Nghiên cứu bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động khoa học.

- Muốn để ổ từ hoạt động hiệu quả, có thể đưa vào ứng dụng rộng rãi thì ngoài việc khắc phục các nhược điểm nêu trên thì việc xây dựng bộ biến đổi điện tử công suất dùng để điều khiển ổ từ là hết sức cần thiết.
- Đã có rất nhiều các nghiên cứu cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển cho ổ từ.
- Đề tài của tác giả tiếp thu theo một số hướng đi, đóng góp thêm những lý luận về ổ đỡ từ làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo Thông qua việc mô tả mô hình toán học cho ổ đỡ từ, từ đó nghiên cứu xây dựng bộ biến đổi điện tử công suất để điều khiển ổ từ chủ động.
- Đã có rất nhiều các cá nhân, tổ chức, công ty, tập đoàn lớn tập chung nghiên cứu, chế tạo ổ đỡ từ và các phương pháp điều khiển chúng.
- Một ưu điểm đó là khả năng điều khiển và làm tắt dần rung động, và đạt được đáp ứng động tốt như mong muốn.
- Ổ từ chủ động bao gồm nhiều bộ phận như nam châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ chủ động 21 Các ổ từ chủ động cho phép điều khiển hệ số cứng và hệ số tắt dần của ổ đỡ, do đó có thể ảnh hưởng đến trạng thái động học của đối tượng trong suốt quá trình hoạt động.
- Kích thước nhỏ gọn Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ chủ động 22 - Không cần bộ điều khiển - Lực nâng cố định - Dễ chế tạo - Giá thành cao Nhược điểm Đối với hệ thống nâng hoàn toàn không có điều khiển thì không thể nâng 1 vật cứng có 6 bậc tự do, vì theo định lý Earnshaw, có ít nhất 1 bậc tự do không ổn định.
- Ta thấy, loại ổ từ chủ động có ưu điểm đặc biệt là động học rotor có thể được điều khiển một cách chủ động thông qua ổ đỡ.
- Khả năng chịu tải cụ thể của AMB phụ thuộc vào vật liệu sắt từ và thiết kế của nó, thông thường khoảng 20N/cm2 và có thể đạt đến 40N/cm2 Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ chủ động 25 - Động học của sự nâng không tiếp xúc chủ yếu phụ thuộc vào luật điều khiển được sử dụng.
- Trong hình trên mô tả cấu trúc cơ bản của một vòng điều khiển kín cho AMB với các thành phần cần thiết để cấu thành nên một hệ thống AMB theo một phương (x).
- Do đó, cần thiết phải có một giải pháp điều khiển tích cực đối với mạch từ.
- Mục tiêu chính của bộ điều khiển là nhằm duy trì vị trí của rotor tại giá trị mong muốn của nó.
- Về cơ bản, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách thức: khi rotor dịch chuyển đi xuống, cảm biến sẽ cung cấp một tín hiệu chuyển dịch để làm tăng dòng điện điều khiển.
- Bộ môn Điều khiển – Tự động hóa – Đại học Bách Khoa Hà Nội là một trong những cơ sở sớm có những triển khai liên quan.
- 1.5.2 Những nghiên cứu ở nước ngoài Trên thế giới, các công bố liên quan đến nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các bộ điều khiển cho các hệ thống AMB, kể từ những năm 1990 trở lại đây, có sự gia tăng đáng kể.
- Đối với hướng nghiên cứu các bộ điều khiển hiện đại ứng dụng cho AMB, một số các nghiên cứu tiêu biểu dưới đây đã được dùng tham khảo trong luận văn này.
- Weldon đã trình bày trong nghiên cứu một phương pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống nâng từ tính rotor cứng.
- Thông qua các kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi và điều khiển trượt, các tác giả đã cấu trúc nên một luật điều khiển phi tuyến có thể duy trì trục rotor ở vị trí trung tâm.
- 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 chuyển động có thể ổn định hóa hệ thống.
- 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.
- Do đó, bộ điều khiển tạo ra được quá trình bám theo vị trí rotor toàn cục dạng hàm mũ.
- Jonh Y.Hung, Nathaniel G.Albrinton và Fan Xia năm 2003 đã thiết kế một hệ điều khiển phi tuyến cho ổ đỡ từ.
- Ngoài ra, trong một số các nghiên cứu khác gần đây, các tác giả cũng đã đề xuất một hướng tiếp cận mới để điều khiển các bộ AMB.
- Giải pháp điều khiển tập trung dựa trên MHTT được áp dụng cho đối tượng MIMO.
- Bộ điều khiển LQG đề xuất cho thấy khả năng chống nhiễu hiệu quả.
- Do vậy, một hệ thống điều khiển danh định là mô hình được thể hiện dưới dạng các phương trình toán học.
- (2.23) Thông thường dòng điện điều khiển là rất bé trong các hệ thống điều khiển zero-power, đặc biệt là trong chế độ xác lập.
- Hình 3.8 Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển đối xứng các chế độ dòng điện Hai đồ thị ở cuối hình 3.8c thể hiện trạng thái dòng điện của chính các trường hợp vừa nói.
- Như vậy với phương pháp điều khiển này không thể có chế độ dòng điện gián đoạn, dòng tải sẽ liên tục chảy, hoặc theo chiều này, hoặc theo chiều kia.
- Băm xung một chiều dùng phương pháp điều khiển không đối xứng.
- Trong phương pháp này cả 4 van lực đều hoạt động, nhưng các van điều khiển khác nhau tùy theo chiều dòng tải cần có.
- Trong số các bộ biến đổi đã phân tích ở trên ta thấy mạch băm xung một chiều có đảo chiều, dùng phương pháp điều khiển đối xứng là phù hợp nhất.
- Chương 3: Mạch điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động 64 Lựa chọn bộ băm xung một chiều có đảo chiều dùng phương pháp điều khiển đối xứng.
- Tuy nhiên với việc điều khiển ổ từ, ta không cần sử dụng đến việc đảo chiều.
- Do đó bộ biến đổi chỉ cần mắc như sau: Hình 3.10 Sơ đồ mạch động lực BBĐ công suất dùng điều khiển ổ từ 3.3.2 Tính toán lựa chọn thiết bị Căn cứ vào dữ kiện của đầu bài.
- Chương 3: Mạch điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động 65 - Khác với kiểu chọn van cho các mô hình mạch động lực khác, ở đây bộ điều khiển cho ổ từ đòi hỏi tần số đóng cắt của van rất lớn (cỡ 20 kHz – 40kHz).
- Nếu không đáp ứng kịp sẽ ảnh hưởng xấu đến việc băm xung điều khiển ổ từ.s Như vậy ta lựa chọn loại IGBT: FP15R06KL4.
- Đây là loại van IGBT rất thông dụng, dễ tìm mua, giá thành rẻ, đảm bảo được những yêu cầu điều khiển của công nghệ.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 66 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG Để kiểm nghiệm chất lượng bộ điều khiển cũng như chất lượng của bộ biến đổi công suất dùng cho cuộn dây của ổ từ ta cần tiến hành mô phỏng hệ thống.
- Trong chương này tác giả tập chung phân tích mạch điều khiển sử dụng mô phỏng trong nội dung của đề tài.
- Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng dãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội.
- Đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hóa và điều khiển.
- Tuy nhiên với những lợi thế sẵn có tác giả lựa chọn xây dựng mạch phát xung điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC 18F4520.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 67 4.1 Giới thiệu tổng quan về vi điều khiển PIC18F4520 a.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 68 - Thiết kế theo kiến trúc Havard, tập lệnh RISC.
- Mục đích chính của việc sử dụng WDT là tránh cho vi điều khiển vô tình thực hiện phải một vòng lặp chết mà không thoát ra được.
- 01 cổng truyền thông nối tiếp đồng bộ (Master Synchronous Serial Port) có thể hoạt động được ở chế độ SPI hoặc I2C - 01 cổng truyền thông nối tiếp đồng bộ/không đồng bộ tăng EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) giúp vi điều khiển PIC có thể giao tiếp với nhau hoặc giao tiếp với cổng COM của máy tính - 13 kênh biến đổi tương tự - số (ADC) độ phân giải 10 bit Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 70 * Khối giao tiếp vào / ra số Vi điều khiển PIC18F4520 có 5 cổng vào/ra ABCDE.
- Hình 4.5 Sơ đồ khối của CCP ở chế độ PWM Trên hình 4.11 là dạng xung PWM trên chân CCPx Khi TMR2 bằng PR2 - TMR2 sẽ được xóa Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 73 - Chân CCPx sẽ được thiết lập ở mức “1” (nếu độ rộng xung là 0%, chân CCPx sẽ không được thiết lập.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 74 4.1.2 Chuyển đổi tương tự số A/D sử dụng PIC18F Giới thiệu 1.
- Vì vậy các tín hiệu tương tự cần phải chuyển đổi thành tín hiệu số bằng bộ biến đổi tương tự - số trước khi đưa vào vi điều khiển.
- Thời gian này được tính từ khi có lệnh điều khiển chuyển đổi đến khi có tín hiệu số đầu ra ổn định.
- (4.1) Trong đó: 2n: là giá trị số tối đa tương ứng với giá trị tương tự đầu vào là VR Công thức mối quan hệ giữa điện áp vào và đầu ra số: Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 75 INV Q D Hay  EF EF21RRINnV V DV.
- ADC trên PIC18F4520 Vi điều khiển PIC18F4520 được tích hợp bộ chuyển đổi ADC với 13 kênh đầu vào tương tự từ AN0 đến AN12, độ phân giải là 10 bit (hình 4.12) Hình 4.7 Sơ đồ khối ADC Điện áp trên các kênh đầu vào (AN0÷AN12) được lựa chọn nhờ các bit (thanh ghi ADCON0).
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 76 Điện áp tham chiếu VREF- và VREF+ được lựa chọn bằng các bit trên thanh ghi ADCON1.
- Ở đây có thể có coi LSB chính là điện áp bước Q Hình 4.8 Tham chiếu tín hiệu tương tự với tín hiệu số 4.2.2.2 Điều khiển hoạt động chuyển đổi A/D Bộ chuyển đổi A/D có một tính năng rất đặc biệt là nó có thể chuyển đổi ngay cả khi vi điều khiển ở chế độ ngủ, muốn bộ biến đổi A/D hoạt động được ở chế độ này thì nó phải được nối với bộ dao động RC nội.
- Để cấu hình cho các chân từ (AN0:AN12) là đầu vào tương tự thì chúng ta cần phải tác động tới các thanh ghi Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 77 TRISA, TRISB và TRISC để chọn đầu vào tương ứng cho các chân, sử dụng bit PCGF để lựa chọn các đầu vào bộ biến đổi A/D là đầu vào tương tự.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 78 TACQ là thời gian chờ cần thiết để có thể thu nhận được 10 bit tín hiệu số.
- Hình 4.11 Chuyển đổi A/D với TACQ= 0 TAD Hình 2.17 biểu diễn quá trình chuyển đổi tương tự - số của bộ biến đổi A/D theo thời gian với ACQT = “010” (TACQ= 4 TAD ) Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 79 Hình 4.12 Chuyển đổi A/D với TACQ= 4 TAD 3.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 80 Chú ý: Thời gian chuyển đổi cho mỗi bit được định nghĩa là TAD.
- Bàn phím và LCD là hai modul tác dụng hỗ trợ quá trình điều khiển và giám sát hệ thống hoạt động 4.2.2 Các khối chức năng trên kit vi điều khiển 1.
- Khối vi điều khiển trung tâm Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 82 Hình 4.15 Sơ đồ khối vi điều khiển trung tâm Khối vi điều khiển trung tâm có nhiệm vụ quản lý, giám sát, điều khiển hoạt động của toàn bộ các modul sử dụng trong mạch có nghĩa là mọi hoạt động trong hệ thống trên cơ sở điều khiển PIC18F4520.
- Ngoài ra - Vi điều khiển PIC18F4520 sử dụng dao động thạch anh ngoài tần số 10MHz - Sử dụng mạch nạp Pickit2 để nạp chương trình cho PIC18F4520 2.
- Khối giao tiếp máy tính thông qua cổng nối tiếp Hình 4.16 Khối giao tiếp máy tính MAX232 Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 83 Cổng nối tiếp của máy tính là cổng COM( Comunication Port) để giao tiếp dữ liệu hai chiều giữa máy tính PC và ngoại vi với nhiều ưu điểm .
- Ghép nối dễ dàng vi điều khiển hoặc PLC.
- Trên vi điều khiển chúng ta sử dụng modul USART giao tiếp bất đồng bộ máy tính cài đặt thông số: tốc độ 9600 baud, 1bit start, 1 bit stop, 8 bit dữ liệu không sủ dụng bit Parity.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 84 3.
- Phần mềm nhúng trên vi điều khiển thực hiện các nhiệm vụ sau.
- Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process varible) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra Hình 4.19 Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID Một bộ điều khiển PID bao gồm 3 thành phần: P(proportional.
- tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error - e), I (integral.
- tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative.
- tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch.
- K e(t)+ K e(t)dt+ Kdt (4.3) Tùy vào mục đích và đối tượng điều khiển mà bộ điều khiển PID có thể được lượt bớt để trở thành bộ điều khiển P, PI hoặc PD.
- Công việc chính của người thiết kế bộ điều khiển PID là chọn các hệ số Kp, Kd và Ki sao cho bộ điều khiển hoạt động tốt và ổn định (quá trình này gọi là PID gain tuning).
- Với mô hình điều khiển cho ổ từ ta sử dụng bộ điều khiển PID Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng), điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 87 Thêm thành phần I để giảm steady state error.
- Vì bộ điều khiển PID xây dựng trong PIC sẽ là bộ điều khiển số, chúng ta cần xấp xỉ công thức của bộ điều khiển này theo các khoảng thời gian rời rạc.
- Vì thời gian lấy mẫu cho các bộ điều khiển thường rất bé nên có thể xấp xỉ đạo hàm bằng sự thay đổi của e trong 2 lần lấy mẫu liên tiếp: de/dt =(e(k.
- Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 88 Hình 4.21 Xấp xỉ tích phân của biến sai số e Tổng quát: 0( )*ke(t)dt e k t (4.4) Tổng hợp các xấp xỉ, công thức của bộ điều khiển PID số: 0.
- Do đó, điện áp tổng của bộ biến đổi công suất được sử dụng để Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 89 khắc phục độ tự cảm, điện trở của cuộn dây và điện áp tự cảm do chuyển động (theo hệ số ku) iudi dxu R L kdt dt.
- (4.10) Khi đó có thể đơn giản mạch vòng điều khiển dòng điện như sau: Hình 4.22 Mô hình mạch vòng dòng điện tối giản của ổ từ 1 phương Ta có hàm truyền của đối tượng là.
- (4.11) Với: Tamp = 10,2ms Ti = L/R ms Ksi = Kamp/R Khi đó áp dụng tiêu chuẩn tối ưu hóa modul cho đối tượng trên ta có bộ điều chỉnh dòng điện là khối PI Chọn hàm chuẩn của tiêu chuẩn tối ưu modul có dạng: Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng MDFsT s T s.
- (4.17) Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 91 Chọn bộ điều khiển PID 2p I DIx p DK s K K sKR K K sss.
- KI > 0 4.4 Mô phỏng kiểm chứng Để đánh giá được chất lượng của bộ điều khiển cũng như khả năng đáp ứng của bộ biến đổi điện tử công suất ta tiến hành mô phỏng với mô hình đã xây dựng.
- Giá trị điện áp trung bình trên cuộn dây của ổ từ cao hay thấp là do bộ điều khiển tính toán để thay đổi độ rộng xung cho phù hợp.
- Với việc xây dựng bộ biến đổi điện tử công xuất sử dụng mạch băm xung một chiều (cầu H) điều khiển đối xứng và sử dụng vòng phản hồi kín đã hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đặt ra với bài toán điều khiển ổ từ chủ động Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng kiểm chứng 92 Kết quả mô phỏng Hình 4.24 Mô hình ổ đỡ từ Trong mô hình trên bao gồm có 8 ổ đỡ từ.
- Tác giả sẽ đi mô phỏng quá trình biến đổi năng lượng của một cuộn dây ổ đỡ từ sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất đã tính toán và thiết kế Hình 4.25 Mô hình điều khiển một cuộn dây stator của ổ đỡ từ Khi ổ từ hoạt động ở chế độ cân bằng Khi đó ta coi như trục rotor nằm ở vị trí cân bằng, giá trị điện áp và dòng điện cấp cho cuộn dây stator là cố định.
- Cảm biến vị trí sẽ xác định vị trí, khâu phản hồi vị trí và phản hồi dòng điện tính toán giá trị phản hồi về vi điều khiển.
- Sau đó vi điều khiển sẽ tính toán khoảng thời gian băm xung cấp vào mạch động lực.
- Do đó, cần thiết phải có một bộ điều khiển để ổ từ làm việc ổn định - Hệ truyền động đối với mô hình điều khiển cuộn dây của ổ từ đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tần số băm xung điều khiển cao, điều khiển ổn định, sai lệch tĩnh nhỏ, khắc phục được nhiễu.
- Luận văn đã thực hiện mô phỏng thành công mô hình bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động với mạch động lực sử dụng mạch băm xung một chiều dạng cầu H, mạch phát xung điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC 18F4520 đang được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp.
- Tuy nhiên để thực sự điều khiển ổn định được hoạt động của ổ đỡ từ thì ta cần phải quan tâm đến một số các vấn đề nữa, như.
- Nguyễn Quang Địch, “Thiết kế hệ điều khiển cho vòng bi từ chủ động 4 cực sử dụng các bộ khuếch đại tuyến tính” Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và tự động hóa – VCCA – 2011,pp .
- Trần Lục Quân, Trần Xuân Minh, Nguyễn Thị Thanh Bình “Điều khiển tách kênh động cho vòng bi từ chủ động 2 bậc tự do bằng phương pháp phản hồi trạng thái”, Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hóa – VCCA – 2011, pp .
- Nguyễn Thị Thanh Bình “Cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ”, Luận án Tiến sĩ, Đại học Thái Nguyên, 2013 [10].
- Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh “Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2003 [14].
- Nguyễn Doãn Phước “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2007 [15].
- Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương “Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất” Đại học Bách khoa Hà nội, 2014 [18].
- Nguyễn Phùng Quang, “Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2004 [20].
- Vũ Trung Kiên, Phạm Văn Chiến, Nguyễn Văn Tùng “Kỹ thuật ứng dụng vi điều khiển vào điều khiển máy” Đại học Công nghiệp Hà nội, 2014

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt