b), trục động cơ bị
loại bỏ ra khỏi cấu trúc. Định vị tích cực theo hai phương tạo ra quá trình treo thụ
động cho chuyển động hướng trục và nghiêng. Do đó, ta có thể nhận ra được treo
thụ động bởi sự hạn chế về độ dài của lõi trục. Tuy nhiên, với thiết kế đúng đắn,
loại này cho ra các hệ truyền động không ổ đỡ nhỏ gọn và giá thành thấp.
Hình 1.7- Các kiểu vòng bi từ chủ động theo năm phương: (a) rotor ở bên
trong; (b) rotor ở bên ngoài; (c) rotor rỗng; (d) không gian giữa cho máy tải
17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.5. Một số các nghiên cứu liên quan hiện nay
1.5.1 Các nghiên cứu ở trong nước
Các hướng nghiên cứu đã được tiếp cận:
- Nghiên cứu ứng dụng.
- Nghiên cứu thu gọn kích thước.
- Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt.
- Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại.
Tại Việt Nam hiện nay bộ môn Tự động hóa – Đại học Bách Khoa Hà Nội là
một trong những cơ sở sớm có những triển khai liên quan. phối hợp nghiên cứu với
trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản, mô hình động cơ 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 động cơ, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới
về kỹ thuật điện . Khoa Điện của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học
Thái Nguyên với các Giáo sư ở Trường Đại học Tây Úc (The University of
Western Australia, Australia), các thuật toán điều khiển nâng cao cho ổ đỡ từ đã
được nghiên cứu. GS.TS Đỗ Khắc Đức và GS J. Pan là các chuyên gia được các
nhà khoa học trên thế giới biết đến về điều khiển và rung động, đã có nhiều công

Một mô hình toán học của hệ thống AMB với đầu vào điện áp và đầu vào
dòng điện ở dạng tiền định đã được Abdul R. Husain, Mohamad N. Ahmad và
Abdul H. M. Yatim phát triển và trình bày trong tài liệu. Do các thuộc tính phi
tuyến có trong hệ thống chẳng hạn như hiệu ứng hồi chuyển và mất cân bằng trọng
lượng đã dẫn đến việc thiết kế một bộ điều khiển động có thể ổn định hóa hệ thống.
Để tổng hợp được bộ điều khiển, các tác giả đã chuyển mô hình AMB phi tuyến
sang dạng tiền định bằng cách sử dụng các giới hạn trên và dưới cho trước của các
19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

thông số và các biến trạng thái của hệ. Tuy vậy kết quả thu được từ nghiên cứu của
các tác giả trên còn gặp nhiều hạn chế.
Marcio S. de Queiroz và Darren M. Dawson đã sử dụng một mô hình điều
khiển phi tuyến ứng dụng kỹ thuật backstepping để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến
cho hệ thống AMB. Bộ điều khiển này cần phải đo lường được vị trí rotor, tốc độ
rotor, và dòng điện stator. Tín hiệu dòng điện mong muốn được thiết lập nên để tạo
ra lực như mong muốn cho các hệ cơ khí con bằng cách đáp ứng thỏa mãn một
phương trình thiết kế tĩnh trong khi cũng vẫn thỏa mãn một số các ràng buộc khác
của các bước backstepping. Do đó, bộ điều khiển tạo ra được quá trình bám theo vị
trí rotor toàn cục dạng hàm mũ.
1.6. Kết luận chương 1
Chương 1 đề cập đến một số nội dung:
+ Giới thiệu về ổ đỡ từ.
+ Lịch sử phát triển của ổ đỡ từ.
+ Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ.
+ Phân loại ổ đỡ từ.
+ Hệ truyền động của ổ đỡ từ chủ động.
+ Tổng kết các nghiên cứu có liên quan.


và ít tốn kém, trước khi đưa giải pháp vào triển khai. Mô hình toán học là hình thức
biểu diễn lại những hiểu biết của ta về quan hệ giữa tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra
y(t) của một hệ thống nhằm phục vụ mục đích mô phỏng, phân tích và tổng hợp bộ
điều khiển cho hệ thống sau này. Không thể điều khiển hệ thống nào đó nếu như
không biết gì về nó cả. Mô hình của đối tượng dưới dạng toán học được gọi là mô
21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

hình danh định. Do vậy, có thể nói rằng, một hệ thống điều khiển danh định là
được thể hiện dưới dạng các phương trình toán học. Từ đây, ta nhận thức được rằng
mô hình hóa đối tượng dưới dạng các phương trình toán học là công việc hết sức
cần thiết trong phân tích hệ thống và thiết kế bộ điều khiển. Việc mô tả toán học
cho đối tượng càng sát với mô hình vật lý thì việc điều khiển nó càng đạt chất
lượng cao như mong muốn. Tuy nhiên, việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển sẽ trở
nên khó khăn và phức tạp hơn nhiều với các đối tượng không ổn định và có tính phi
tuyến cao. Ổ đỡ từ trước hết đó là chi tiết máy thuộc kỹ thuật cơ khí, nó đỡ cho các
trục động quay và tịnh tiến. Mặt khác nó lại là một thiết bị điện có điều khiển. Cụ
thể, về cấu tạo nó giống như một động cơ điện có stator làm bằng thép lá kỹ thuật
điện, trên stator được xẻ rãnh để đặt dây quấn, rotor được chế tạo bằng vật liệu từ
tính bao bên ngoài trục chuyển động, nhưng về nguyên lý làm việc thì ổ đỡ từ lại
như một nam châm điện thay vì tạo mô men quay cho trục thì nó lại tạo ra các lực
chuyển dịch trục theo phương x và y, các lực này được điều chỉnh tự động nhằm
duy trì khe hở giữa stator và rotor xung quanh giá trị danh định. Để thiết lập được
mối quan hệ động lực học của ổ đỡ từ chủ động thì trước hết phải phân tích và tính
toán được từ thông, từ trở, điện cảm, mật độ từ thông, năng lượng từ tích trữ và lực
từ theo các phương chuyển dịch (x, y) của trục. Trên cơ sở đó, xây dựng được mô
hình toán học của ổ đỡ từ.
2.1.1. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường



Nam châm điện
Vật liệu sắt từ
x
Sensor
khoảng cách

i
v
Bộ điều khiển
23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bộ ổn dòng sẽ điều chỉnh dòng điện bằng cách đặt một điện áp lên các đầu
điện cực. Dòng điện i kích thích vào một cuộn dây mắc nối tiếp. Giả sử rằng số
vòng của cuộn dây là N, do đó có một lực từ động (lực sinh ra thông lượng trong
mạch từ) N
i
được sinh ra. Vì độ dẫn từ của vật liệu sắt từ là cao nên từ thông phụ
thuộc vào đường sức được biểu diễn bằng đường nét đứt trên hình vẽ. Từ thông đi
qua khe hở không khí hai lần, nhưng chỉ có duy nhất một đường sức từ được thể
hiện trên hình vẽ, tuy nhiên từ thông được phân bố trong khắp khe hở không khí.
Mật độ từ thông lớn nhất trong khe hở không khí quyết định khả năng sinh lực của
nam châm điện. Mật độ từ thông cao sẽ dẫn đến lực từ lớn. Tuy nhiên, mật độ từ
thông lớn nhất cho các loại thép silic thông dụng được giới hạn từ (1.7 † 2)T
(Tesla – đơn vị từ thông). Mật độ từ thông có ảnh hưởng quan trọng đến việc giới
hạn kích thước khe hở không khí sao cho nhỏ hơn chiều dài cho phép để giảm
cường độ dòng điện. Việc xác lập chiều dài khe hở không khí nhỏ nhất có thể được
cũng đóng vai trò quan trọng, điều này sẽ làm giảm dòng điện và tổn thất.
2.1.2. Mô hình vật lý ổ đỡ từ chủ động ( AMB) 2 bậc tự do
Hình 2.2 trình bày cấu trúc căn bản của một hệ thống truyền động động cơ
dùng các vòng bi từ. Trục động cơ được nâng bởi một vòng bi từ hướng kính. Vòng
bi từ hướng kính tạo ra các lực hướng kính theo hai hướng trục vuông góc. Các lực
hướng kính được điều khiển bằng các hệ thống điều khiển phản hồi âm sao cho vị
trí của trục được điều chỉnh ở vị trí chính giữa của khung stator. Vòng bi từ được
điều chỉnh trong hệ trục tọa độ x
1
và y
1

w. Đường sức từ được biểu diễn bằng nét đứt. Các chiều dài của đường sức từ
trong lõi từ hình chữ C là l
1
và l
2
. Chiều dài của đường sức từ trong lõi từ hình chữ
I là l
3
. Hình 2.2- Động cơ sử dụng ABM
25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Cuộn dây có N vòng. Dòng điện tức thời là i, bởi vậy lực từ động tương ứng
là Ni. Kích thước của khe hở không khí ở vị trí danh định là g. Tọa độ của lõi từ
hình chữ I là x do đó chiều dài khe hở không khí là (g-x). Từ trở của mạch từ được
xác định là:

v
g – x
x
l l
3

i

l
2
l
1