Luận án Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng Stator không lõi thép

hình lực ổ từ của động cơ tự nâng không lõi thép được biểu diễn trên trục X-Y như trên Hình 2.8a. Khi rotor quay đồng tâm mặc dù ba cặp lực luôn quay đồng tốc với rotor (đứng im so với rotor) ta luôn luôn có hai cặp lực tĩnh và Hình 2.8 Lực ổ từ của động cơ TNSKLT khi hệ đứng im khi đồng tâm (a) và khi lệch tâm (b) trên tọa độ X-Y Xét khi rotor lệch tâm (Hình 2.8 b), hệ điều khiển sẽ tạo ra và để khử sai lệch theo trục X (). Lựcvà để khử sai lệch theo trục y (), cụ thể: - Đối với trục X (2.10) - Đối với trục Y (2.11) Từ biểu thức (2.10) và (2.11) ta thấy được lực ổ từ, khi rotor cân bằng được giữ ổn định bởi hai cặp lực đối đầu có giá trị bằng nhau (Fx+ và Fx-); (Fy+ và Fy-) tương tự như ổ từ chủ động dùng lõi thép. Ví dụ: Khi rotor bị lệch tâm như trên Hình 2.8 b xuất hiện sai lệch là ∆x > 0 và ∆y < 0. Để khử lệch tâm rotor đưa rotor về vị trí cân bằng ta dùng giải pháp điều khiển dòng điện tạo ra lực để đưa sai lệch ∆x = 0 và sai lệch ∆y = 0. (2.12) 2.1.3 Phân tích nguyên lý điều khiển mô men quay động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải Biểu thức tính mô men (1.15) rất phức tạp không thể biến đổi rút gọn để sử dụng trong việc tính giá trị mô men và tổng hợp bộ điều khiển tốc độ. Xuất phát từ cấu trúc từng pha động cơ được tạo nên bởi một cuộn dây giống cấu trúc dây quấn của động cơ điện xoay chiều thông dụng trong 2.1.1 c. Ta sẽ sử dụng theo tính chất vật lý tạo ra sức từ động của từng cặp bối dây khi cấp cho ba cặp bối dây động cơ dòng xoay chiều: (2.13) Trong đó Ism là biên độ cực đại của véc tơ dòng stator, góc quay của véc tơ dòng điện (là góc ban đầu của véc tơ dòng điện pha a-d so với trục X) , là tốc độ quay của véc tơ dòng điện stator. Theo (2.1), ta có ba véc tơ dòng điện được quay với góc ωt. Dòng điện xoay chiều cấp cho stator tác động với từ trường tạo mô men quay rotor với tốc độ ω, nên véc tơ từ trường rotor cũng được quay đồng bộ với véc tơ dòng điện. Xét khi rotor đứng im chọn vị trí ban đầu cực từ trùng với trục X và lệch pha với véc tơ dòng stator pha a là ψ0 = π/4. Ta gắn hệ tọa độ quay d-q với từ trườngcó trục d trùng với cực từ hay trục d ≡ X. Đồ thị véc tơ dòng và từ trường ở vị trí ban đầu được trình bày trên Hình 2.9. Hình 2.9 Đồ thị véc tơ của động cơ tự nâng stato không lõi thép ở vị trí ban đầu Áp dụng phép biến đổi véc tơ không gian [49÷51] với dòng điện stator ta có véc tơ dòng điện tổng Is từ (2.13), ta có: (2.14) Vì ta nghiên cứu dòng điện là đại lượng điều khiển, nên phép biến đổi véc tơ sẽ định hướng theo véc tơ dòng điện (xem Hình 2.10). Vị trí véc tơ theo phép biến đổi véc tơ ta có góc biến đổi là trong đó là vị trí ban đầu véc tơ dòng điện tổng với trục cuộn dậy pha a, là tốc độ quay của véc tơ ta chọn tốc độ quay . Để thuận tiện tính toán giá trị mô men, ta có thể véc tơ dòng điện sẽ trùng với trục q, tức là[56]. Để có với cấu trúc điều khiển véc tơ của động cơ thông thường, người ta thiết lập mạch vòng điều khiển dòng Isd với lượng đặt [49][52]. Nhưng với động cơ TNSKLT, do điện cảm Ls động cơ rất nhỏ (Ls= 0,006 mH), nếu động cơ chạy với tần số 1000Hz (60.000v/f) thì giá trị điện kháng stator chỉ cỡ 0,0 37Ω, so với điện trở stator 3,2Ω (xem số liệu động cơ ở B 3.1) (điều này tương tự như máy điện đồng bộ làm việc trong chế độ thuần trở) dẫn đến véc tơ dòng điện tổng trùng pha với véc tơ sức điện động cơ , tức là véc tơ dòng điện tổng trùng với trục q. Điều này có nghĩa là dòng stator không có thành phần trợ từ hoặc diệt từ . Hình 2.10 Biểu diễn dòng điện stator động cơ trong không gian véc tơ Từ thông rotor (Wb) được tính bằng mật độ từ trường nhân với diện tích cực từ rotor: (2.15) Trong đó B (T) là cường độ từ trường, r (m) là bán kính và ℓ (m) chiều cao rotor. Mô men động cơ sinh ra là tích vô hướng của véc tơ từ thông rotor với véc tơ dòng điện tổng. Với dòng điện stator . Mô men động cơ được tính [49]: (2.16) Trong đó Biểu thức (2.16) khi dùng với mục đích tính toán giá trị mô men của động cơ và tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ sẽ rất thuận tiện. 2.2 Mô hình mạch lực của truyền động động cơ tự nâng không lõi thép Về mạch lực: Do tính đối xứng của các cặp cuộn dây a-d, b-e và c-f , ta nối dây –a nối với +d, -b nối với +e và –c nối với +f, như vậy mạch nguồn lực chỉ cần cấp cho động cơ ba dòng điện . Mô hình động cơ stator không lõi thép sử dụng nguồn dòng, vì vậy ta sẽ sử dụng ba bộ khuếch đại BKĐD A, BKĐD B, BKĐD C cấp cho ba cặp dây của động cơ a-d, b-e, c-f. Trong đó -a nối nối tiếp với +d, -b nối nối tiếp với +e, -c nối nối tiếp với +f. Sơ đồ nối dây được trình bày trên Hình 2.11. Thiết bị đo dùng trong mô hình: Thiết bị đo vị trí rotor (vị trí) x và y dùng cảm biến tiệm cận tuyến tính; Thiết bị Resolver để đo góc cực từ và tốc độ động cơ. Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch lực và đo lường động cơ tự nâng stator không lõi thép 2.3 Động lực học quá trình điện từ động cơ TNSKLT 2.3.1 Động lực học mạch phần ứng Giả thiết ba cuộn dây có thông số giống nhau, không có nối điện với nhau, đặt cách nhau đúng 1200, do hỗ cảm các cuộn dây các pha nhỏ nên giả thiết bỏ qua, ta có phương trình điện áp cho từng thành phần cho một pha: - Quá trình điện từ mạch stator đối với dòng tạo lực nâng (2.17) - Quá trình điện từ đối với dòng tạo mô men quay (2.18) Từ (2.17) và (2.18) ta xây dựng được sơ đồ thay thế mạch phần ứng cho quá trình tạo lực nâng được trình bày trên Hình 2.12a và sơ đồ thay thế mạch phần ứng cho quá trình tạo mô men quay được trình bày trên Hình 2.12b. Trong đó và là điện áp của stator ứng với quá trình tạo lực nâng và tạo mô men quay,là sức điện động xoay chiều cảm ứng, R là điện trở và L là điện cảm mạch phần ứng. Hình 2.12 Sơ đồ thay thế một pha mạch phần ứng của động cơ TNSKLT 2.3.2 Động lực học mạch vòng điều khiển lực nâng Phương trình chuyển động theo trục X (2.19) Phương trình chuyển động theo trục Y (2.20) Trong đó: x(m), y(m) là vị trí rotor tính theo trục X và trục Y được phát hiện bởi cảm biến vị trí; m(kg) khối lượng rotor; Fcx(N), Fcy(N) là lực cản của rotor quy đổi về trục X và trục Y; Fx(N), Fy(N) là lực đẩy động cơ sinh ra quy về trục X và trục Y được sinh ra do dòng điện của ba cuộn dây stator quy về trục X và trục Y, Ta có mô hình đối tượng điều khiển vị trí rotor của động cơ được trình bày trên Hình 2.13. Hình 2.13 Cấu trúc đối tượng điều khiển vị trí rotor Đại lượng tác động của vị trí là lực thông qua đại lượng dòng điện Ix và Iy, hai dòng điện này do ba dòng điện một chiều tạo nên được chiếu trên trục X-Y. 2.3.3 Động lực học chuyển động Vấn đề về chuyển động quay của rotor: Trục rotor của mô hình động cơ TNSKLT được nối với tải bởi khớp mềm. Ở trạng thái chưa quay, giả thiết rotor đồng tâm, trọng tâm nằm ở giữa rotor, có khe hở với cuộn dây stator đều nhau, như Hình 2.14a. Hình 2.14 Mô tả rotor đồng tâm và quay lệch tâm Khi động cơ khởi động rotor bắt đầu quay, do quán tính của rotor xuất hiện lực ly tâm [53-54] làm lệch tâm như Hình 2.14b, lúc đó trọng tâm và đường kính của đối tượng và trọng tâm sẽ thay đổi. Ta thấy hiện tượng lệch tâm rotor ngoài nguyên nhân về vấn đề chế tạo rotor bị lệch trọng tâm và cơ cấu đo lường không chính xác, còn nguyên nhân xảy ra khi động cơ khởi động cơ và động cơ chạy ở tốc độ thấp hay khi động cơ gia tốc và giảm tốc. Phương trình động lực học truyền động động cơ stator không lõi thép, do rotor quay lệch tâm nên mô men quán tính của động cơ thay đổi. Mặt khác khi khe hở không khí giữa rotor và stator thay đổi dẫn đến mô men điện từ của động cơ sinh ra cũng thay đổi theo. Phương trình động lực học chuyển động tổng quát khi khe hở không khí thay đổi: (2.21) Tuy nhiên do khoảng cách nối trục dài (80 mm) so với sai lệch khe hở cực đại là 5 mm nên góc lệch tại khớp nối khoảng ∝max ≤ 3,50 (xem Hình 2.14b), với góc lệch này có thể coi gần đúng mặt rotor chuyển động dạt ngang. Vì vậy ta có thể giả thiết chưa xét đến mô men quán tính thay đổi do lệch tâm trong khe hở nhỏ nên sự biến thiên mô men quán tính gần đúng có thể bỏ qua tức là dJ/dt = 0. Mặt khác khi khe hở không khí thay đổi sẽ gây ra mô men động cơ thay đổi cũng được giả thiết gần đúng bỏ qua, ta có phương trình động học chuyển động của động cơ: (2.22) Từ (2.22) ta có mô hình đối tượng điều khiển mô men được trình bày trên Hình 2.15 Hình 2.15 Mô hình đối tượng điều khiển mô men Đại lượng tác động tốc độ động cơ là mô men, mô men động cơ được điều khiển bởi dòng điện tạo mô men thông qua điều khiển biên độ cực đại của ba dòng điện này Ism. 2.4 Mô hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép a) Phân tích điều khiển Về nguyên lý điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép có lai ổ từ có hai nhiệm vụ: Điều khiển lực để cân bằng rotor (chức năng ổ từ) và điều khiển mô men (chức năng điều chỉnh tốc độ động cơ), có tính chất sau: - Hai đại lượng cần điều khiển là vị trí rotor (x và y) và tốc độ động cơ (ω). Như vậy hệ điều khiển có hai kênh điều khiển: Điều vị trí rotor và điều khiển tốc độ động cơ. - Hai đại lượng điều khiển gồm: Dòng điện tạo lực ổ từ là dòng một chiều để điều khiển vị trí rotor và dòng điện tạo mô men để điều khiển tốc độ là dòng xoay chiều. Hai dòng điện này được điều khiển riêng rẽ sau đó tổng hợp đưa vào bộ khuếch đại nguồn dòng cấp cho các thanh dẫn của động cơ. - Đại lượng nhiễu đối với kênh điều khiển tốc độ là mô men tải Mc, nhiễu xen kênh từ sai lệch vị trí rotor ảnh hưởng tới lực sinh mô men. b) Phân tích phương pháp điều khiển vị trí Điều khiển ví trí có hai phương pháp điều khiển lực ổ từ: - Phương pháp điều khiển cho động cơ dây quấn dạng thanh: Lực ổ từ sẽ tác động vào giai đoạn tiền khởi động “start-up” trong giai đoạn này ta cấp cho động cơ dòng tạo lực để đưa rotor động cơ về vị trí cân bằng, tức là đảm bảo khe hở không khí đồng đều; Giai đoạn tiếp theo khi rotor đồng tâm cho phép khởi động bằng điều khiển dòng tạo mô men . Trong quá trình động cơ chạy nếu như khe hở không khí đồng đều thì dòng điện sinh ra lực sẽ bằng không. Nếu rotor bị lệch tâm xuất hiện ∆x ≠ 0 và ∆y ≠ 0, bộ điều khiển vị trí tạo nên dòng ∆Ix và dòng ∆Iy để sinh ra lực và để khử sai lệch tâm rotor. Khi thiết kế điều khiển lực ổ từ theo phương pháp này ta thấy dòng điện sinh ra lực ổ từ chỉ xuất hiện khi có sai lệch vị trí rotor. - Phương pháp điều khiển cho động cơ dây quấn rải: Lực ổ từ luôn tồn tại ba dòng điện tạo ba lực đẩy Foad, Fobe và Focf tác động liên tục lên rotor để cân bằng rotor trong cả lúc rotor đứng im và cả trong khi động cơ chạy. Trong trạng thái rotor cân bằng ta luôn duy trì lực từ Fx và Fy tác động do dòng điệntạo nên. Khi có sai lệch ∆x ≠ 0 và ∆y ≠ 0, bộ điều khiển tạo nên dòng để sinh ra lực để khử sai lệch tâm rotor. 2.5 Cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT (dạng I) Cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT dạng I được phát triển trên cấu trúc điều khiển Hình 1.16 [42]. Về nguyên lý điều khiển động cơ TNSKLT hai nhiệm vụ: Điều khiển lực để cân bằng rotor (chức năng ổ từ) và điều khiển mô men (chức năng điều chỉnh tốc độ động cơ), có tính chất sau: - Hai đại lượng cần điều khiển là vị trí rotor (X và Y) và tốc độ động cơ (ω). Như vậy hệ điều khiển có hai kênh điều khiển: Điều khiển vị trí rotor và điều khiển tốc độ động cơ. - Hai đại lượng điều khiển gồm: Dòng điện tạo lực ổ từ là dòng một chiều để điều khiển vị trí rotor theo biểu thức (2.2) và dòng điện tạo mô men để điều khiển tốc độ là dòng xoay chiều tính theo (2.13). Hai dòng điện này được điều khiển riêng rẽ sau đó tổng hợp đưa vào bộ khuếch đại nguồn dòng cấp cho các thanh dẫn của động cơ. - Đại lượng nhiễu đối với kênh điều khiển tốc độ là mô men tải Mc, nhiễu xen kênh từ sai lệch vị trí rotor ảnh hưởng tới lực sinh mô men. - Sơ đồ mạch vòng vị trí được mô tả trên Hình 2.16 Hình 2.16 Sơ đồ mô tả đối tượng mạch vòng điều khiển vị trí Đại lượng nhiễu của kênh điều khiển vị trí rotor gồm: Rotor không đồng tâm khi động cơ đứng im, nhiễu ảnh hưởng từ kênh điều khiển tốc độ như khi gia tốc hoặc giảm tốc động cơ do lực ly tâm của rotor gây sai lệch vị trí rotor hoặc tải động cơ thay đổi tác động làm sai lệch vị trí ta gọi chung là Dx và Dy. Các nhiễu này có dạng hàm điều hòa (do tốc độ động cơ gây nên lực ly tâm). Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng I trình bày trên Hình 2.17. Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép có hai kênh điều khiển: - Kênh điều khiển vị trí rotor gồm hai bộ điều khiển vị trí cho hai trục X và Y đầu ra là hai dòng điện vàqua biến đổi tọa độ (1.11) ta được dòng đầu ra. - Kênh điều khiển tốc độ Rω đầu ra bộ điều khiển tốc độ là biên độ dòng điện của thành phần dòng điện tạo mô men qua bộ biến đổi tọa độ ta có được tính toán thông qua (2.13). Tổng hợp hai tín hiệu dòng điện ta có dòng điện đặt cho mạch vòng dòng điện (2.23) Trong đó: - là biến thiên dòng điện sinh ra lực nâng (2.24) -là dòng điện sinh ra mô men quay (2.25) Trong đó với (xem mục 2.1.3) Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT dạng thanh (dạng I) 2.6 Phân tích điều khiển lực ổ từ cho động cơ TNSKLT dây quấn rải (dạng II) - Điều khiển lực nâng cho động cơ TNSKLT như đã nêu ở phần 2.5, có ưu điểm là dòng tạo lực cân bằng rotor chỉ xuất hiện khi rotor bị lệch tâm điều này dẫn đến giảm tổn thất điện và tăng cường được dòng sinh mô men động cơ nên hiệu suất động cơ tăng. Nhược điểm, khi dòng tạo lực cân bằng rotor lại phát sinh ra mô men hãm ngược (do dòng điện tạo lực nâng quay với chiều ngược lại với rotor). Với mô men hãm ngược này sẽ “ vặn” rotor thẳng đứng, nhưng điều này sẽ làm giảm tốc độ động cơ. Từ lý do trên luận án đề xuất nghiên cứu lực nâng theo nguyên lý gồm hai vấn đề: - Đặt dòng điện giữ liên tục rotor cân bằng luôn cấp cho ba cặp cuộn dây a-d, b-e, c-f dòng một chiều để tạo nên ba lực giữ rotor giống lực ổ từ điều này khắc phục được nhược điểm của dạng I, ưu điểm của phương pháp này là tạo lực giữ rotor khi bắt đầu khởi động hoặc khi động cơ gia tốc giảm tốc, nên chống được nhiễu lực ly tâm làm lệch tâm rotor. Tuy nhiên giải pháp này có nhược điểm là tăng tổn thất điện năng và giảm dòng điện sinh mô men làm hiệu suất động cơ giảm. Khắc phục nhược điểm này bằng cách xác định giá trị min của dòng điện . Xuất phát từ lý do khi khởi động động cơ lực ly tâm sẽ gây lệch tâm rotor lớn nhất, tiếp theo khi gia tốc, giảm tốc hoặc khi động cơ làm việc ở tốc độ thấp (động năng rotor thấp). Vì vậy, việc lựa chọn dòng Io có thể được tiến hành qua thực nghiệm ở các trạng thái làm việc khác nhau để tìm được giá trị phù hợp. - Giữ nguyên bản chất lực Fad, Fbe và Fcf quay cùng chiều với tốc độ rotor, ta chiếu ba lực này lên tọa độ tĩnh X-Y ta sẽ có hai véc tơ lực và như đã trình bày ở mục 2.1.2. Như vậy ta có thể nghiên cứu điều khiển lực trên tọa độ tĩnh X-Y phép biến đổi này được trình bày trên Hình 2.18 ta gọi biến đổi là phép biến đổi thuận (a-d, b-e, c-f) sang (X-Y). Hình 2.18 Sơ đồ biến đổi lực nâng (a-d, b-e, c-f) sang (X-Y) Điều này có nghĩa là khi rotor đồng tâm hệ luôn có dòng duy trì lực ổ từ bằng nhausinh ra ba lực có giá trị bằng nhau. để giữ rotor cân bằng (đồng tâm). Tương ứng trên trục X-Y là và Khi rotor bị lệch tâm hệ điều khiển sẽ điều chỉnh dòng điện trên hai trục X-Y để sinh ra dòng điệnvàđể tạo ra ba dòng và là dòng một chiều đưa vào cuộn dây stato động cơ để sinh ra ba lực ; và . Tức là ta cần có biến đổi hai cặp tín hiệuvàsang ba cặp tín hiệu ta gọi phép biến đổi này là phép biện đổi ngược (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f). Ví dụ được trình bày trên Hình 2.19. Hình 2.19 Sơ đồ mô tả biến đổi lực nâng trên hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) Xét ví dụ có sự lệch tâm trên Hình 2.19a với lực trên trục X-Y nên hệ điều khiển tạo ra dòng điện ∆ix và ∆iy để có biến đổi lực trên trục (X-Y) (2.26) Do thay đổi dòng điện trên trục X-Y sẽ làm thay đổi dòng điện trên trục (a-d, b-e, c-f) (2.27) Dòng điện một chiều đưa vào rotor sinh ra lực trên trục (a-d, b-e, c-f) trên Hình 2.19b (lực Fad giảm, lực Fbe tăng và Fcf tăng) (2.28) Khi điều khiển tác động đưa rotor về đồng tâm ta có ∆ix = 0 và ∆iy = 0, như vậy chỉ còn lại dòng điện Io để giữ rotor. Xây dựng biến đổi . Đầu ra bộ điều khiển vị trí ta có hai tín hiệu ta phải biến đổi hai tín hiệu này thành ba tín hiệu để cấp cho ba cuộn dây (a-d, b-e, c-f) ta gọi là phép biến đổi ngược (ghi chú các tín hiệu này đều là một chiều và hai hệ tọa độ đều là tĩnh). Khi hệ có sai lệch vị trí rotor hệ điều khiển sẽ tạo ra hai dòng điện trên hệ tọa độ X-Y là ∆ix ≠ 0 và ∆iy ≠ 0 ta cần phải biến đổi hai tín hiệu dòng sang dòng trên cặp cuộn dây (a-d, b-e, c-f) là như trên Hình 2.20a Hình 2.20 Sơ đồ biến đổi dòng điện hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) Phương pháp biến đổi dòng điện biến thiên dòng trên cùng hệ tọa độ (X- Y) là sang dòng như sau: Ta tính được: (2.29) Vì vậy bản chất của phép biến đổi là chuyển đại lượng véc tơ với biên độ là và góc pha là sang ba véc tơ ở hệ tọa độ tĩnh ba pha (A, B, C) cùng trên mặt phẳng (X-Y) (xem Hình 2.20b). Vị trí véc tơ là góc phụ thuộc vào sai lệch rotor và độ lớn của véc tơ phụ thuộc vào giá trị dòng hay có thể nói là độ lớn của sai lệch . Từ phân tích trên ta có thể thực hiện phép biến đổi như sau: Chia hệ tọa độ X-Y ra làm bốn góc phần tư và tám phần trình bày trên Hình 2. 21. Do ba dòng điện luôn cố đinh trên hệ trục X-Y nên khi đã biết được giá trị dòng và vị trí của nó theo góctheo (2.29) ta dễ dàng tính được ba giá trị. Kết quả tính quy đổi được trình bày trên bảng PLI. Hình 2.21 Sơ đồ tính toán biên độ và vị trí dòng điện để tính quy đổi 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch vòng điều khiển vị trí có dòng cho động cơ TNSKLT dây quấn rải Về cơ bản cũng gần tương tự mạch vòng điều khiển động cơ TNSKLT dạng thanh. Hệ điều khiển có hai kênh: - Kênh điều khiển tốc độ tương tự như động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng thanh. - Kênh điều khiển vị trí rotor gồm bộ điều khiển vị trí có đầu ra là hai tín hiệu qua khâu chuyển đổi tọa độ ta có ba tín hiệu tỷ lệ với ba dòng điện như đã trình bày ở mục 2.6. Cấu trúc mạch vòng điều khiển vị trí quy về trục X-Y được trình bày trên Hình 2.22 Hình 2.22 Sơ đồ đối tượng mạch vòng điều khiển vị trí khi có dòng Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép có chức năng khử nhiễu (dạng II) được trình bày trên Hình 2.23 Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT dây quấn rải (dạng II) Về cơ bản có cấu trúc tương tự như mô hình dạng I (Hình 2.17) khác ở mạch vòng vị trí có thêm dòng điện sinh lực nâng cố định và khâu biến đổi tọa độ tĩnh nên dòng điện đặt cho mạch vòng dòng điện sẽ là: (2.30) 2.8 Phân tích chọn mô hình điều khiển Hai mô hình điều khiển được nêu trong mục 2.5 và 2.7 thực chất chỉ khác nhau ở điều khiển vị trí rotor. Nguyên tắc điều khiển vị trí dạng I là lực từ chỉ xuất hiện khi có sai lệch vị trí được đề xuất [42]. Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm điện năng khi vận hành. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là tạo mô men hãm ngược và nhạy với nhiễu lực ly tâm (do rotor của động cơ được thả lỏng). Nguyên tắc điều khiển vị trí dạng II là cấp cho các cuộn dây stator một dòng một chiều để sinh ra lực giữ chặt rotor ở trạng thái cân bằng. Khi động cơ gia tốc, lực từ sẽ giữ cho rotor không bị đảo theo lực ly tâm. Nếu nhiễu quá lớn lực này không giữ được cân bằng lúc đó mới phải dùng điều khiển bù nhiễu. Nhược điểm của thiết kế điều khiển dạng II là tiêu tốn lượng điện và tăng kích thước cuộn dây stator động cơ, nên cần tìm giá trị dòng Iomin. Từ phân tích trên ta chọn mô hình dạng II để thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Nội dung chương 2 đã giải quyết các vấn đề: - Xây dựng phương trình động lực học cho mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép kiểu mới với rotor có từ trường tập trung và dây stator quấn rải ở phòng thí nghiệm của Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội được gọi là động cơ tự nâng stator không lõi thép kiểu xoay chiều (hay là động cơ xoay chiều kích từ vĩnh cửu stator không lõi thép). - Phân tích và làm rõ chức năng sinh lực nâng ngang trục của động cơ đối với mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép. - Phân tích cấu hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép có chức năng ổ từ theo [42] với lực từ của ổ từ chỉ xuất hiện khi hệ có sai lệch khe hở không khí để từ đó làm cơ sở cho việc xây dựng cấu trúc hệ điều khiển dạng II, có khử nhiễu nhằm làm tăng ổn định bền vững của hệ điều khiển động cơ. CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 3.1 Khái quát chung 3.1.1 Đặt vấn đề Động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm để có thể phát triển ứng dụng. Mỗi một mô hình nghiên cứu lại có cấu tạo khác nhau nên mô hình điều khiển động cơ cũng khác nhau. Dựa trên kết quả xây dựng mô hình điều khiển trong Chương 2, trong chương này sẽ đi thiết kế điều khiển theo các mô hình điều khiển đã đề xuất. a) Mục tiêu của thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép: - Kiểm chứng về thiết kế chế tạo mô hình động cơ. - Kiểm chứng quá trình điện từ cơ của động cơ tự nâng stator không lõi thép, để từ đó có thể hoàn chỉnh mô hình điều khiển động cơ. - Đánh giá cấu trúc và tìm được thuật điều khiển phù hợp với mô hình động cơ nghiên cứu. - Từ thiết kế điều khiển sẽ yêu cầu tới hoàn thiện thiết kế bộ biến đổi cấp cho động cơ. - Định hướng nghiên cứu ứng dụng loại động cơ này trong thực tế. b) Những giả thiết khi nghiên cứu thiết kế: Quá trình điện từ cơ của hệ truyền động động cơ tự nâng stator không lõi thép là phức tạp, nên bước đầu nghiên cứu để đơn giản ta sử dụng các giả thiết sau: - Sử dụng mô hình điều khiển như trong Chương 2. - Chưa nghiên cứu đến dao động của tải khi nối khớp mềm với động cơ. - Chưa xét đến biến thiên mô men quán tính động cơ thay đổi khi động cơ quay lệch tâm, tức là ta sử dụng phương trình mô men có dJ/dt = 0. - Tác động xen kênh giữa điều khiển tốc độ và điều khiển vị trí: Khi rotor quay do lực ly tâm làm rotor bị lệch tâm được xem tác động này là nhiễu và được tiến hành điều khiển bù. - Chưa quan tâm đến sự lệch tâm rotor ảnh hưởng tới kênh điều khiển mô men và tốc độ động cơ. c) Khái quát về thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép Động cơ tự nâng stator không lõi thép có hai đại lượng điều khiển tốc độ động cơ và vị trí rotor: Xét về đối tượng điều khiển tốc độ động cơ ta đã phân tích ở 2.1.3 theo lý thuyết biến đổi véc tơ về máy điện. Với việc đặt vấn đề chỉ điều khiển dưới tốc độ cơ bản và giả thiết mô men quán tính không đổi và chưa nghiên cứu tới ảnh hưởng lệch tâm rotor tới mô men động cơ, ta sẽ có đối tượng điều khiển mạch vòng tốc độ là mô hình tuyến tính thông số không đổi nên khi thiết kế điều khiển tốc độ động cơ có thể vận dụng những phương pháp thiết kế kinh điển. Ổ từ chủ động là phần tử phi tuyến vì lực từ là hàm tỷ lệ thuận với dòng sinh ra lực và tỷ lệ nghịch với khoảng cách vì vậy ổ từ chủ động đều cần thiết kế điều khiển phi tuyến [64÷70]. Nhưng đối với mô hình động cơ TNSKLT luận án nghiên cứu có mạch vòng vị trí được phân tích ở mục 2.1.2. Khi xét hệ trên hệ tọa độ tĩnh X-Y ta được hệ tuyến tính thông số không đổi. Tuy nhiên do rotor bị treo nên dễ bị tác động của nhiễu, đặc biệt là nhiễu lực ly tâm khi động cơ quay. Các công trình nghiên cứu dùng bộ điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ TNSKLT đều coi hệ là tuyến tính và sử dụng bộ điều khiển là PID [55÷63], chủ yếu quan tâm giải quyết bám lượng đặt chưa quan tâm nhiều đến nhiễu. d) Phương pháp nghiên cứu khi thiết kế - Khi thiết kế ta sẽ dựa trên cấu trúc điều khiển dạng II (trong Chương 2). - Khi thiết kế sẽ thực hiện các phương pháp từ đơn giản đến phức tạp, để tìm ra phương pháp điều khiển phù hợp với động cơ và khả năng ứng dụng của nó. - Để kiểm chứng kết quả thiết kế ta sẽ đi mô phỏng đánh giá. e) Xác định thông số động cơ Mô hình nghiên cứu động cơ tự nâng đồng bộ nam châm vĩnh cửu stator không lõi thép do phòng thí nghiệm Viện kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa chế tạo. Vì vậy các thông số động cơ được xác định qua đo lường thí nghiệm và tính toán được trình bày trên bảng Bảng 3.1. Bảng 3.1 Thông số động cơ 3.2 Cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT Phân tích yêu cầu điều khiển Cấu trúc điều khiển động cơ theo dạng II được nghiên cứu trong mục 2.4 và 2.7. (Hình 2.20) và được trình bày lại trên Hình 3.1 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT Hệ có hai đại lượng cần điều khiển: Tốc độ động cơ và vị trí rotor (khe hở không khí giữa stator và rotor). Điều khiển khe hở không khí thông qua hai điểm đo x và y, ta gọi là điều khiển vị trí x và vị trí y. Đại lượng tác động của điều khiển tốc độ động cơ là dòng sinh mô men , từ dòng quy đổi ra qua khâu biến đổi tọa độ. Đại lượng điều khiển vị trí: Lực ổ từ luôn tồn tại ba dòng điện tạo ba lực đẩy Foad, Fobe và Focf tác động liên tục lên rotor để cân bằng rotor trong cả lúc rotor đứng im và cả trong khi động cơ chạy. Xét trên trục X-Y khi trang thái rotor cân bằng ta luôn duy trì lực từ Fxo và Fyo tác động do dòng điện I0x và I0y tạo nên. Khi có sai lệch ∆x ≠ 0 và ∆y ≠ 0, bộ điều