Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ polysolenoid

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ POLYSOLENOID Mã số: ĐH2015-TN02-05 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hồng Quang Thái Nguyên, 2017 ii NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ThS. Nguyễn Hồng Quang – Khoa Điện – Trường ĐHKT Công nghiệp. PGS.TS Nguyễn Như Hiển - Khoa Điện – Trường ĐHKT Công nghiệp. ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU .................................................................................... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ vii KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................................................... viii MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 1 1.Tính khoa học và cấp thiết của đề tài ..........................................................1 2.Mục tiêu của đề tài ........................................................................................2 3.Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ......................................2 CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH ...................................................... 4 1.1 Những đặc điểm của một hệ truyền động thẳng. ......Error! Bookmark not defined. 1.1.1Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính gián tiếp:Error! Bookmark not defined. 1.1.2 Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính trực tiếp:Error! Bookmark not defined. 1.1.3 Những nhược điểm còn tồn tại trong hệ thống sử dụng động cơ tuyến tính: ..................................................................... Error! Bookmark not defined. 1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của động cơ tuyến tính . Error! Bookmark not defined. 1.2.1 Vài nét về lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính. ... Error! Bookmark not defined. 1.2.2 Những ứng dụng của động cơ tuyến tính đã được áp dụng trong thực tiễn. ...................................................................... Error! Bookmark not defined. 1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính . Error! Bookmark not defined. 1.3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính . ..........Error! Bookmark not defined. 1.3.2 Các dạng cấu tạo của động cơ tuyến tính. Error! Bookmark not defined. 1.3.3 Phân loại động cơ tuyến tính.................... Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 2 : ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÍCH THÍCH VĨNH CỬU DẠNG LYSOLENOID ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG DẠNG POLYSOLENOID. ........................................... 8 2.1 Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid .....................8 2.2 Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid .............................8 iv 2.3 Khái quát về tình hình nghiên cứu về điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid ở trong nước và trên thế giới. ............................................8 2.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước: .......... Error! Bookmark not defined. 2.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: ....... Error! Bookmark not defined. 2.3.3 Kết luận: ...................................................................................................8 CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA ĐCTTĐB KTVC POLYSOLENOIDE ..................................... 9 3.1 Biểu diễn các vector không gian của động cơ hai pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu ....................................................................................9 3.2 Mô hình toán học động cơ 2 pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu ............................................................................................................................9 CHƯƠNG 4 . XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH POLYSOLENOID VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. ................................................... 11 4.1. Nguyên lý tựa phẳng và việc vận dụng cho động cơ Polysolenoid. ...... 11 4.1.1. Cấu trúc điều khiển .................................. Error! Bookmark not defined. 4.1.2 Mô phỏng kiểm chứng .............................. Error! Bookmark not defined. 4.1.3 Nhận xét: ................................................... Error! Bookmark not defined. 4.2 Phương pháp TTHCX và vấn đề áp dụng cho động cơ tuyến tính ĐB – KTVC .............................................................................................................. 11 4.2.1 Cấu trúc điều khiển ................................... Error! Bookmark not defined. 4.2.2 Mô phỏng kiểm chứng ............................. Error! Bookmark not defined. 4.2.3 Nhận xét: ................................................... Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KTVC POLYSOLENOID ................................................................................................................ 12 5.1 Đề xuất cấu trúc bàn thí nghiệm . ........................................................ 12 5.2 Điều chế vetor không gian cho động cơ 2 pha ....................................... 12 5.3 Giới thiệu về card DSPACE1104 ............................................................ 13 5.3.1. Tổng quan về Card DS1104 ..................... Error! Bookmark not defined. 5.3.2. Thông tin cơ bản về Card DS1104 ........ Error! Bookmark not defined. 5.3.3 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC ............... Error! Bookmark not defined. 5.3.4. Giới thiệu các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế......... Error! Bookmark not defined. 5.3.5. Cài đặt Card DS1104 .............................. Error! Bookmark not defined. 5.3.5.1. Cài đặt môi trường làm việc của Card DS1104 trên matlab .. Error! Bookmark not defined. v 5.3.5.2. Cài đặt các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế .......... Error! Bookmark not defined. 5.3.6. Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa matlab-simulink và control desk ............................................................................. Error! Bookmark not defined. 5.4 Thiết kế khối driver cho van IGBT ....................................................... 13 5.5 Thiết kế mạch đo. .................................................................................... 13 5.6 Thiết kế mạch Deadtime ......................................................................... 13 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 15 DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU Hình 1.1 Tạo chuyển động thẳng sử dụng đai truyền .. Error! Bookmark not defined. Hình 1.2 Tạo chuyển động thẳng sử dụng động cơ tuyến tính ... Error! Bookmark not defined. Hình 1.3 Tạo chuyển động thẳng sử dụng trục vít ....... Error! Bookmark not defined. Hình 1.4 Các ứng dụng của động cơ tuyến tính. .......... Error! Bookmark not defined. Hình 1.5 Các ứng dụng trong một dây chuyền sử dụng động cơ tuyến tính. ....... Error! Bookmark not defined. Hình 1.6: Hình ảnh tầu Transrapid trên đoạn đường chạy thử nghiệm ................. Error! Bookmark not defined. Hình 1.7 Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính. ........ Error! Bookmark not defined. Hình 1.8 Single-slided linear motor. ............................ Error! Bookmark not defined. Hình 1.9 Double-slided linear motor ............................. Error! Bookmark not defined. Hình 1.10 Polysonenoid linear motor ........................... Error! Bookmark not defined. Hình 1.11: Các biến dạng của động cơ tuyến tính ........ Error! Bookmark not defined. Hình 1.12. Động cơ tuyến tính dạng Stator dài dạng phẳng và dạng ống ............ Error! Bookmark not defined. Hình 1. 13. Động cơ tuyến tính dạng Stator ngắn dạng phẳng và dạng ống ......... Error! Bookmark not defined. Hình 1.14 Phân loại động cơ tuyên tính theo nguyên lý làm việc và kết cấu hình học. ....................................................................................... Error! Bookmark not defined. Hình 1.15: So sánh mật độ lực của ĐCTT làm việc theo nguyên lý KĐB và ĐB Error! Bookmark not defined. Hình 2.1 Rotor của động cơ Polysolenoid ...................................................................... 8 Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bên trong ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid ................................ 8 Hình 3.1 Vector dòng Stator ......................................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.2 Hệ tọa độ quay dq trên động cơ tuyến tính .... Error! Bookmark not defined. vi Hình 3.3 Vector dòng stator trên hệ trục αβ và hệ trục dq .......... Error! Bookmark not defined. Hình 3.4 Góc lệch giữa 2 trục d và  .......................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.5 Mô hình trạng thái ĐCTT ĐBKTVC trên hệ tọa độ dq ..... Error! Bookmark not defined. Hình 4.1 Cấu trúc ĐK động cơ tuyến tính polysolenoid sử dụng phương pháp phẳng 11 Hình 4.7 Kết quả mô phỏng với quỹ đạo đặt x(t)=0.1t.Error! Bookmark not defined. Hình 4.8. Kết quả mô phỏng với x(t)=0.5sin(2t). .......... Error! Bookmark not defined. Hình 4.9. Cấu trúc của đối tượng phi tuyến sau khi đã TTHCX(chuyển tọa độ trạng thái) ................................................................................ Error! Bookmark not defined. Hình 5.1 Cấu trúc bàn thí nghiệm sử dụng động cơ Polysolenoid ................................ 12 Hình 5.2. Nghịch lưu 4 nhánh van cho động cơ 2 pha .. Error! Bookmark not defined. Hình 5.3. Nghịch lưu đơn có thể chế tạo được 4 trạng thái logic, ứng với 4 vector điện áp chuẩn : u1 (logic 10: hình a), u2 (logic 01: hình b), u0,u3 (logic 00,11) là 2 vector có module bằng 0 (hình c,d) .......................................... Error! Bookmark not defined. Hình 5.4. Sơ đồ bố trí các vector chuẩn trên không gian vector . Error! Bookmark not defined. Hình 5.5. Mẫu xung điều khiển van thuộc các góc phần tư Q1-Q4 ... Error! Bookmark not defined. Hình 5.6 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC .................... Error! Bookmark not defined. Hình 5.7: Cài đặt môi trường làm việc cho Card DS1104 .......... Error! Bookmark not defined. Hình 5.8 : Hình ảnh về khối DS1104MUX_ADC ........ Error! Bookmark not defined. Hình 5.9: Hình ảnh về khối DS1104SL_DSP_PWM3. . Error! Bookmark not defined. Hình 5.10 : Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa matlab-simulink và control desk .... Error! Bookmark not defined. Hình 5.11. Giao diện kết nối ......................................... Error! Bookmark not defined. Hình 5.12. Cổng kết nối BNC ....................................... Error! Bookmark not defined. Hình 5.13. Cổng kết nối Icremental Encoder ................ Error! Bookmark not defined. Hình 5.14. Cổng vào ra số và PWM .............................. Error! Bookmark not defined. Hình 5.15. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. ..................... Error! Bookmark not defined. Hình 5.16. Sơ đồ khối chức năng của IR21531. ............ Error! Bookmark not defined. Hình 5.17. Mạch ứng dụng HCPL 3120. ....................... Error! Bookmark not defined. Hình 5.18. Cấu tạo của INA129/128. ............................ Error! Bookmark not defined. Hình 5.19. Mạch deadtime ............................................ Error! Bookmark not defined. Hình 5.20 Cấu trúc tổng thể bàn thí nghiệm. ............................................................... 14 Hình 5.21 Mạch Driver của bàn thí nghiệm ................................................................. 14 Bảng 1.1 So sánh các hệ chuyển động theo [20] (+: tốt; -: xấu) . Error! Bookmark not defined. Bảng 1.2 Mật độ lực của ĐCTT làm việc theo các nguyên lý khác nhau. ........... Error! Bookmark not defined. vii Bảng 5.1. Giá trị logic của các vector chuẩn ................. Error! Bookmark not defined. Bảng 5.2. Các vector chuẩn cho từng sector ................. Error! Bookmark not defined. Bảng 5.3. Thông số cơ bản của IC ................................ Error! Bookmark not defined. Bảng 5.4. Thông số của IRG4BC20KD ........................ Error! Bookmark not defined. viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Lsd, Lsq H điện cảm stator dọc trục và ngang trục M kg khối lượng rotor us, is V, A vector điện áp stator, dòng điện stator ifs ,iss A vector is : Trên hệ tọa độ dq, αβ v, ve m/s vận tốc cơ, vận tốc điện Rs Ω điện trở stator isα, isβ A Thành phần dòng stator trục α, trục β isd, isq A dòng điện trục dq usd, usq V điện áp trục dq uss, ufs V Vector us : Trên hệ tọa độ dq, αβ  mm bước cực p số đôi cực υs rad góc pha từ thông Ψs, Ψp Wb từ thông stator và rotor x, x0 mm vị trí và vị trí ban đầu động cơ tuyến tính Chữ viết tắt Ý nghĩa ĐCTT Động cơ tuyến tính ĐBKTVC Đồng bộ kích thích vĩnh cửu T4R Tựa theo từ thông rotor FOC Điều khiển tựa từ thông rotor SVM Điều chế vector không gian TTHCX Tuyến tính hoá chính xác ĐB-KTVC Đồng bộ - kích thích vĩnh cửu ĐCD Điều chỉnh dòng ĐC, ĐK Điều chỉnh, điều khiển TKTT Tách kênh trực tiếp PHTT Phản hồi trạng thái VĐK Vi điều khiển MIMO Multi input – multi output ix KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung - Tên đề tài: Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid. - Mã số: ĐH2015-TN02-05 - Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Hồng Quang - Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên. - Thời gian thực hiện: từ tháng 01/năm 2015 đến tháng 12/năm 2016. 2. Mục tiêu Mô hình hóa động cơ tuyến tính. Đề xuất phương án chuyển hệ tọa độ mô tả toán học của mô hình để sử dụng được cấu trúc tách kênh trực tiếp trong cấu trúc điều khiển. Đề xuất phương pháp điều khiển phi tuyến cho cấu trúc điều khiển tách kênh trực tiếp. Vận dụng các phương pháp điều khiển cho ĐCTT nhằm nâng cao chất lượng động học cũng như động lực học. Mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính. Đề xuất cấu trúc và xây dựng bàn thí nghiệm sử dụng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết với động cơ Polysolenoid. 3. Tính mới và sáng tạo - Với nguồn tham khảo là các bài báo và luận văn được lưu trữ tại thư viện quốc gia Việt Nam thì chưa có công trình nào trong nước nghiên cứu về điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid được thực hiện. - Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về các phương pháp điều khiển cho động cơ tuyến tính dạng Polysolenoid. Xây dựng được mô toán học và đề xuất các phương pháp điều khiển phi tuyến cho động cơ Polysolenoid. Các kết quả được cụ thể trong các công bố bài báo trên tạp chí quốc tế. Đề xuất cấu trúc và xây dựng thành công bàn thí nghiệm sử dụng động cơ tuyến tính Polysolenoid. 4. Kết quả nghiên cứu - Đã xây dựng được mô tả toán học cho động cơ Polysolenoid - Nghiên cứu và phát triển thuật toán điều khiển cho hệ phi tuyến nhiều vào nhiều ra có ảnh hưởng xen kênh lớn. - Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ Polysolenoid. - Mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính. x - Xây dựng bàn thí nghiệm thiết bị thực. - Tiến hành thí nghiệm trên thiết bị thực để chứng minh tính đúng đắn của thuật toán điều khiển. 5. Sản phẩm 5.1 . Sản phẩm khoa học (1) Quang NH, Nam DP, Ty NT, Hung NM, Hien NN, Tan VD (2016), “Flatness Based Control Structure for Polysolenoid Permanent Stimulation Linear Motors”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 03 Issue 12, pp. 57-63. (2) Quang NH, Nam DP, Hung NM, Hien NN, Ty NT, Chi NP (2017), “Design an Exact Linearization Controller for Permanent Stimulation Synchronous Linear Motor Polysolenoid”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 04 Issue 1, pp. 7-12. 5.2 . Sản phẩm đào tạo Sản phẩm đào tạo gồm 2 luận văn thạc sĩ và 2 đồ án tốt nghiệp sinh viên. Cụ thể như sau: (1) Phan Trọng Đạt (2015), Thiết kế bộ điều khiển cho hệ truyền động tuyến tính sử dụng động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, Đề tài luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. (2) Nguyễn Ngọc Liêm (2016), Thiết kế điều khiển tách kênh cho truyền động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, Đề tài luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. (3) Trần Phúc Huy (2016), Mô hình hóa mô phỏng động cơ Polysolenoid, Đồ án tốt nghiệp ngành Tự Động Hóa. (4) Triệu Đình Thắng (2016), Xây dựng nguyên lý bàn thí nghiệm động cơ Polysolenoid, Đồ án tốt nghiệp ngành Tự Động Hóa. 5.3 . Sản phẩm ứng dụng - Chương trình mô phỏng hệ thống. - Thuật toán điều khiển. - Bàn thí nghiệm sử dụng động cơ tuyến tính dạng Polysolenoid. 6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu - Kết quả của đề tài là hệ thống thiết bị thí nghiệm thực dùng làm bàn thí nghiệm cho môn học điện tử công suất, truyền động điện tại trường đại học kỹ thuật công nghiệp. xi - Kết quả của đề tài là tài liệu hữu ích cho học viên cao học, sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, kỹ thuật điện, điện tử. - Hướng phát triển của đề tài được dùng để hướng dẫn tối thiểu 04 đề tài cho học viên cao học. - Trên cơ sở của hệ thống thiết bị thí nghiệm đã có kết hợp với các phương pháp điều khiển phi tuyến khác có thể cụ thể thành các công bố khoa học quốc tế tiếp theo. Xác nhận của tổ chức chủ trì KT. HIỆU TRƯỞNG PHÓ HIỆU TRƯỞNG PGS.TS. Vũ Ngọc Pi Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Hồng Quang xii RESEARCH RESULTS 1. General information - Project title: “ Research on a linear motion control system using Polysolenoid motors”. - Code number: ĐH2015-TN02-05 - Project director: M.Sc. Nguyen Hong Quang - Organization: TNU- Thai Nguyen University of Technology - Duration: from January 2015 to December 2016 2. Objectives - Modeling linear motors. Proposing a coordinate transformation method using mathematical description in order to utilize a direct channel separation (decoupling) in control structure. - Introducing a nonlinear control method for the structure of direct channel separation. Applying these methods to linear motors aims at improving the quality of the kinetics and the dynamics. - Undertaking simulations and verifications on computers. - Designing system and experimental test bench to validate results obtained from theoretical research with Polysolenoid motors. 3. Creativeness and innovativeness - With bibliography of research work in Vietnam National Library, the study on linear motion controllers using Poloysolenoid motors has not been mentioned yet. - An overview of studies on control measures for linear motors with Polysolenoid type is written in this project. Mathematical models and non-linear control methods for Polysolenoid motor is proposed. The results are collected and published in international journals. Design and implementation of an experimental table useing linear Polysolenoid motor is done. 4. Research results - Constructing mathematical model of Polysolenoid motors. - Studying and developing a control algorithm of nonlinear MIMO system with huge coupling effects. xiii - Designing controllers for Polysolenoid motors. - Simulating and checking results on the computer. - Building a real experimental test bench. - Undertaking experiments on the real system to verify workability of the control algorithm. 5. Products 5.1. Scientific product (1) Quang NH, Nam DP, Ty NT, Hung NM, Hien NN, Tan VD (2016), “Flatness Based Control Structure for Polysolenoid Permanent Stimulation Linear Motors”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 03 Issue 12, pp. 57-63. (2) Quang NH, Nam DP, Hung NM, Hien NN, Ty NT, Chi NP (2017), “Design an Exact Linearization Controller for Permanent Stimulation Synchronous Linear Motor Polysolenoid”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 04 Issue 1, pp. 7-12. 5.2. Academic product Academic products include two master theses and two final projects of students, as follows: (1) Phan Trong Đat (2015), Design of controller for linear drive system using Polysolenoid linear motor, Thesis topic in Automation and control engineering. (2) Nguyen Ngoc Liem (2016), Decoupling control design for the drive system using Polysolenoid linear motor, Thesis topic in Automation and control engineering. (3) Tran Phuc Huy (2016), Modelling and simulation of Polysolenoid linear motor, Final project in Automation and control engineering. (4) Trieu Đinh Thang (2016), Building of Polysolenoid linear motor experimental system, Final project in Automation and control engineering. 5.3. Applied product - A stimulation system. - A controlling algorithm. - An experimental test bench. xiv 6. Transfer alternatives, applications, impacts and benefits of research results - The result of this project is an experimental system used for some courses such as power electronics and electric drive systems. - The project contents are useful postgraduates, undergraduates majoring in control engineering and automation, electrical and electronics engineering. - The development orientation of the project is to have at least 04 master thesis topics. - A combination between the installed experimental system and other nonlinear control methods would lead to other future international publications. 1 MỞ ĐẦU Truyền động điện có vai trò vô cùng quan trọng trong tất cả các nghành công nghiệp, chúng tạo thành các thành phần cốt lõi của máy móc ở các nhà máy. Các hệ thống truyền động điện với nhiệm vụ tham gia thực hiện các công đoạn của quá trình công nghệ. Trong đó phần tử trung tâm không thể thiếu được trong các hệ thống truyền động điện chính là động cơ điện. Các loại động cơ được sử dụng trong hệ thống truyền động điện rất đa dạng có thể được kể ra ở đây như động cơ một chiều (ĐCMC), động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), động cơ bước, động cơ servo, Với sự phát triển của khoa học công nghệ các dây chuyền công nghệ lắp ráp tự động ngày càng trở nên linh hoạt, yêu cầu cao về độ chính xác vị trí, tốc độ và tác động nhanh. Sự xuất hiện của tay máy Robot, máy nâng hạ, máy công cụ kỹ thuật số CNC trong các dây chuyền đã trở thành một điều tất yếu. Chính điều đó đã thúc đẩy truyền động điện phải quan tâm tới một dạng chuyển động mới không còn bó buộc trong chuyển động quay tròn truyền thống nữa đó chính là truyền động thẳng. Động cơ Polysolenoid là động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu với kết cấu hình ống. Việc nghiên cứu nó không thể tách rời được với những tính chất cơ bản của động cơ tuyến tính đã được nghiên cứu phát triển. 1. Tính khoa học và cấp thiết của đề tài Khi sử dụng động cơ tuyến tính hệ thống sẽ khắc phục được những nhược điểm của phương pháp tạo chuyển động tuyến tính gián tiếp. Được thể hiện trong những mặt sau: Đơn giản về mặt kết cấu cơ khí do loại bỏ được các phần tử trung gian do đó giảm được chi phí bảo dưỡng vận hành. Hiệu suất của hệ thống được nâng cao do vậy độ chính xác của hệ cũng nâng lên. Đặc tính động học của hệ được nâng cao, loại được các dao động riêng của các phần tử trung gian. Động cơ tuyến tính đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới song tại Việt Nam vấn đề này mới được đề cấp tới trong một vài năm gần đây. Để vận dụng được động cơ tuyến tính trong thực tiễn công nghiệp thì việc tìm hiểu nguyên lý làm việc, nắm vững được kỹ thuật vận hành là điều cần được trang bị cho những người làm về truyền động điện và tự động hóa. 2 Với các hệ thống động cơ tuyến tính được thương mại hóa thì tổng thể của một hệ thống được chia làm 3 phần: động cơ, driver, phần mềm điều khiển. Trong tổng thể phân bố về chi phí thì phần driver và phần mềm điều khiển chiếm đến 60% giá thành của một hệ thống (động cơ thường được trợ giá với chi phí tương đối sát giá trị sử dụng). Các hệ thống thương mại có tính chất đóng, khi sử dụng các sản phẩm driver thương mại có sẵn thì người làm nghiên cứu cũng như sinh viên không thể cài đặt được các thuật toán điều khiển động cơ của mình, không thể kiểm tra được đáp ứng của các mạch vòng điều khiển cũng như thay đổi được chế độ vận hành. Mục tiêu được đặt ra của đề tài “Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ polysolenoid” là xây dựng được hệ thống driver và làm chủ phần mềm điều khiển của một hệ thống thí nghiệm động cơ tuyến tính với mục đích thay thế phần driver và phần mềm điều khiển của hãng. Về mặt khoa học: Ý nghĩa của đề tài đem lại sẽ loại bỏ được những hạn chế trong driver thương mại làm chủ công nghệ có thể can thiệp sâu vào cấu trúc điều khiển. Điều đó giúp cho những người nghiên cứu, sinh viên nắm bắt được cấu trúc điều khiển cũng như có thể nghiên cứu phát triển và triển khai các cấu trúc điều khiển. Về mặt kinh tế: Làm giảm giá thành của một hệ thống sử dụng động cơ tuyến tính khi đưa vào sản xuất. Dễ dàng sửa chữa, nâng cấp cho hệ thống. 2. Mục tiêu của đề tài Mô hình hóa động cơ Polysolenoid Nghiên cứu và phát triển thuật toán điều khiển cho hệ phi tuyến nhiều vào nhiều ra có ảnh hưởng xen kênh lớn. Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ Polysolenoid Mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính. Xây dựng mô hình thực bàn thí nghiệm . Tiến hành vận hành bàn thí nghiệm, áp dụng các thuật toán điều khiển. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Polysolenoid kích thích vĩnh cửu và các hệ thống chuyển động tuyến tính sử dụng ĐCTT Polysolenoid . - Phạm vi nghiên cứu: Phân tích và làm rõ ưu nhược điểm của hệ tạo chuyển động tuyến tính gián tiếp và trực tiếp từ đó lựa chọn phương pháp trực tiếp làm phương án truyền động. Xây dựng mô tả toán học cho động cơ Polysolenoid kích thích vĩnh cửu 3 Phân tích các phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ thống truyền động tuyến tính sử dụng động cơ Polysolenoid kích thích vĩnh cửu. Tiến hành thực nghiệm trên thiết bị thực. - Phương pháp nghiên cứu: Từ những nghiên cứu về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính, phân tích tìm ra ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó đánh giá được phương pháp điều khiển phù hợp nhất với đặc điểm riêng của động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid. Nghiên cứu trong tài liệu (từ các sách, bài báo, tạp chí khoa học...). Thừa kế, tham khảo các kết quả nghiên cứu gần và có liên quan. Tham gia các diễn đàn, hội thảo khoa học trong và ngoài nước, trao đổi các ý tưởng và kết quả nghiên cứu với các nhà khoa học trong và ngoài nước. Thử nghiệm trên mô hình hoá bằng máy tính và trên thiết bị thực tế. 4 CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1.1. Những đặc điểm của một hệ truyền động thẳng Để tạo ra truyền động thẳng cho các đối tượng công nghệ có hai phương pháp là phương pháp gián tiếp và phương pháp trực tiếp Hình 1.1. Tạo chuyển động thẳng sử dụng đai truyền Hình 1.3. Tạo chuyển động thẳng sử dụng động cơ tuyến tính Hình 1.2. Tạo chuyển động thẳng sử dụng trục vít 5 1.1.1. Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính gián tiếp Nguồn động lực được sử dụng ở đây là các động cơ quay tròn. Để tạo ra chuyển động thẳng đưa tới cơ cấu sản xuất thông qua các phần tử cơ khí trung gian như (đai truyền, hộp số, trục vít,) do vậy nó tồn tại những nhược điểm đáng kể - Kết cấu cơ khí phức tạp do tồn tại các phần tử trung gian, độ chính xác của hệ thống thấp do sai số tích lũy của các phần tử có trong toàn hệ thống, - Hiệu suất của hệ thống thấp. - Khả năng động học của hệ thống thấp do tồn tại những dao động riêng của các phần tử trung gian. 1.1.2. Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính trực tiếp: Ở phương pháp này động cơ tuyến tính được sử dụng để tạo ra chuyển động thẳng trực tiếp. Khi sử dụng động cơ tuyến tính hệ thống sẽ khắc phục được những nhược điểm của phương pháp tạo chuyển động tuyến tính gián tiếp. Được thể hiện trong những mặt sau: - Đơn giản về mặt kết cấu cơ khí do loại bỏ được các phần tử trung gian do đó giảm được chi phí bảo dưỡng vận hành. - Hiệu suất của hệ thống được nâng cao do vậy độ chính xác của hệ cũng nâng lên. - Đặc tính động học của hệ được nâng cao, loại được các dao động riêng của các phần tử trung gian. - Tăng được giới hạn trên về lực đẩy và gia tốc. - Ít gây ồn khi làm việc, bảo dưỡng cũng dễ dàng hơn, tuổi thọ trung bình dài hơn. 1.1.3. Những nhược điểm còn tồn tại trong hệ thống sử dụng động cơ tuyến tính: - Giải pháp làm mát phức tạp. - Khó chuẩn hóa (thường được sử dụng trong các máy chuyên dụng) nên hệ thống có giá thành cao. 1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của động cơ tuyến tính 1.2.1. Vài nét về lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính 1.2.2. Những ứng dụng của động cơ tuyến tính đã được áp dụng trong thực tiễn 6 Các ứng dụng của động cơ tuyến tính Thiết bị bảo vệ và kiểm soát hệ thống điện Máy công cụ Thiết bị y tế Kỹ thuật máy tính Hệ thống giao thông Robot Công nghiệp Công nghiệp bán dẫn và điện tử Định vị tấm bán dẫn, điều chỉnh và vận chuyển, đặt microchip lên bảng mạch in Hệ thống chuyển động, phanh hãm. Factory transport systems: hệ thống khí nén, hệ thống chuyển động linh hoạt. Hệ thống định lượng: đóng gói, sắp xếp, phân loại. High-speed transport: tàu cao tốc, xe điện nhanh Metro Hệ thống nâng hạ: Thang máy, cầu trục. Máy quét, máy in. Máy cắt kính, thiết bị đo dung tích phổi, kính hiển vi có độ chính xác cao Máy cắt laser, máy đo phối hợp đa trục. Máy cắt cao áp, thiết bị đóng cắt đường dây phân phối tự động Hình 1.4. Các ứng dụng của động cơ tuyến tính Hình 1.5. Các ứng dụng trong một dây chuyền sử dụng động cơ tuyến tính Các động cơ tuyến tính khi được kết hợp vào modul, chúng được kết hợp một cách nhanh chóng để tạo thành một hệ thống chuyển động đa trục. Việc can thiệp vào 7 dây chuyền cũng như tùy chỉnh quá trình công nghệ sẽ trở nên đơn giản hơn khi các động cơ được kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm. Ngoài những ứng dụng trong các hệ thống máy móc trong công nghiệp động cơ tuyến tính được quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực giao thông vận tải tại các nước phát triển. Có thể kể ra một số ứng dụng điển hình: • Tàu điện nhanh sân bay JFK Newyork (2003) • Tuyến metro 4 Quảng Châu (2005) • Tàu điện nhanh sân bay Bắc Kinh (2008) • Green Line Yokohama (2008) Đặc biệt tàu đệm từ sử dụng động cơ truyền động thẳng giữa sân bay và trung tâm Thượng Hải có tốc độ 500 km/giờ. Tàu đệm từ HSST Limo line ở Aichi Nhật bản năm 2005. Hình 1.6. Hình ảnh tầu Transrapid trên đoạn đường chạy thử nghiệm 1.3. Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính 8 CHƯƠNG 2. ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÍCH THÍCH VĨNH CỬU DẠNG LYSOLENOID ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG DẠNG POLYSOLENOID 2.1. Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid Hình 2.1. Rotor của động cơ Polysolenoid Rotor động cơ quay(a) Rotor được cắt và trải ra từ (a) Rotor được cuộn lại từ (b) Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bên trong ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid 2.2. Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid 2.3. Khái quát về tình hình nghiên cứu về điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid ở trong nước và trên thế giới 2.3.3. Kết luận 9 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA ĐCTTĐB KTVC POLYSOLENOIDE 3.1. Biểu diễn các vector không gian của động cơ hai pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu 3.2. Mô hình toán học động cơ 2 pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu Phương trình điện áp stator . (3.8)ss s s d u R i dt    ψs gồm 2 thành phần là ψsd và ψsq : sd ψ . ψ ψ (3.9) . sd sd p sq sq sq L i L i       Suy ra : . . . (3.10) . . . . sd sd s sd sd sq sq sq sq s sq sq sd sd p s s s di u R i L L i dt di u R i L L i dt                1 2. . . . . . (3.11) 1 2. . 2. . . . . . . sqsd s sd sd sq sdsd sd sq ps sd sq sq sd sqsq sq sq Ldi R v i u i Ldt L L di R v L v i u i Ldt L L L                     3.3. Thiết lập phương trình tính lực đẩy của động cơ Năng lượng đưa vào 2 pha của 2 cuộn dây stator: . . . . (3.12)in A A B B sd sd sq sqp u i u i u i u i    2 2 2. .. . . . . . [( ) + ] sqsd sd sd sq sq s sd sd sd s sq sq sq sq sd sq sd p didi v u i u i R i L i R i L i i L L i dt dt           Dễ thấy thành phần cuối đặc trưng cho năng lượng điện từ đi vào 2 pha của động cơ. 2. . [( ) + ] (3.13)dt sq sd sq sd p v p i L L i     Với ĐCTT 2 pha p đôi cực,ta có : 2. . F . . [( ) + ] (3.14) . dt sq sd sq sd p p v p p i L L i v v      10 Hay 2. F [( ) + ] (3.15)sq sd sq sd pp i L L i      Vậy ta có phương trình động học của ĐCTT trong hệ dq : 1 2. . . . . . 1 2 . 2 . . . . . . (3.16) 2. [( ) + ] sqsd s sd sd sq sdsd sd sq ps sd sq sq sd sqsq sq sq sq sd sq sd p c Ldi R v i u i Ldt L L di R v L v i u i Ldt L L L mx p i L L i F dx v dt                                1 2. . . . . . 1 2 . 2 . . . . . . 2. [( ) + ] sqsd s sd sd sq sdsd sd sq ps sd sq sq sd sqsq sq sq sq sd sq sd p Ldi R v i u i Ldt L L di R v L v i u i Ldt L L L F p i L L i                          11 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH POLYSOLENOID VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. 4.1 Nguyên lý tựa phẳng và việc vận dụng cho động cơ Polysolenoid. + - SVM ZOH ZOH ZOH αt βt abc Tính Xử lý sai lệch dòngXử lý sai lệch Tốc độ Tính Ước lượng Tải Xử lý sai lệch vị trí Thiết lập quỹ đạo Tính ZOH Hạn chế Bù bất định usa usβαβ dq Động cơ tuyến tính ĐB-KTVC Hình 4.1 Cấu trúc ĐK động cơ tuyến tính polysolenoid sử dụng phương pháp phẳng 4.2. Phương pháp TTHCX và vấn đề áp dụng cho động cơ tuyến tính ĐB – KTVC Điều khiển Vị trí Điều chỉnh Vận tốc Điều chỉnh dòng SVM 2 TTH CX dq Tính toán θ Ước lượng tải xref x vc v isd isq isα isβ isqr v isd isq w usd usq usα usβ tβ tα αβ dq Fc ^ x v isq isd θ isd isdr = 0 ~ Đo vị trí d/dt Hình 4.10. Cấu trúc ĐK động cơ tuyến tính ĐB – KTVC sử dụng TTHCX 12 CHƯƠNG 5. XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KTVC POLYSOLENOID 5.1. Đề xuất cấu trúc bàn thí nghiệm Hình 5.1 Cấu trúc bàn thí nghiệm sử dụng động cơ Polysolenoid 5.2 Điều chế vetor không gian cho động cơ 2 pha + - V1 V2 V4 V3 V6 V5 V8 V7 1+ 1- 2+ 2- Hình 5.2. Nghịch lưu 4 nhánh van cho động cơ 2 pha 13 us ut up u0 us Hình 5.4. Sơ đồ bố trí các vector chuẩn trên không gian vector 5.3 Giới thiệu về card DSPACE1104 5.4 Thiết kế khối driver cho van IGBT 5.5 Thiết kế mạch đo. 5.6 Thiết kế mạch Deadtime 14 Hình 5.20 Cấu trúc tổng thể bàn thí nghiệm. Hình 5.21 Mạch Driver của bàn thí nghiệm 15 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận: Với mục tiêu nghiên cứu về hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Polysolenoid đề tài đã đạt được những kết quả như sau: Xây dựng được mô tả toán học đối tượng điều khiển dưới dạng mô hình trạng thái. Đã đề xuất phương pháp điều khiển phi tuyến tựa phẳng và tuyến tính hóa chính xác và thiết kế được bộ điều khiển cho động cơ được Polysolenoid. Xây dựng được chương trình và mô hình mô phỏng đáp ứng của hệ trên máy tính. Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng được bàn thí nghiệm sử dụng động cơ tuyến tính dạng Polysolenoid vận hành ổn định. Các kết quả của đề tài đã được công bố dưới dạng công bố khoa học là các bài báo, được sử dụng hướng dẫn học viên cao học và sinh viên khối ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. 2. Kiến nghị: Triển khai bàn thí nghiệm vào hướng dẫn thí nghiệm cho môn học điện tử công suất, truyền động điện. Tiếp tục phát triển đề tài theo hướng nghiên cứu các phương pháp điều khiển mới để công bố kết quả bằng các bài báo khoa học (Điều này rất thuận lợi khi đã có bàn thí nghiệm để kiểm chứng). Hướng phát triển tiếp theo của đề tài được dùng để hướng dẫn luận văn tốt nghiệp cho học viên cao học. Tiếp tục nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng đầu cuối (end effect) để bổ xung vào cấu trúc điều khiển. Mục tiêu sẽ có thêm bài báo thuộc danh mục ISI được phát triển từ đề tài. Ứng dụng động cơ tuyến tính Polysolenoid vào thực tiễn trong quá trình xản xuất.