ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
- - - - È&Ç - - - -

TRẦN NHỰT THANH

THIẾT KẾ MƠ HÌNH TÀU ĐỆM TỪ TRƯỜNG
CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA
MÃ SỐ: 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 07 – 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : .........................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :................................................................................
...........................................................................................................................

...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,
………….. , ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN NHỰT THANH

MSHV: 09150044

Ngày, tháng, năm sinh: 1986

Nơi sinh: Bạc Liêu

Chuyên ngành: Tự Động Hóa

Mã số: 60.52.60

I. TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ MƠ HÌNH TÀU ĐỆM TỪ TRƯỜNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Ø Mơ hình hóa hệ thống nâng, đẩy và dẫn hướng của tàu, xây dựng phương trình
động học cho hệ thống tàu đệm từ trường
Ø Tìm hiểu phương pháp điều khiển trượt.
Ø Sử dụng công cụ mô phỏng Simulink của Matlab và phương pháp điều khiển trượt
để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống nâng tàu.
Ø Chế tạo mơ hình tàu đệm từ trường với mục tiêu là nâng tàu lên và giữ ổn định ở vị
trí cân bằng và có thể thay đổi vị trí cân bằng.
Ø Trên cơ sở kết quả thu được từ mô phỏng và điều khiển mơ hình thực, tác giả rút ra
nhận xét để từ đó có thể đưa ra các hướng phát triển của đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2011
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/7/2011
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HỒNG MINH TRÍ
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn, tơi đã gặp rất nhiều khó
khăn. Với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự động viên, giúp đỡ rất
nhiệt tình từ q thầy cơ, bạn bè và những người thân, tơi đã hồn thành
luận văn của mình.

Trước tiên, tơi chân thành cảm ơn tất cả q Thầy Cơ thuộc Khoa
Điện – Điện Tử trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã
trang bị cho tơi những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập tại
trường.
Cảm ơn các bạn học viên lớp Cao học Tự Động Hóa 2009 đã
động viên và nhiệt tình giúp đỡ khi tơi gặp khó khăn.
Tơi cũng cảm ơn tất cả q Thầy Cơ thuộc Khoa Kỹ thuật - Cơng
nghệ trường Đại học Cửu Long đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
tập trung thực hiện đề tài.
Đặc biệt, tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Hồng Minh Trí đã tận
tình góp ý và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài.
Tơi cũng cảm ơn các tác giả của các bài báo mà tôi sử dụng để
làm tài liệu tham khảo.
Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thân, bạn bè
luôn luôn ở bên tôi và ủng hộ tôi.
TP.HCM, tháng 7 năm 2011
Học viên TĐH 2009

Trần Nhựt Thanh

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường


Tóm tắt

TĨM TẮT
Tàu đệm từ trường được xem là một giải pháp đầy triển vọng cho hệ thống
giao thông trong thế kỷ 21 và trong tương lai. Tàu hoạt động dựa vào lực điện từ và

có các ưu điểm nổi bật như khả năng di chuyển với tốc độ cao, độ an tồn cao, thân
thiện với mơi trường và khả năng chun chở.
Luận văn này sẽ trình bày mơ hình tàu đệm từ trường theo cơng nghệ EMS.
Mơ hình tàu đệm từ trường gồm ba hệ thống đó là hệ thống nâng, dẫn hướng và đẩy
tàu đi tới. Mơ hình của hệ thống nâng tàu và dẫn hướng giống nhau và bao gồm một
nam châm điện, một thanh sắt từ và khe hở khơng khí. Mơ hình của hệ thống đẩy
tới là một động cơ đồng bộ tuyến tính, giống như mơ hình của động cơ đồng bộ
xoay chiều. Mơ hình của ba hệ thống này dùng để đưa ra cơng thức tính tốn lực
nâng, lực dẫn hướng và lực đẩy tới của tàu. Từ đó, chúng ta xây dựng phương trình
động học của tàu.
Bên cạnh đó, phương pháp xây dựng bộ điều khiển trượt cho hệ thống nâng
tàu cũng được trình bày trong luận văn này. Và cơng cụ Simulink của Matlab được
sử dụng để mô phỏng đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển vừa thiết kế. Sau
cùng là chế tạo mơ hình thực và kiểm chứng kết quả với tín tín hiệu đặt là hằng số,
tín hiệu đặt thay đổi theo thời gian và có tác động của nhiễu.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


Tóm tắt

ABSTRACT
MagLev (Magnetic Levitation) train is considered a promising solution to the
transportation system in the 21st century and in the future. The operation of train
based on the electromagnetic force and the advantages such as high-speed, high
safety, environmental friendliness and ability to transport.

This paper presents a model of the MagLev train (EMS technology). The

model composes the three main systems of the MagLev that is the levitation, the
lateral guidance, and the propulsion systems. The levitation and the guidance
system are both modeled as an electromagnetic circuit comprising an electromagnet,
a ferromagnetic guideway plate, and an air gap. The propulsion system, made of a
linear synchronous motor, is modeled as an AC synchronous machine. The
modeling of these systems lead to the computation of the levitation, lateral, and
propulsion forces applied on the MagLev train. Thereafter, we develop the
equations of motion for the train.

In addition, the method of sliding controller for the levitation system is also
presented in this paper. Simulink tool of Matlab is used to simulate the response of
the system controller has designed. Finally, the manufacturing model and test
results while the desired position is a constant value, the desired position changes
over time and the impact of noise.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


1

Mục lục

MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ.............................................................................................. 3
CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... 4
Chương 1 ............................................................................................................................... 5
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................................................. 5
1. Đặt vấn đề ................................................................................................................... 5

2. Giới thiệu đề tài ........................................................................................................... 7
3. Các cơng trình nghiên cứu liên quan ........................................................................... 8
3.1 Các công nghệ thiết kế tàu đệm từ trường hiện nay ................................................ 8
3.2 Một số bài báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan............................................... 14
4. Tóm lượt nội dung luận văn....................................................................................... 16
4.1 Chương 1: Giới thiệu tổng quan ............................................................................ 16
4.2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết..................................................................................... 16
4.3 Chương 3: Mơ hình và thiết kế bộ điều khiển ....................................................... 16
4.4 Chương 4: Chế tạo mơ hình................................................................................... 16
4.5 Chương 5: Kết quả thực nghiệm và kết luận ......................................................... 16
Chương 2 ............................................................................................................................. 17
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................................... 17
1. Từ trường ................................................................................................................... 17
2. Động cơ đồng bộ tuyến tính (LSM)........................................................................... 24
3. Điều khiển trượt ......................................................................................................... 28
3.1 Điều khiển bám (Tracking).................................................................................... 28
3.2 Ổn định hóa (Regulation) ...................................................................................... 31
4. Điều chỉnh tồn phương tuyến tính (LQR)................................................................ 32
Chương 3 ............................................................................................................................. 35
MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.................................................................... 35
1. Mơ hình hóa hệ thống tàu đệm từ trường .................................................................. 35
1.1 Hệ thống nâng vật ................................................................................................. 36
1.2 Hệ thống dẫn hướng............................................................................................... 40
1.3 Hệ thống đẩy tàu .................................................................................................... 42
2. Động lực học của tàu đệm từ trường ......................................................................... 46
2.1 Các lực tác động lên trên khung tàu: ..................................................................... 46
2.2 Phương trình chuyển động:.................................................................................... 49
3. Thiết kế bộ điều khiển ............................................................................................... 50
3.1 Thiết kế bộ điều khiển LQR cho hệ thống nâng tàu .............................................. 52
3.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ thống nâng tàu .............................................. 54

Chương 4 ............................................................................................................................. 63
CHẾ TẠO MƠ HÌNH.......................................................................................................... 63
1. Chế tạo mơ hình thực................................................................................................. 63
1.1 Máy tính:................................................................................................................ 63
1.2 Cảm biến:............................................................................................................... 63
1.3 Card PCI: ............................................................................................................... 64
1.4 Nam châm điện: ..................................................................................................... 65
1.5 Đường ray: ............................................................................................................. 67
1.6 Mơ hình tàu đệm từ trường .................................................................................... 68
2. Thiết lập các kết nối................................................................................................... 69

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


2

Mục lục

Chương 5 ............................................................................................................................. 70
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN ................................................................... 70
1. Kết quả thực nghiệm.................................................................................................. 70
1.1 Điều khiển LQR.................................................................................................... 70
1.2 Điều khiển trượt ..................................................................................................... 74
1.3 Nhận xét chung ...................................................................................................... 83
2. Kết luận...................................................................................................................... 84
2.1 Kết quả đạt được .................................................................................................... 84
2.2 Những hạn chế ....................................................................................................... 84
2.3 Hướng phát triển .................................................................................................... 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 86
PHỤ LUC ............................................................................................................................ 88

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


3

Danh sách các hình vẽ

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Nguyên lý (a) nâng tàu và (b) đẩy tàu tới của cơng nghệ EDS ............................. 9
Hình 1.2: Mơ tả cấu tạo đường ray EDS ............................................................................... 9
Hình 1.3 Hệ thống đường ray EDS ở Nhật bản .................................................................. 10
Hình 1.4: Mơ hình tàu đệm theo cơng nghệ EMS ............................................................... 10
Hình 1.5: Các thiêt bị nâng và định hướng chuyển động EMS ........................................... 12
Hình 1.6: Nguyên lý đẩy, nâng và dẫn hướng của tàu......................................................... 12
Hình 1.7 : Hệ thống tàu INDUCTRACK ........................................................................... 13
Hình 2.1: Một lõi từ đơn giản .............................................................................................. 19
Hình 2.2: Mạch từ tương đương .......................................................................................... 20
Hình 2.3a: Lõi sắt từ trong ví dụ.......................................................................................... 22
Hình 2.3b: Mạch từ tương đương của hình 2.3a.................................................................. 22
Hình 2.4: Hệ thống kích thích nam châm điện của LSM .................................................... 25
Hình 2.5: (a) Mạch điện tương đương của động cơ 3 pha tuyến tính,................................. 26
Hình 3.1: Các thành phần của tàu đệm từ trường ................................................................ 35
Hình 3.2: Mơ hình hệ thống nâng vật của tàu...................................................................... 36
Hình 3.3 : Mơ hình hệ thống dẫn hướng hai bên ................................................................. 40
Hình 3.4: Các thành phần của hệ thống đẩy tàu .................................................................. 42

Hình 3.5: Mạch tương đương một pha của máy điện đồng bộ ............................................ 43
Hình 3.6: Hệ trục tọa độ và đường ray ................................................................................ 46
Hình 3.7: Các lực tác dụng lên khung tàu............................................................................ 47
Hình 3.8: Sơ đồ mơ phỏng hệ thống dùng bộ điều khiển LQR ........................................... 53
Hình 3.9: Đáp ứng của hệ thống dùng bộ điều khiển LQR ................................................. 53
Hình 3.10: Sơ đồ mơ phỏng hệ thống dùng bộ điều khiển trượt (SMC) ............................. 57
Hình 3.11: Đáp ứng của hệ thống dùng bộ điều khiển trượt (SMC) ................................... 58
Hình 3.12: Sơ đồ mơ phỏng hệ thống dùng SMC_sat......................................................... 60
Hình 3.13: Đáp ứng của hệ thống dùng SMC_sat ............................................................... 60
Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng hệ thống dùng SMC_tanh ...................................................... 61
Hình 3.15: Đáp ứng của hệ thống dùng SMC_tanh............................................................. 61
Hình 4.1: (a) cảm biến RPR 220, (b) cảm biến ACS 712.................................................... 64
Hình 4.2: Card PCI 1711 ..................................................................................................... 64
Hình 4.3: Nam châm điện .................................................................................................... 66
Hình 4.4: Đường ray ............................................................................................................ 67
Hình 4.5: Mơ hình tàu đệm từ trường.................................................................................. 68
Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển của hệ thống............................................................................. 69
Hình 5.1: Sơ đồ điều khiển dùng bộ điều khiển LQR ......................................................... 70
Hình 5.2: Đáp ứng của hệ thống dùng bộ điều khiển LQR ................................................. 71
Hình 5.3: Tàu đang ở vị trí x1d=0.015 ................................................................................ 73
Hình 5.4: Sơ đồ điều khiển dùng bộ điều khiển trượt (SMC_tanh)..................................... 74
Hình 5.5: Đáp ứng của hệ thống khi tín hiệu đặt là hằng số................................................ 75
Hình 5.6: Đáp ứng của hệ thống khi tín hiệu đặt là hằng số và có nhiễu ............................ 77
Hình 5.7: Đáp ứng của hệ thống khi tăng khối lượng tàu.................................................... 79
Hình 5.8: Dạng của tín hiệu đặt ........................................................................................... 81
Hình 5.9: Đáp ứng của hệ thống khi tín hiệu đặt thay đổi ................................................... 81
Hình 5.10: Bộ phận đẩy tàu đi tới........................................................................................ 85

Trần Nhựt Thanh


Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường


4

Các kí hiệu và từ viết tắt

CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
A
B
B0
Bsat
C
EDS
EMS
f
F
FAir
FGuid
FLev
FProp
g
gravityX
gravityY
gravityZ
H
IA
Ie
lc


LSM
M
m
Maglev
mm
N
P
V
z(t)
φ
µ0
µr
τ

Tiết diện mặt cắt lõi sắt
Cảm ứng từ
Cảm ứng từ khe hở khơng khí
Cảm ứng từ bảo hịa
Hằng số lực từ
ElectroDynamic Suspension
ElectroMagnetic Suspension
Tần số
Lực từ động
Lực cản không khí
Lực dẫn hướng
Lực nâng
Lực đẩy tới
Gia tốc trọng trường
Gia tốc trọng trường theo trục X
Gia tốc trọng trường theo trục Y

Gia tốc trọng trường theo trục Z
Cường độ từ trường
Dòng điện phần ứng
Dịng điện kích thích của nam châm nâng
Độ dài trung bình của mạch từ
Linear Synchronous Motor
Độ từ hóa
Khối lượng tàu
Magnetic Levitation
Moment từ ngun tử
Số vịng dây
Từ dẫn
Thể tích
Khe hở khơng khí
Từ thơng
Độ từ thẩm chân khơng
Độ từ thẩm tương đối
Bước cực từ

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trương


Giới thiệu tổng quan

Chương 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1. Đặt vấn đề
Với mật độ giao thông dày đặc và nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa, …

ngày càng tăng cao mà u cầu về chất lượng (nhanh chóng, an tồn, không ảnh
hưởng đến môi trường, giá cả hợp lý,…) cũng cần được đáp ứng. Vì vậy, chúng ta
cần tìm ra giải pháp cho hệ thống giao thông để phục vụ cuộc sống của con người
ngày được tốt hơn. Hệ thống tàu đệm từ trường được giới thiệu đầu tiên ở Đức vào
năm 1970, nó được xem là một giải pháp đầy triển vọng cho hệ thống giao thông
đầu thế kỷ 21.
Trước đây, Hermann Kemper là kỹ sư đầu tiên nghiên cứu ra nguyên lý nâng
tàu trong từ trường vào năm 1922. Sau đó, Đức đã nghiên cứu thành cơng và cho ra
đời các thế hệ tàu đệm từ trường (Maglev train). Ngày nay, Tàu đệm từ trường hoàn
chỉnh đã đưa vào sử dụng thương mại vào tháng 03 năm 2003 ở Thượng Hải –
Trung Quốc.
Tàu đệm từ trường được thiết kế dựa vào nguyên lý lực điện từ của nam
châm điện để nâng tàu lên, dẫn hướng và đẩy tàu đi tới. Tàu có các ưu điểm
nổi bật sau:
Ø Có khả năng di chuyển với tốc độ cao do không có tiếp xúc trực tiếp giữa
đường ray và tàu (đạt tới 500 km/h hoặc cao hơn), xấp xỉ gấp bốn lần tốc độ
tối đa cho phép ở các đường cao tốc trên thế giới (trên 100 km/h). Hệ thống
tàu đệm từ trường rất tiện lợi cho việc vận chuyển qua lại giữa các thành phố.
Ø Có độ an tồn cao vì hầu như khơng thể trật đường ray (khung tàu bao trùm
quanh đường ray). Dù chạy với tốc độ cao nhưng hành khách khơng cần thắt
dây an tồn.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trương


6

Giới thiệu tổng quan


Ø Thân thiện với môi trường: Không xả khí thải vào mơi trường, giảm tiếng
ồn do cơng nghệ khơng tiếp xúc với đường ray, khơng thất thốt năng lượng
do ma sát, trọng lượng tàu nhẹ do hạn chế các thành phần cơ khí.
Ø Khả năng vận chuyển: Tàu đệm từ trường có đủ khả năng vận chuyển hàng
hóa, hành khách, … giải quyết được các vấn đề tắt nghẽn giao thông như
hiện nay.
Các quốc gia trên thế giới vẫn đang đầu tư hàng triệu đôla cho việc nghiên
cứu lâu dài hệ thống này vì nếu thành cơng thì tàu đệm từ trường sẽ mang lại một
nguồn lợi rất lớn. Công nghệ tàu đệm từ trường sẽ là nguồn cung cấp động lực tăng
trưởng mới cho tương lai.
Và ở Việt Nam, việc đầu tư xây dựng một hệ thống tàu cao tốc cũng đang
được Quốc hội thảo luận để sớm đầu tư.
Bắt nguồn từ những nhu cầu thực tế và cũng như tính cấp thiết của nó ở Việt
Nam cho nên tác giả quyết định nghiên cứu đề tài này. Việc thiết kế và chế tạo mơ
hình tàu đệm từ trường là mục tiêu của đề tài.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


Giới thiệu tổng quan

7

2. Giới thiệu đề tài
Trong đề tài này, tác giả trình bày mơ hình và phương trình động học của tàu
đệm từ trường, ứng dụng phương pháp điều khiển trượt để thiết kế bộ điều khiển
cho hệ thống nâng tàu và chế tạo mơ hình tàu đệm từ trường.

Mục tiêu chính của đề tài gồm có:
Ø Mơ hình hóa hệ thống nâng, đẩy và dẫn hướng của hệ thống tàu đệm từ
trường, xây dựng phương trình động học của tàu.
Ø Tìm hiểu phương pháp điều khiển trượt.
Ø Sử dụng công cụ mô phỏng Simulink của Matlab và phương pháp điều khiển
trượt để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống nâng tàu.
Ø Chế tạo mơ hình tàu đệm từ trường với mục tiêu là nâng tàu lên và giữ ổn
định ở vị trí cân bằng và có thể thay đổi vị trí cân bằng.
Ø Trên cơ sở kết quả thu được từ mô phỏng và điều khiển mơ hình thực, tác giả
rút ra nhận xét để từ đó có thể đưa ra các hướng phát triển của đề tài.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


Giới thiệu tổng quan

8

3. Các cơng trình nghiên cứu liên quan
3.1 Các công nghệ thiết kế tàu đệm từ trường hiện nay
Tàu đệm từ trường có 3 đặc tính chủ yếu: Nâng lên trong từ trường, chuyển
động trong từ trường và dẫn hướng, điều khiển chuyển động.
Trên thế giới có ba công nghệ thiết kế tàu đệm từ trường cơ bản đó là
cơng nghệ EDS, cơng nghệ EMS và cơng nghệ INDUCTRACK.
3.1.1 Công nghệ EDS (ElectroDynamic Suspension): được thiết kế và sử dụng
tại Nhật Bản. Cấu tạo hệ EDS gồm:
Ø Các thanh và tấm kim loại bọc các cuộn dây quấn (Cuộn tạo lực đẩy, nâng và
dẫn hướng) có tác dụng nâng, đẩy và định hướng di chuyển cho tàu trên

đường dẫn.
Ø Các nam châm điện trên các vách dọc theo đường dẫn tự sinh lực đẩy tàu
theo đường dẫn. Các cuộn nam châm điện dọc theo đường ray tác dụng với
các cuộn nam châm điện lắp dưới gầm tàu điện sẽ sinh ra lực nâng tàu từ
1cm đến 10cm.
Ø Tuy nhiên việc điều khiển nâng và hạ tàu trong hệ EDS rất phức tạp, ví dụ
như muốn nâng tàu lên vận tốc tàu phải đạt được lớn hơn 62 mph.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


9

Giới thiệu tổng quan

Hình 1.1: Nguyên lý (a) nâng tàu và (b) đẩy tàu tới của cơng nghệ EDS

Hình 1.2: Mô tả cấu tạo đường ray EDS

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


Giới thiệu tổng quan

10


Hình 1.3 Hệ thống đường ray EDS ở Nhật bản
3.1.2 Công nghệ EMS (ElectroMagnetic Suspension): được thiết kế tại Đức và
được sử dụng rộng rãi trên thế giới ( />
Hình 1.4: Mơ hình tàu đệm theo cơng nghệ EMS
( />
Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


11

Giới thiệu tổng quan

Cấu tạo bao gồm:
Ø Các nam châm điện lắp dưới sườn, dọc theo chiều dài tàu. Phần tĩnh (stator)
sắt từ lắp dọc theo đường dẫn. Lực điện từ trên tàu tương tác với phần sắt từ
trên đường ray tạo ra lực nâng tàu lên đến 1cm và giữ tàu cách khỏi đường
ray khi vận chuyển và cả khi ngừng tàu. Và lực nâng sẽ tăng khi khoảng cách
giữa tàu và đường dẫn giảm. Điều này cần có một bộ điều khiển, sensor
khoảng cách, bộ biến đổi A/D, kết cấu tàu và đường ray có độ chính xác cao.
Hệ thống nâng dùng nguồn DC riêng (Pin), độc lập với hệ thống tạo lực đẩy
tàu. Năng lượng lưu trữ trong nguồn DC có thể đến 1 giờ. Trong khi di
chuyển nguồn DC luôn được nạp điện bằng máy phát điện trên tàu.
Ø Các nam châm được định vị cả hai phía dọc theo chiều dài của tàu tạo lực ổn
định giữ cho tàu thăng bằng trong khi di chuyển trên đường ray. Bộ điều
khiển giữ khoảng cách cho tàu với đường ray khoảng 1cm.
Ø Tương tự như động cơ điện đồng bộ, stator được cắt và trải dài dưới đường
ray, tàu điệm tương tự như rotor chuyển động trên đường ray và có thể tăng
giảm tốc độ hoặc hãm lại. Như động cơ điện Rotor dây quấn, dòng điện xoay

chiều sinh ra từ thông xuyên qua tàu, nam châm hỗ trợ trên tàu có nhiệm vụ
như một cuộn kích từ. Tốc độ tàu (rotor) được điều chỉnh liên tục bằng các
tần số xoay chiều khác nhau. Nếu cho từ trường chuyển động theo hướng
ngược lại thì động cơ sẽ trở thành chế độ máy phát điện hãm tàu.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


12

Giới thiệu tổng quan

Hình 1.5: Các thiêt bị nâng, đẩy và định hướng chuyển động EMS

Hình 1.6: Nguyên lý đẩy, nâng và dẫn hướng của tàu

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường


Giới thiệu tổng quan

13

Một điểm khác biệt chính giữa Tàu đệm từ trường Nhật Bản và Đức là hệ
Tàu đệm từ trường Nhật Bản dùng nam châm siêu dẫn còn tàu đệm từ trường của
Đức sử dụng nam châm điện. Vì vậy, kinh phí đầu tư cho tàu đệm theo công nghệ

EMS sẽ thấp hơn.
3.1.3 Công nghệ INDUCTRACK: được thiết kế và phát triển tại Mỹ dựa trên ý
tưởng của Halbach, nguyên lý hoạt động dựa vào lực đẩy của các nam châm vĩnh
cữu kết hợp vật liệu siêu dẫn có thể đẩy một khối lượng nặng gấp 50 lần khối lượng
của nó. Khi hệ thống dừng, nó sử dụng hệ thống bánh xe cổ điển để chịu lực.

Hình 1.7 : Hệ thống tàu INDUCTRACK
Hiện tại hệ thống tàu INDUCTRACK này vẫn còn đang được nghiên cứu và phát
triển thêm tại Mỹ theo hướng sử dụng vật liệu siêu dẫn.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


Giới thiệu tổng quan

14

3.2 Một số bài báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan
- Dynamic Behavior of Maglev Vehicle/Guideway System with Control của
tác giả Huiguang Dai [7]: Tác giả của bài báo này trình bày mơ hình tổng qt của
tàu, mơ hình nâng vật bằng nam châm và mơ hình bộ điều khiển để dự đốn sự ảnh
hưởng của tàu trên đường ray. Bên cạnh đó, bài báo cịn cung cấp mơ hình động học
của 1 tàu đơn (single-car) và tàu có 3 toa (multiple-car) và tiến hành mơ phỏng để
nghiên cứu hoạt động của tàu và đường ray.
- Dynamic Simulation of the Maglev Guideway Design của tác giả Ren
Shibo [8]: Trình bày đặc tính động học đường ray của tàu và dùng phương pháp số
để mô phỏng hệ thống kết hợp của tàu.
- A Simulink simulation framework of a MagLev model của các tác giả

Hichem Boudali, R D Williams and T C Giras [9]: Bài báo này đã đưa ra mơ
hình của tàu đệm từ trường theo cơng nghệ EMS bao gồm mơ hình hệ thống nâng
vật, dẫn hướng và đẩy tàu tới. Bên cạnh đó, bài viết cịn tiến hành mơ phỏng sự tác
động qua lại của các hệ thống với nhau.
- High performance variable structure control of a magnetic levitation
system của hai tác giả Mahdi J. Kharaajoo và Farzan Rashidi [11]: Bài báo đề
cập đến việc điều khiển điện áp đưa vào hệ thống nâng vật trong từ trường để bám
theo tín hiệu đặt. Bộ điều khiển trượt được dùng để điều khiển thỏa mãn tính bền
vững của hệ thống.
- Review of Maglev Train Technologies của các tác giả Hyung-Woo Lee,
Ki-Chan Kim và Ju Lee [20]: Bài báo này tóm lượt các cơng nghệ của tàu đệm từ
trường dưới góc nhìn kỹ thuật điện. Mục đích của bài báo này là giúp cho người đọc
có cái nhìn tổng qt để làm sáng tỏ các cơng nghệ của tàu, giúp ta có định hướng
trong nghiên cứu.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


15

Giới thiệu tổng quan

- Slidimg mode Control of Magnetic Levitaion System của hai tác giả N. F.
Al-Muthairi và M. Zribi [14]: Thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ thống nâng vật
trong từ trường được đưa ra trong bài báo này. Bộ điều khiển này bảo đảm cho sự
hiệu chỉnh trạng thái của hệ thống tiệm cận với trạng thái mong muốn. Và bài báo
cũng quan tâm đến tính bền vững của hệ thống khi thông số của hệ thống thay đổi.
- PID Controller Design for Magnetic Levitation Model của tác giả Mária

Hypiusová và Jakub Osuský [22]: Bài báo đề cập đến việc thiết kế bộ điều khiển
PID cho hệ thống không ổn định SISO trong miền tần số (dựa vào biên độ pha). Tác
giả bài báo đã áp dụng thực tế bộ điều khiển PID này cho hệ thống nâng vật trong từ
trường.
- Generalized Design Models For EMS Maglev của tác giả Roger Goodall
[23]: Tác giả của bài báo trình bày khái qt mơ hình hệ thống nâng vật dùng nam
châm điện. Mơ hình đưa ra những ngun lý cơ bản và những yếu tố đặc biệt trong
thiết kế để cung cấp một mơ hình tổng qt để có thể phù hợp cho mọi ứng dụng.
- Một số bài báo trình bày mơ hình của hệ thống tàu đệm từ trường như [12],
[13],[15], [16], [18], [19].
- Các bài báo trình bày phương pháp điều khiển các hệ thống của tàu như
[18], [17], [21].

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


Giới thiệu tổng quan

16

4. Tóm lượt nội dung luận văn
4.1 Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Trong chương 1 này, tác giả giới thiệu sơ lượt về hệ thống tàu đệm từ trường,
những ưu điểm của hệ thống này và đưa ra mục tiêu thiết kế của đề tài. Bên cạnh
đó, tác giả trình các bày sơ lượt về ba cơng nghệ tàu đệm từ trường trên thế giới:
công nghệ EDS, công nghệ EMS và công nghệ INDUCTRACK.
4.2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này, tác giả nhắc lại các vấn đề cơ bản liên quan đến từ trường, trình

bày sơ lượt về lý thuyết của động cơ đồng bộ tuyến tính. Ngồi ra, chương này cịn
đề cập đến hai phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống nâng tàu. Các vấn
đề được đề cập trong chương này sẽ làm cơ sở để áp dụng cho chương 3.
4.3 Chương 3: Mơ hình và thiết kế bộ điều khiển
Trong chương 3 này, tác giả trình bày chi tiết mơ hình 3 hệ thống của tàu
đệm từ trường theo công nghệ EMS đó là hệ thống nâng tàu, hệ thống dẫn hướng và
hệ thống đẩy tàu đi tới. Và sau đó tác giả cũng phân tích đặc tính động học của hệ
thống tàu đệm này. Cuối cùng là thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống nâng tàu.
4.4 Chương 4: Chế tạo mơ hình
Trong chương này tác giả trình bày u cầu và chức năng các thành phần của
hệ thống điều khiển tàu như máy tính điều khiển, card PCI, cảm biến, nam châm, …
Và kết nối chúng lại với nhau để thành một hệ thống điều khiển tàu đệm từ trường.
4.5 Chương 5: Kết quả thực nghiệm và kết luận
Chương này sẽ trình bày kết quả thu được từ mơ hình thực nghiệm, rút ra
nhận xét giữa kết quả mơ phỏng trong chương 3 và kết quả thực nghiệm. Và tác giả
cũng tổng kết lại những nội dung đã đạt được, những mặt hạn chế của đề tài và đưa
ra hướng phát triển của đề tài.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường


Cơ sở lý thuyết

Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Từ trường
Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển

động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các mơment
lưỡng cực từ.
Cảm ứng từ (Magnetic flux density): Cảm ứng từ là một đại lượng vector,
thường được ký hiệu bằng chữ B, đặc trưng cho khả năng tương tác lực của từ
trường lên điện tích chuyển động. Cảm ứng từ có đơn vị đo trong SI là Tesla (T)
(1 T = 1 Wb (Webers)/m² )
Độ từ hóa (hay từ độ) (Magnetization): thường được ký hiệu là M, được
định nghĩa là tổng mơmen từ trên một đơn vị thể tích, là một vector. Về mặt tốn
học, nó được cho bởi cơng thức:

M = lim

∆V → 0

∑m

n

(2-1)

∆V

với mn là mômen từ nguyên tử, ΔV là thể tích.
Độ từ hóa có cùng thứ ngun với cường độ từ trường, được liên hệ với từ trường
qua hệ số từ hóa (hay cịn gọi là độ cảm từ của vật liệu, ký hiệu là χ):
M = χH

Trần Nhựt Thanh

(2-2)


Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trương


Cơ sở lý thuyết

18

Cường độ từ trường (Magnetic field intensity): Cường độ từ trường là đại lượng
vector, thường được ký hiệu bằng chữ H, cùng phương với B trong chân khơng:
H = B/μ0

(2-3)

Trong đó:
H – Cường độ từ trường
B – Cảm ứng từ
μ0 – Độ từ thẩm của chân không – hằng số từ
Trong mơi trường vật chất có độ từ hóa M, vector H được xây dựng để đóng
vai trò tương tự như cường độ điện trường E của điện trường trong các phương trình
Maxwell, thơng qua mối liên liên hệ với cảm ứng từ B và độ từ hóa M, qua biểu
thức sau:
B = μ0(H + M)

(2-4)

Trong chân không, M = 0, nên mối liên hệ rút gọn thành biểu thức (2-3) đã nêu ở
trên. Đơn vị đo của cường độ từ trường trong SI là A/m.
Độ từ thẩm (Magnetic permeability): thường được ký hiệu là μ, là một đại lượng
vật lý đặc trưng cho tính thấm của từ trường vào một vật liệu, hay nói lên khả năng

phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài. Độ từ thẩm thực chất chỉ
đáng kể ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ và feri từ). Đơn vị đo của độ từ thẩm là
H/m. Độ từ thẩm trong chân khơng có giá trị là:

µ 0 = 4π × 10 −7 (H/m)
Độ từ thẩm của một vật liệu bất kỳ so với độ từ thẩm của chân khơng được gọi là độ
từ thẩm tương đối:

µr =

µ
= 1+ χ
µ0

(2-5)

Khi nói độ từ thẩm thì người ta thường ngầm hiểu là là độ từ thẩm tương đối, và đại
lượng này là đại lượng khơng có thứ ngun.

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường


Cơ sở lý thuyết

19

Phương trình Maxwell - Ampere: [2]
Phương trình Maxwell-Ampere cho biết sự lan truyền từ trường trong mạch kín với

dịng điện đi qua đoạn mạch:

∫ H.dl = I

(2-6)

net

Với H là cường độ từ trường được sinh ra từ Inet
Xét một ví dụ, trong hình 2.1

Hình 2.1: Một lõi từ đơn giản

Trong trường hợp này (2-6) trở thành:

H .l c = Ni

(2-7)

Suy ra độ lớn của cường độ từ trường là H =
Độ lớn của cảm ứng từ là B = µ .H = µ

Ni
lc

Ni
lc

(2-8)


(2-9)

Tổng từ thơng đi qua một diện tích

Φ = ∫ B.dA
A

(2-10a)

(Từ thơng là thơng lượng đường sức từ đi qua một diện tích, đơn vị đo là Weber)

Trần Nhựt Thanh

Thiết kế mơ hình tàu đệm từ trường