- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đào Phương Nam NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA CÁC HỆ CHUYỂN ĐỘNG THẲNG BẰNG CÁCH SỬ DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP Hà Nội – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đào Phương Nam NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA CÁC HỆ CHUYỂN ĐỘNG THẲNG BẰNG CÁCH SỬ DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Chuyên ngành: Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp Mã số LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. - Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. - Tác giả luận án Đào Phương Nam MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒTHỊ vii MỞ ĐẦU 1 1 TỔNG QUAN 4 1.1. - Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng 4 1.2. - Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính 10 1.2.1. - Nguyên lý điều khiển chung 10 1.2.2. - Phương pháp điều khiển 11 1.2.3. - Xác định vị trí đỉnh cực 15 1.2.4. - Mô hình hóa động cơ tuyến tính 17 1.3. - Kết luận 182 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB - KTVC 19 2.1. - Hệ phương trình toán của ĐCTT loại ĐB - KTVC 19 2.2. - Mô hình trạng thái của ĐCTT loại ĐB – KTVC trên hệ ,,dq dq 24 2.3. - Mô hình ĐCTT loại ĐB –KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối 30 2.4 Kết luận chương 2 32 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN 34 3.1. - Phương pháp tuyến tính hóa chính xác 34 3.2. - Phương pháp thiết kế trên cơ sở nguyên lý phẳng 39 3.3. - Tương quan giữa hai phương pháp thiết kế 43 3.4. - Ưu thế của phương pháp điều khiểndựa trên nguyên lý phẳng 47 3.5. - Kết luận chương 3 474 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐCTT LOẠI ĐB - KTVC 49 4.1. - Xác định vị trí đỉnh cực: điều kiện để điều khiển tựa từ thông cực 50 4.1.1. - Điều khiển lực đẩy dựa trên phương pháp cộng hưởng tần số 54 4.1.2. - Điều khiển lực đẩy theo phương pháp thích nghi bù bất định dựa trên hệ (),djq 58 4.2. - Cấu trúc TKTT thiết kế trên cơ sở phương pháp TTHCX 64 4.3. - Cấu trúc điều khiểnthiết kế trên cơ sở nguyên lý phẳng 67 4.4. - Kết luận chương 4 73 5 KẾT QUẢ 74 5.1. - Kết quả mô phỏng 74 5.1.1. - Mô phỏng hệ thống điều khiển lực đẩy trên hệ tọa độ tĩnh ab, (),djq 75 5.1.2. - Mô phỏng hệ điều khiển ĐCTT 3 pha theo 2 phương pháp điều khiển phi tuyến 78 5.2. - Kết quả thí nghiệm 85 5.2.1. - Giới thiệu bàn thí nghiệm truyền động 85 5.2.2. - Tiến hành thí nghiệm 88 5.3. - Kết luận chương 5 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 105 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa,sdsqLL H Điện cảm dọc trục và ngang trục của statorm Kg Khối lượng của bộ phận sơ cấp (stator)su, si V, A Vector điện áp, dòng stator sR W Điện trở statorv, ev m/s Vận tốc cơ, điện mF,fcF N Lực đẩydo động cơ sinh ra, lực cảndo ma sát. - ,sdsqii A Dòng điện trục ,dq,sdsquu V Điện áp trục ,dqt mm Bước cựcp Số đôi cựcpy Wb Từ thông cực từ, emww Rad/s Vận tốc góc điện, cơ,pxx mm Vị trí đỉnh cực, vị trí tương đối giữa phần sơ cấp và thứ cấp của động cơ tuyến tính ,,,mls pJJJJ Kgm2 Mômen quán tính của động cơ, tải, trục truyền chuyển động, trục vít vô tận. - mq Rad Vị trí góc (hình học) của động cơ quay ,lpqq Rad Vị trí góc của tải, trục vít vô tận bq Rad Vị trí góc của trục truyền chuyển độngBLq Rad Góc khe hởgiữa tải và trục truyền chuyển động dmlqqq=- Rad Sai lệch về góc giữa động cơ và tải smbqqq=- Rad Sai lệch về góc giữa động cơ và trục truyền, ssbltkk Nm/rad Hệ số cứng xoắn của trục truyền, dây đaisadjk Nm/rad Hệ số cứng xoắn quy đổi của hệ 2 vật , ssbltcc Nm.s/rad Hệ số nén bên trong trục truyền, dây đai fcT Rad/s2 Hệ số ma sát Coulomb ,mlBB 1/s Hệ số ma sát nhớt của động cơ, tải ()transT q Nm Mômen truyền từ động cơ đến tải ,,fcm fcl fcpTTT Nm Mômen ma sát tại vị trí động cơ, tải, trục vít vô tận. - (),pos m pos lTTqqNm Thành phầnmômenbất định gây ra đối với động cơ, tải iv ()pos pT q Nm Thành phần mômen bất định gây ra đối với trục vít ,mpRR m Bán kính của pulley gắn với động cơ và trục vít vô tận. - sbT Nm Mômen trục vít vô tận truyền cho tải bltF N Lực căng của động cơ truyền cho trục vít thông qua dây đai blta rad Góc khe hở giữa dây đai và pulley động cơ ()posFx N Nhiễu lực đẩy tác động lên động cơ gF Wb Từ thông khe hở không khí RA.vòng/Wb Từ trở khe hở không khí (),,,abcFxt A.vòng Sức từ động của mỗi pha (phụ thuộc vị trí và thời gian) (),Fxt A.vòng Sức từ động tổng được tạo bởi thành phần sơ cấp trong máy điện. - 1kwJ Hệ số dây quấn của sóng hài bậc J *lm Chiều dài của p bước cực 3l m Khoảng cách giữa trục dây quấn của 2 pha khác nhau ,pedq Rad Góc hình học, góc điện giữa 2 trục a và d sai Vector dòng điện pha a ,,dqdd d m Khe hở không khí tại vị trí bất kỳ, tại vị trí đỉnh cực, tại vị trí khe cực ()0,,dqkkkq Hệ số dạng sóng tại vị trí đỉnh cực, khe cực, tại vị trí mà góc giữa trục d và trục a là 0q ,,,sasasasaLByF H, Wb, Tesla Điện cảm tự cảm, từ thông móc vòng qua 1 vòng dây, từ thông móc vòng qua 1 pha, mật độ từ thông do dòng điện chảy qua pha a sinh ra ,pBB Wb/m2 (Tesla) Mật độ từ thông nói chung, mật độ từ thông do thành phần nam châm vĩnh cửu của bộ phận thứ cấp trong ĐCTT sinh ra ,smpmBB Wb/m2 (Tesla) Mật độ từ thông tại vị trí đạt giá trị lớn nhất do thành phần sơ cấp và thứ cấp sinh ra py Wb Từ thông do nam châm vĩnh cửu của bộ phận thứ cấp trong ĐCTT sinh ra N Số vòng dây của mỗi pha v iL m Chiều dài quy đổi của 1 bối dây mW J Năng lượng tích trữ trong động cơ Rad Góc lệch giữa trục của từ thông stator (phần sơ cấp) sy và trục cực từ d (),djq Hệ trục tọa độ tựa theo cực từ (),djq Hệ trục có tốc độ chuyển động tịnh tiến giống hệ tọa độ tựa theo cực từ (),djq nhưng có thể có sự sai lệch dd¹ tN Vòng Số vòng dây cuốn xung quanh răng phần sơ cấp ,,pabcF Avòng Sức từ động sinh bởi nam châm vĩnh cửu mRs A.vòng/Wb Từ trở khe hở giữa các răng mgR A.vòng/Wb Từ trở khe hở giữa răng và phần thứ cấp (cực từ) fA Ma trận hệ thống fB Ma trận đầu vào N Ma trận ghép phi tuyến S Ma trận nhiễu ()fLgx Đạo hàm Lie của hàm vô hướng ()gx dọc theo quỹ đạo ()fx ()ifadgx Phép nhân Lie span Không gian các vector dim Số chiều của không gian vector ,mmxy Biến trạng thái và biến đầu ra mong muốn. - Lượng đặt của biến * Chữ viết tắt Ý nghĩa TTHCX Tuyến tính hoá chính xácĐB-KTVC Đồng bộ - kích thích vĩnh cửuĐCD Điều chỉnh dòngĐC, ĐK Động cơ, điều khiển TKTT Tách kênh trực tiếp PHTT Phản hồi trạng tháiTĐTT Tọa độ trạng tháiVĐK Vi điều khiểnSVM Điều chế vectơ không gian MIMO Multiinput –multioutputĐCTT Động cơ tuyến tínhT4R Tựa từ thông rotorDTC Điều khiển trực tiếp mô men viDANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên Trang 1.1 So sánh các hệ chuyển động thẳng sử dụng thiết bị cụ thể. - Rất xấu) (theo Bảng mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2 loại động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính. - 21 3.1 Sơ lược về so sánh khả năng làm việc của 02 phương pháp 475.1 Kết quả thí nghiệm điều khiển lực đẩy với các giá trị 0q ban đầu khác nhau 93 viiDANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình Tên Trang 1.1 Hệ chuyển động thẳng gián tiếp sử dụng cơ cấu trục vít và đai truyền (theo [1]) 41.2 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB – KTVC (theo [1]) 41.3 Mô tả hệ 2 vật được ghép nối với nhau có tồn tại khe hở (theo Mô tả cấu trúc của 02 hệ chuyển động thẳng bằng cách sử dụng hệ truyền động động cơ tuyến tính và động cơ quay (theo [3]) 81.5 Hình ảnh ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn (theo [3]) 91.6 Tổng quan về các nghiên cứu đảm bảo chất lượng động học 121.7 Tổng quan về các nghiên cứu đảm bảo chất lượng động lực học 131.8 Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí đỉnh cực 162.1 Biểu diễn các đại lượng vật lý thông qua hệ trục tọa độ trong ĐCTT kiểu ĐB – KTVC 3 pha 20 2.2 Biểu diễn các đại lượng vật lý thông qua hệ trục tọa độ trong ĐCTT kiểu ĐB – KTVC 3 pha. - 212.3 Mối tương quan giữa các vector 222.4 Biểu diễn các đại lượng vật lý thông qua hệ trục tọa độ trong ĐCTT kiểu ĐB – KTVC 3 pha 23 2.5 Mô tả sự hình thành của từ thông Stator sy 242.6 Mô hình động cơ tuyến tính ĐB - KTVC trong không gian trạng thái trên hệ toạ độ dq 26 2.7 Mô tả vector dòng điện sitrên các hệ trụctoạ độ ,,,abc dq dqab 282.8 Mô tả ảnh hưởng củahiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại KĐB 302.9 (a. - Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b. - Mạch từ tương đương mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối) 31 3.1 Cấu trúc của đối tượng phi tuyến sau khi đã TTHCX (chuyển hệ tọa độ trạng thái – TĐTT Minh họa bản chất của hệ phẳng. - 393.3 Nguồn gốc hình thành hệ phẳng 40 3.4 Mô tả quá trình đảo chiều 484.1 Xác định trục (a) đối với dây quấn 1 lớp(a. - Sóng cơ bản của sức từ động các pha) 52 4.3 Mô tả vị trí giữa các hệ trục tọa độ 534.4 Cấu trúc điều khiển lực đẩy theo phương pháp cộng hưởng tần số dựa trên hệ trục. - jab 544.5 Thiết kế ,RRab 554.6 Biến đổi tương đương sơ đồ 59 4.7 a. - Mô tả các thành phần của dòng điện 594.8 Cấu trúc điều khiển lực đẩy theo phương pháp Lyapunov dựa trên hệ trục (),djq 624.9 Cấu trúc khâu chuyển hệ TĐTT (có bản chất là khâu PHTT tĩnh) 654.10 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB –KTVC 3 pha sử dụng TTHCX 664.11 Sơ đồ thiết kế các bộ điều khiển,isd isqRR 674.12 Cấu trúc điều khiển động cơ tuyến tính ĐB – KTVC sử dụng nguyên lý phẳng 68 4.13 Thiết kế xử lý sai lệch 694.14 Thiết kế theo nguyên lý phẳng khi xuất hiện sai lệch 70 4.15 Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển R 71 5.1 Mô hình mô phỏng điều khiển lực đẩy theo phương pháp thích nghi bù bất định dựa trên hệ trục tọa độ dq 765.2 Mô hình mô phỏng điều khiển lực đẩy theo cộng hưởng tần số dựa trên hệ trục tọa độ ab 775.3 Kết quả mô phỏng đối với FNpqq. - Đáp ứng theo p2 cộng hưởng tần số) 785.4 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC sử dụng phương pháp tựa phẳng 80 5.5 Cấu trúc điều khiển động cơ tuyến tính ĐB–KTVC 3 pha sử dụng TTHCX phục vụ so sánh khả năng làm việc của 2 phương pháp 815.6 Mô hình mô phỏng điều khiển ĐCTT loại ĐB –KTVC theo phương pháp TTHCX 825.7 Mô hình mô phỏng điều khiển ĐCTT loại ĐB –KTVC theo phương pháp sử dụng nguyên lý phẳng 835.8 Kết quả mô phỏng theo p2tựa phẳng (a. - Đáp ứng Vị trí. - Ước lượng lực cản) 845.9 Kết quả mô phỏng theo phương pháp TTHCX (a. - Đáp 84 ixứng vị trí. - Ước lượng lực cản) 5.10 Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp truyền thống cấp cho động cơ tuyến tính 3 pha. - 855.11 Hình ảnh tổng thể về bàn thí nghiệm 86 5.12 Hình ảnh về bảng điện được lắp ráp 865.13 Động cơ tuyến tính loại LSE1K1004/LSM1-1060 (Baumueller). - 875.14 Cấu trúc bàn thí nghiệm hiện tại vận hành ĐCTT loại ĐB – KTVC. - 885.16 Tiến hành thực nghiệm điều khiển xung lực theo phương pháp thích nghi bù bất định dựa trên phần mềm Matlab rti 915.17 Giao diện vận hành thí nghiệm điều khiển xung lực theo phương pháp thích nghi bù bất định. - 925.18 Tiến hành thực nghiệm điều khiển tốc độ sử dụng phương pháp TTHCX dựa trên phần mềm Matlab rti 945.19 Giao diện vận hành thí nghiệm điều khiển tốc độ sử dụng phương pháp TTHCX khi không tải 95 5.20 Giao diện vận hành thí nghiệm điều khiển tốc độ sử dụng phương pháp TTHCX khi có tải 96 MỞ ĐẦU Trong thực tế sản xuất hiện nay, chuyển động thẳng là dạng chuyển động phổ biến, xuất hiện nhiều, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí. - Xuất phát từ công nghiệp chế tạo máy với những dịch chuyển của bàn gá, mũi khoan,… trong các máy gia công cho đến sự ra đời của máy CNC đã dẫn đến nhu cầu đòi hỏi tạo ra chuyển động thẳng có chất lượng cao. - Ngoài ra những chuyển động thẳng này còn tồn tại nhiều trong các thiết bị khác như Robot công nghiệp hay máy móc phục vụ ngành công nghiệp bán dẫn,… và nó còn xuất hiện ở cả những lĩnh vực tưởng chừng xa lạ như ngành giao thông vận tải với tàu đệm từ trường ở các nước phát triển (Đức, Nhật. - Cho đến nay việc tạo ra các chuyển động thẳng hầu hết được thực hiện một cách gián tiếp thông qua các động cơ quay tròn với những ưu thế như bền vững, không nhạy với nhiễu, độ tin cậy cao,… Tuy nhiên đối với những hệ thống này do phải bổ sung các cơ cấu chuyển đổi trung gian như hộp số, trục vít,… nên dẫn đến sự phức tạp về kết cấu cơ khí, tiềm ẩn bên trong nó những dao động riêng, tổn hao năng lượng cũng như ảnh hưởng đến chất lượng chuyển động của hệ thống. - Việc sử dụng loại động cơ có khả năng tạo chuyển động thẳng trực tiếp (động cơ tuyến tính) cho phép loại bỏ những nhược điểm nói trên và những nghiên cứu về loại động cơ này hy vọng sẽ phần nào khắc phục được những đặc điểm đó. - Luận án có nhiệm vụ đặt ra “Nâng cao chất lượng của các hệ chuyển động thẳng bằng cách sử dụng hệ truyền động động cơ tuyến tính” với mục tiêu điều khiển động cơ tuyến tính đóng vai trò là một thiết bị chấp hành được sử dụng trong hệ chuyển động thẳng trực tiếp (đảm bảo chiếm ưu thế so với hệ chuyển động thẳng gián tiếp) đạt được đáp ứng tốt về các mặt động học, động lực học. - Luận án còn có nhiệm vụ cho thấy khả năng vận dụng loại động cơ này trong công nghiệp. - Đây là công việc khó khăn bởi đó là loại động cơ không được sử dụng phổ biến trong nền công nghiệp nước ta. - Trên thế giới, mặc dù ĐCTT đã có từ rất lâu (năm 1895) nhưng phương án sử dụng nó trong hệ thống chuyển động thẳng chỉ được quan tâm khi xuất hiện những phương pháp điều khiển phi tuyến mới cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý, 2 điện tử tạo điều kiện thuận lợi trong việc điều khiển loại động cơ này. - Thực tế sản xuất ở các nước phát triển đã cho thấy xu thế ĐCTT dần dần đóng vai trò quan trọng trong các máy công cụ đòi hỏi điều khiển nhiều chuyển động thẳng. - Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ trên đây, luận án đã tập trung giải quyết một số vấn đề. - Về lý thuyết, luận án tập trung nghiên cứu sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến vận dụng vào ĐCTT loại ĐB – KTVC và đưa ra phương pháp xác định vị trí đỉnh cực giúp thực hiện các cấu trúc điều khiển phi tuyến đã trình bày. - Về thực nghiệm, luận án đã xây dựng được một mô hình thí nghiệm kiểm chứng những lý thuyết đã đề xuất. - Bản luận án có bố cục như sau: Chương 1. - Chương này trình bày về đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng, ưu thế của hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT, những vấn đề về điều khiển cũng như tình hình nghiên cứu ĐCTT hiện nay. - Mô hình động cơ tuyến tính loại đồng bộ - kích thích vĩnh cửu. - Đó là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển sau này. - Chương này mô tả về cơ chế hình thành các vector biểu diễn các đại lượng ba pha trong ĐCTT, mối quan hệ giữa chúng trên các hệ trục tọa độ tĩnh và chuyển động tịnh tiến cũng như trình bày về đặc điểm phi tuyến trong mô hình. - Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển sử dụng trong luận án. - Ở đây luận án sử dụng hai phương pháp điều khiển phi tuyến là phương pháp tuyến tính hóa chính xác và phương pháp thiết kế trên cơ sở nguyên lý phẳng. - Từ đó, sự tương quan giữa hai phương pháp này cũng như ưu thế của chúng trong một số chế độ vận hành cũng được mô tả, trình bày. - Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC. - Chương này trình bày về những cấu trúc điều khiển cụ thể được xây dựng dựa trên những phương pháp điều khiển phi tuyến đã được nêu ở trên. - Ngoài ra luận án cũng trình bày về phương pháp xác định vị trí đỉnh cực, là vị trí tương đối giữa cuộn dây (phần sơ cấp) và cực từ (phần thứ cấp). - Việc xác định đó có ý nghĩa trong việc tiến hành các cấu trúc điều khiển tựa từ thông cực nhờ vào các phép biến đổi chuyển hệ tọa độ. - Kết quả và bàn luận. - Toàn bộ các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày trong chương này với những thuyết minh kèm theo. - Bản luận án được viết với sự cảm thông, giúp đỡ to lớn của gia đình (bố, mẹ và anh trai. - Tác giả luận án cũng xin bày tỏ tấm lòng cảm ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình cũng như sự động viên chân thành của tập thể thầy giáo hướng dẫn: GS. - Xin cảm ơn ban lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ cao và bộ môn Điều khiển tự động – ĐHBK Hà Nội đã tạo mọi điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. - Tác giả Đào Phương Nam 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng. - Theo [1,2], một hệ thống chuyển động thẳng có thể được thực hiện bằng hai cách trực tiếp hoặc gián tiếp, trong đó hệ thống chuyển động thẳng gián tiếp được xây dựng dựa trên động cơ quay (hình 1.1) và ĐCTT sẽ được sử dụng trong hệ chuyển động thẳng trực tiếp (hình 1.2): H×nh 1.1 Hệ chuyển động thẳng gián tiếp sử dụng cơ cấu trục vít và đai truyền (theo [1]) H×nh 1.2 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB – KTVC (theo [1])
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt