Nghiên cứu tổng hợp điều khiển hệ thống truyền động bám cho các đối tượng chuyển động chậm

Tổng hợp vòng điều khiển tốc độ backstepping trượt thích nghi cho hệ truyền động bám làm việc ở chế độ chậm sử dụng động cơ IPMSM .... Ta thấy những ảnh hưởng của tác động chậm ở đầu vào

TRẦN ĐỨC CHUYỂN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM

CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG CHẬM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2016

TRẦN ĐỨC CHUYỂN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM

CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG CHẬM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 62.52.02.16

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

2 TS NGUYỄN THANH TIÊN

HÀ NỘI - NĂM 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS TS Đào Hoa Việt và TS Nguyễn Thanh Tiên Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả

Trần Đức Chuyển

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn khoa học, PGS.TS Đào Hoa Việt và TS Nguyễn Thanh Tiên, đã hướng dẫn, vạch ra những nội dung cần giải quyết, sau đó kiểm tra kết quả nghiên cứu, giúp đỡ và khuyến khích tôi hoàn thành luận án này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học và tập thể cán bộ giáo viên Bộ môn Kỹ thuật điện / Khoa Kỹ thuật điều khiển đã quan tâm đóng góp

ý kiến giúp tôi hoàn thiện nội dung nghiên cứu

Tôi chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Khoa Điện / Trường ĐH Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp / Bộ Công Thương, đã tạo điều kiện giúp đỡ về mặt khối lượng công việc để tôi có thời gian tập trung thực hiện luận án Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn thông cảm, động viên, khuyến khích giúp tôi có thêm nghị lực để hoàn thành nội dung luận án

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẬM 5

1.1 Khái quát về một số hệ thống truyền động bám cho các đối tượng có chế độ chuyển động chậm 5

1.1.1 Khái quát chung về hệ truyền động bám 5

1.1.2 Chế độ chậm trong một số hệ thống truyền động bám phức tạp 6

1.2 Xây dựng mô hình hệ truyền động bám làm việc ở chế độ chậm 9

1.2.1 Xây dựng mô hình phần cơ hệ thống truyền động 9

1.2.2 Mô hình động học đối tượng điều khiển phi tuyến với động cơ chấp hành xoay chiều đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu 19

1.3 Mô hình hệ truyền động bám làm việc ở chế độ chậm và những yếu tố ảnh hưởng 21

1.4 Những nghiên cứu trong nước và ngoài nước 27

1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu 30

1.6 Kết luận chương 32

Chương 2 CƠ SỞ TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING TRƯỢT THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM PHI TUYẾN 34

2.1 Xây dựng phương pháp tổng hợp bộ quan sát trượt mô men cản 34

2.1.1 Phương pháp Backstepping trượt (Backstepping - Sliding mode) 34

2.1.2 Tổng hợp bộ quan sát trượt 38 2.1.3 Bộ quan sát trạng thái trong chế độ trượt đánh giá thành phần không xác định 43 2.2 Phương pháp Backstepping trượt thích nghi cho hệ thống bám phi tuyến 45 2.3 Kết luận chương 61 Chương 3 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BÁM PHI TUYẾN ĐỘNG CƠ IPMSM LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẬM 63 3.1 Tổng hợp vòng điều khiển tốc độ backstepping trượt thích nghi cho hệ truyền động bám làm việc ở chế độ chậm sử dụng động cơ IPMSM 63 3.1.1 Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển backstepping trượt thích nghi cho vòng điều khiển tốc độ 64 3.1.2 Thiết kế bộ quan sát mô men cản 71 3.2 Xây dựng hệ kín cho hệ thống bám theo vòng vị trí sử dụng động cơ IPMSM trên cơ sở bộ điều khiển backstepping trượt thích nghi 73 3.3 Kết luận chương 78 Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING TRƯỢT THÍCH NGHI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẬM 79 4.1 Mô phỏng hệ thống truyền động bám phi tuyến với BĐK tốc độ trên cơ

sở phương pháp backstepping trượt thích nghi sử dụng động cơ IPMSM 80 4.2 Mô phỏng hệ thống truyền động bám phi tuyến với BĐK vị trí trên cơ sở phương pháp backstepping trượt thích nghi sử dụng động cơ IPMSM 90 4.2.1 Nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền động bám vị trí trên cơ sở phương pháp backstepping trượt thích nghi với bộ điều khiển PI 90 4.2.2 Nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền động bám vị trí trên cơ sở phương pháp backstepping trượt thích nghi với bộ điều khiển PID 100 4.3 Khảo xát đánh giá trên mô hình thực nghiệm với động cơ IPMSM 104

4.3.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 104

4.3.2 Các kết quả thực nghiệm 106

4.4 Kết luận chương 110

KẾT LUẬN CHUNG 111

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC 127

Phụ lục 1: Nghiên cứu mô phỏng, phân tích ảnh hưởng yếu tố phi tuyến và thông số biến thiên đến sự làm việc của HTB ở chế độ chậm với bộ điều khiển kinh điển PID 127

Phụ lục 2: Các sơ đồ mô phỏng trong Matlab - Simulink 130

Phụ lục 3: Các tham số mô phỏng và code chương trình lập trình trong Matlab Simulink cho BĐK backstepping trượt thích nghi 135

Phụ lục 4: Code chương trình lập trình cho DSP TMS320F28069 137

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

1 Chữ viết tắt Ý Nghĩa

HTB Hệ thống truyền động bám

CNC Computer Numerical Control: Máy gia công CNC

BLDC Brusless DC motor: động cơ một chiều không chổi than

IPMSM Interior Permanent Magnet Synchronous Motor: Động cơ đồng

bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (có Ld khác Lq) HTĐK Hệ thống điều khiển

LabVIEW Laboratory Virtual Instrusment Engineering Workbench DAQ Data Acqusition: phần cứng thu thập dữ liệu và điều khiển

VSC Variable Structure Control: bộ điều khiển có cấu trúc biến đổi SVM Space vector modulation: mô hình không gian véc tơ

DSP digital signal processing: bộ xử lý tín hiệu số

DLL Dynamic Link Library: Thư viện liên kết động

PI Bộ điểu khiển tỷ lệ, tích phân

PD Bộ điểu khiển tỷ lệ, đạo hàm

PID Bộ điểu khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm

DI đạo hàm và tích phân

PWM Bộ điều chế độ rộng xung

PC Personal computer: máy tính cá nhân

PLD Programmable Logic Devices: Vi mạch logic lập trình được ASIC Application Specific Intergrated Circuits: các mạch tích hợp

ứng dụng riêng

Osc Oscilloscope: máy hiện sóng

KĐCS Khuếch đại công suất

QTQĐ Quá trình quá độ

LF Hàm Lyapunov (Lyapunov Function)

CLF Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function)

J 1 Mô men quán tính của truyền động chấp hành [kgm2]

J2 Mô men quán tính còn lại của đối tượng bộ truyền cơ và tải [kgm2]

J Mô men quán tính tổng cộng [kgm2]

 Góc độ rộng khe hở [rad], (backlash angle)

F Thành phần ước tính xấp xỉ bằng luật thích nghi

X Véc tơ trạng thái của hệ thống

Y Véc tơ đầu ra của hệ thống

T  Hằng số thời gian của một khâu

T  Hằng số thời gian của cả vòng điều chỉnh tốc độ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1 Sơ đồ khối HTB pháo AK230 trên tàu hải quân 7

2 Hình 1.2 Mô hình động học pháo tàu với mục tiêu di động

4 Hình 1.4 Mô hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi 10

5 Hinh 1.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lượng có liên hệ

đàn hồi

11

6 Hình 1.6 a, b Biến đổi sơ đồ cấu trúc từ hình 1.5 11

7 Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc phần cơ hệ truyền động 13

8 Hình 1.8 a), b) Kết quả khảo sát mô phỏng ĐTTSLG của hệ

thống 2 khối lượng có liên hệ đàn hồi trên Matlab - Simulink

14

9 Hình 1.9 Mô hình mô men ma sát phụ thuộc vào tốc độ 18

10 Hình 1.10 Mô hình điều khiển động cơ IPMSM 19

11 Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống truyền động bám vị trí 21

12 Hình 1.12 a), b) Đặc tính mô men cản của HTB làm việc ở

15 Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống Backstepping trượt thích nghi 45

16 Hình 2.4 Hệ thống có dạng phản hồi thuần túy 46

17 Hình 3.1 Hệ thống tính toán bộ điều khiển backstepping trượt 70

thích nghi

18 Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ quan sát mô men tải 71

19 Hình 3.3 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống bám 72

20 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền động bám điện cơ làm

việc ở chế độ chậm sử dụng động cơ IPMSM

73

21 Hình 3.5 a), b) Biến đổi sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí 75

22 Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng sự phụ thuộc của mô men ma sát

vào tốc độ

79

23 Hình 4.2 Đặc tính mô men ma sát theo tốc độ 80

24 Hình 4.3 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển backstepping

trượt thích nghi hệ truyền động phi tuyến có kể đến phần cơ

của cơ cấu công tác

81

25 Hình 4.4 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển backstepping

trượt thích nghi hệ truyền động phi tuyến trên

mô men đặt M L và mô men ước lượng MˆL trường hợp 3

33 Hình 4.12 Sai số bám sát theo tốc độ trường hợp 3 85

41 Hình 4.20 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bám phi tuyến với

BĐK vị trí có tính đến yếu tố phi tuyến mô men ma sát và đàn

53 Hình 4.32 Kết quả mô phỏng BĐK vị trí trường hợp 4 với

đáp ứng vào ra theo góc với giá trị ban đầu a) J2 = 6Kgm2, b)

60 Hình 4.39 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bám với BĐK vị

trí có tính đến yếu tố phi tuyến mô men ma sát và đàn hồi sử

dụng khâu PID

100

61 Hình 4.40 Kết quả mô phỏng BĐK vị trí trường hợp 7: a) đáp

ứng vào ra theo góc, b) bộ quan sát mô men tải ; ˆ

63 Hình 4.42 Kết quả mô phỏng BĐK vị trí trường hợp 8: a) đáp

ứng vào ra theo góc, b) bộ quan sát mô men tải ; ˆ

101

64 Hình 4.43 Sai số bám sát theo góc trường hợp 8 102

65 Hình 4.44 Kết quả mô phỏng BĐK vị trí trường hợp 9: a) đáp

ứng vào ra theo góc, b) bộ quan sát mô men tải ; ˆ

102

66 Hình 4.45 Sai số bám sát theo góc trường hợp 9 103

67 Hình 4.46 Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thí nghiệm 104

MỞ ĐẦU

Hệ thống truyền động bám công nghiệp và khí tài quân sự được sử dụng trong các hệ thống kỹ thuật cao như: hệ thống bánh lái tàu thuỷ, hệ thống pháo tàu, hệ thống điều khiển khí cụ bay, hệ truyền động của máy đo xa Laze, tay máy công nghiệp và máy cắt gọt kim loại CNC Hệ thống truyền động bám thường sử dụng động cơ có đặc tính mô men tốt như động cơ BLDC, động cơ PMSM với hai dạng (surface-mounted PMSM là SPMSM) và (interior PMSM là IPMSM) Động cơ này đang có ưu thế nổi bật về tính linh hoạt, khả năng điều khiển mô men, tốc độ với độ chính xác cao, hiệu suất tốt, giảm chi phí vận hành, đáp ứng được yêu cầu về mô men điều khiển, điện áp, tốc độ, hiệu suất, độ chính xác, độ ổn định và độ cứng đặc tính cơ cho HTB điện cơ [13], [40], [41], [45]

* Sự cần thiết của đề tài:

HTB thường gặp trong công nghiệp và quốc phòng có một chế độ làm việc đặc biệt đó là chế độ chậm Ta thấy những ảnh hưởng của tác động chậm

ở đầu vào dẫn đến hệ thống làm việc ở chế độ chậm, tính chất phi tuyến bộc

lộ thông qua biểu hiện là trong chế độ chuyển động chậm ảnh hưởng của ma sát đàn hồi do bộ truyền cơ khí gây ra là rất đáng kể và không thể bỏ qua được, vì vậy khi xây dựng mô hình phải kể đến tất cả các yếu tố (Mms, Mdh, J- quán tính) và các yếu tố này là thay đổi

Việc nghiên cứu tổng hợp thuật toán điều khiển HTB có yếu tố phi tuyến

là vấn đề hết sức cần thiết và mang tính thời sự được nhiều người quan tâm Vấn đề này luôn có ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn cao Với tính cấp thiết như vậy, đề tài nghiên cứu của luận án được lựa chọn là: “Nghiên cứu tổng hợp điều khiển hệ thống truyền động bám cho các đối tượng chuyển động chậm”

* Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu tổng hợp hệ thống truyền động bám cho các đối tượng chuyển động chậm thực hiện trên cơ sở ứng dụng lý thuyết điều khiển mới như: điều khiển trượt; điều khiển backstepping trượt thích nghi có tính đến bộ quan sát, bộ lọc để tổng hợp bộ điều khiển Nghiên cứu đánh giá khả năng nâng cao chất lượng ổn định HTB làm việc ở chế độ chậm, nhằm thay thế HTB đã và đang sử dụng động cơ một chiều bằng HTB sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha IPMSM tính đến yếu tố phi tuyến bất định (Mms, Mdh, Mc ) của

bộ truyền cơ khí gây ra, có sử dụng bộ quan sát phụ tải, bù phụ tải

* Đối tượng nghiên cứu:

Đề tài luận án liên quan mật thiết đến tính phi tuyến của đối tượng điều khiển bao gồm: động cơ điện, bộ truyền cơ khí và cơ cấu công tác Đối tượng nghiên cứu của luận án là HTB làm việc ở chế độ chậm sử dụng động cơ IPMSM Động cơ này có đặc tính mô men tốt, làm việc có kết cấu chắc chắn

và độ tin cậy cao, là động cơ sevor đáp ứng được yêu cầu HTB làm việc ở chế

độ chậm Ngoài ra động cơ còn tạo ra được BĐK chất lượng cao có thể thay thế hệ thống sử dụng động cơ một chiều cũ trong công nghiệp và Quân sự

* Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu của luận án được thực hiện trên cơ sở ứng dụng

lí thuyết mới về điều khiển, để giải quyết bài toán cụ thể là bài toán xây dựng thuật toán và cấu trúc BĐK cho hệ thống bám có chú ý đặc biệt đến tính phi tuyến của đối tượng điều khiển làm việc ở chế độ chậm Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng và mở rộng kết quả lý thuyết Trình tự công việc như sau:

- Xem xét những yếu tố phi tuyến biến thiên của đối tượng điều khiển,

để xây dựng mô hình toán học phù hợp với HTB làm việc ở chế độ chậm

- Sử dụng nhóm phương pháp điều khiển backstepping trượt thích nghi cho đối tượng trong HTB làm việc ở chế độ chậm, đòi hỏi nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống truyền động điện

- Nghiên cứu công cụ chuyên dụng trên môi trường lập trình mô phỏng Matlab-Simulink, lập trình C, Labview - DAQ, DSP, PLD ASIC, DLL, v v phục vụ khảo sát, nghiên cứu thuật toán và tổng hợp hệ thống điều khiển, để kiểm tra tính đúng đắn kết quả đạt được

Trong quá trình nghiên cứu NCS kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng máy tính kết hợp với phần cứng DSP chuyên dụng

* Phạm vi nghiên cứu:

Để thực hiện đầy đủ mục tiêu và nội dung đề xuất, cần phải nghiên cứu toàn diện và tổng hợp vấn đề công nghệ, kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật phần cứng và phần mềm, v.v theo quan điểm tích hợp hệ thống Nhưng chỉ giới hạn như sau:

- Nghiên cứu những vấn đề về lý thuyết truyền động điện: phương pháp tổng hợp BĐK tốc độ; BĐK vị trí góc, đặc biệt chú ý đến tính phi tuyến của đối tượng điều khiển HTB làm việc ở chế độ chậm Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố phi tuyến, thông số biến thiên đến chất lượng làm việc của hệ thống

- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển mới như: điều khiển trượt, điều khiển backstepping thich nghi, điều khiển backstepping trượt thích nghi có tính đến bộ quan sát, v.v Ứng dụng chúng vào trong hệ thống truyền động bám sử dụng động cơ IPMSM làm việc ở chế độ chậm

Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận chung và phụ lục, nội

dung chính của luận án được trình bày trong bốn chương, gồm:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động bám làm việc ở chế độ chậm

Chương này trình bày được vấn đề tổng quan và đặc trưng HTB điện cơ trong công nghiệp và quân sự Xây dựng, khảo sát mô hình phần cơ hệ truyền động, phân tích mô hình hệ bám điện cơ khi kể đến yếu tố phi tuyến dưới dạng mô hình hai khối lượng Phân tích ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến như

mô men ma sát, dao động đàn hồi, đặc điểm động học HTB, tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước; từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển mới, xác định phương pháp nghiên cứu trong luận án và đặt vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở tổng hợp điều khiển backstepping trượt thích nghi cho

hệ thống truyền động bám phi tuyến

Trong chương hai trình bày cơ sở lý thuyết chung nhất của việc tổng hợp điều khiển backstepping trượt thích nghi cho hệ truyền động bám phi tuyến được nghiên cứu một cách trình tự Nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều khiển về thích nghi cho hệ thống có cấu trúc biến đổi, điều khiển backstepping trượt, điều khiển backstepping trượt thích nghi cho hệ thống truyền động bám làm việc ở chế độ chậm, có tính đến bộ quan sát trượt

Chương 3 Nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển hệ thống bám phi tuyến động cơ IPMSM làm việc ở chế độ chậm

Nội dung chính chương 3 là kết quả nghiên cứu tổng hợp BĐK backstepping trượt thích nghi sử dụng động cơ IPMSM, trong khuôn khổ vòng điều khiển tốc độ Tiến hành xây dựng hệ kín theo vòng vị trí cho HTB làm việc ở chế độ chậm, có tính đến yếu tố phi tuyến và thông số biến thiên (Mms, Mc, Mdh, mô men quán tính, ) ở bộ truyền cơ khí gây ra

Chương 4 Mô phỏng và thực nghiệm đánh giá chất lượng điều khiển backstepping trượt thích nghi hệ thống truyền động bám làm việc ở chế

độ chậm

Để minh chứng kết quả nghiên cứu tổng hợp BĐK ở chương 3, chương 4 tiến hành khảo sát mô phỏng đánh giá hệ thống truyền động bám làm việc ở chế độ chậm trên Matlab-Simulink với BĐK tốc độ và bộ điều khiển vị trí với nhiều trường hợp khác nhau Nghiên cứu thực nghiệm với BĐK tốc độ đã được xây dựng tổng hợp ở chương 3 trên mô hình vật lý sử dụng động cơ IPMSM trong thực tế, nhằm đánh giá chất lượng điều khiển backstepping trượt thích nghi; có sử dụng bộ quan sát, cho HTB làm việc ở chế độ chậm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM

LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẬM 1.1 Khái quát về một số HTB làm việc ở chế độ chuyển động chậm

1.1.1 Khái quát chung về hệ truyền động bám

Từ rất lâu trong công nghiệp và quân sự, người ta đã quan tâm nghiên cứu đến hệ thống truyền động điện nói chung, hệ thống bám nói riêng Chúng rất đa dạng phong phú và ngày càng phát triển mạnh mẽ Hệ thống truyền động bám là hệ thống kín, trong đó lượng vào thay đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên, lượng ra của hệ thống được điều khiển bám (lặp lại) theo lượng vào với độ chính xác cho trước Hơn nữa hệ thống bám là hệ thống mà, các chỉ tiêu chất lượng được xét theo lượng vào và theo nhiễu Độ chính xác theo lượng vào là vấn đề trọng tâm cần chú ý khi thiết kế HTB, [1, 15, 46] Yêu cầu hệ truyền động bám trong công nghiệp và quân sự cần đạt được các yêu cầu sau đây, [5, 16, 26, 30, 31, 39, 40, 46]:

* Tính ổn định của hệ thống là yêu cầu cần phải được đảm bảo với mô hình sử dụng trong tổng hợp điêu khiển Tính ổn định có hể là cục bộ hay tổng thể Miền ổn định và sự hội tụ của hệ thống về miền này là vấn đề phải quan tâm nghiên cứu Đây là tính chất đầu tiên cần đạt được của HTĐK

* Tính chính xác và tốc độ đáp ứng của hệ thống là quỹ đạo chuyển động thực của hệ thống phải bám sát theo quỹ đạo chuyển động mong muốn và thời gian quá độ để thực hiện quá trính bám sát với sai số là nhỏ nhất

* Tính bền vững có thể hiểu là sự làm việc ổn định hệ thống đối với những thay đổi của thông số không biết trước, nhiễu loạn và yếu tố phi tuyến chưa được kể tới trong quá trình tổng hợp điều khiển Đối với hệ thống có tính bền vững, yếu tố trên không thể phá vỡ chất lượng của hệ thống đã được tổng hợp

Từ trước đến nay, HTB có mặt trong nhiều trang thiết bị quân sự và công nghiệp Một số hệ thống truyền động bám như hệ thống truyền động quay an ten; đài ra đa, hệ thống truyền động quay bệ pháo 57, và một loạt hệ thống bám pháo tàu Hải quân nhiều nòng như: AK230 nòng 30mm, AK630 nòng 30mm, AK725 nòng 57mm, AK 726 nòng 76mm , bệ quay kính thiên văn,

hệ thống bám của rô bốt công nghiệp, máy cắt gọt kim loại CNC [13] Theo mối tương quan giữa mô men động cơ và mô men cản ta có thể chia các chế độ làm viêc của HTB thành 2 loại là chế độ làm viêc HTB với đối tượng điều khiển chuyển động nhanh và chế độ làm viêc HTB với đối tượng điều khiển chuyển động chậm

Trong HTB điện cơ làm việc ở chế độ chậm đòi hỏi sai số bám sát nhỏ thì tính chất chuyển động của hệ cần được quan tâm trong quá trình thiết kế

bộ điều chỉnh Với hệ thống chuyển động nhanh với gia tốc lớn thì mô men quay của động cơ chấp hành lớn hơn nhiều lần mômen ma sát, với hệ thống chuyển động chậm thì mômen động cơ chấp hành cho phép so sánh với mômen ma sát và mômen cản Khi quan tâm đến hệ thống làm việc ở chế độ chậm, thì chất lượng bám sát phụ thuộc nhiều vào việc đánh giá mô men cản Mômen ma sát là đại lượng khó xác định chính xác, phụ thuộc vào nhiều yếu

tố mang tính bất định của mô hình hệ thống truyền động điện, [13, 40]

1.1.2 Chế độ chậm trong một số hệ thống truyền động bám phức tạp

HTB làm việc ở nhiều chế độ khác nhau: quay tròn (đài ra đa), quay trong dải quạt (camera quan sát, rađa quay ở chế độ bám bắt mục tiêu di động), quay theo góc tà (góc tầm), góc phương vị (góc hướng) Nhận tín hiệu đặt vào bộ điều khiển từ nhiều nguồn (máy tính điều khiển bắn mục tiêu, kính ngắm, v.v ) Sau đây ta xét HTB điều khiển vị trí pháo tàu Hải quân: là trang thiết bị chủ yếu của lực lượng hải quân, đa số hải quân Việt nam đã và đang

sử dụng hệ pháo tàu từ những năm 1980 Hệ thống truyền động điều khiển bệ

pháo có một vai trò quan trọng trong việc hiện thực lệnh điều khiển nhận được từ cơ cấu điều khiển khác nhằm tiêu diệt mục tiêu đã định, [13, 40, 46] Yêu cầu đối với hệ truyền động điều khiển này cao: đảm bảo tính tác động nhanh cực đại, độ chính xác điều khiển lớn (cho phép sai số tĩnh thường

≤ 3 ly giác, sai số động ≤ 5 ly giác), điều khiển đối tượng có quán tính lớn góc quay hạn chế và dao động (do quá trình bắn, do thay đổi tầm bắn, do dao động của sóng biển tác động lên hệ điều khiển), khả năng chịu quá tải lớn (thường hệ số quá tải được tính đạt từ 200% đến 400% ), [16, 40]

Để đạt được yêu cầu kỹ thuật khắt khe như trên, hệ thống truyền động điều khiển truyền thống thế hệ cũ thường sử dụng động cơ điện một chiều hoặc động cơ thuỷ lực để làm động cơ chấp hành, [13, 23, 40]

Thống kê trong thực tế hệ thống truyền động vũ khí đang sử dụng trong nước và trên thế giới cho thấy hầu hết đều sử dụng ở dạng hệ điện cơ, [40] Ví

dụ hệ thống truyền động sử dụng điều khiển các loại vũ khí pháo tàu như: AK

230, AK 176 (hệ thống máy phát động cơ), hệ thống truyền động thuỷ lực dùng điều khiển một số loại pháo tàu như: AK 630, AK 726

Sau đây ta xét hệ thống truyền động bám với một loại pháo tàu trên tàu chiến Hải quân như hình 1.1:

Hình 1.1 Sơ đồ khối HTB pháo AK230 trên tàu hải quân

Hệ thống bao gồm: 1 Ra đa điều khiển; 2 cột ngắm (chế độ dự phòng); 3 máy tính trung tâm; HTP hệ thống bám phụ trợ: dùng để chuyển đổi điều khiển theo tín hiệu vào góc từ chế độ máy tính sang chế độ cột ngắm; 4 cơ cấu đo lường; 5 khuếch đại tín hiệu; 6 là KĐCS; 7 động cơ chấp hành; 8 hộp đổi tốc; 9 hiệu chỉnh thu; 10 hiệu chỉnh phát; 11 máy đo góc lắc; 12 bệ pháo

Hệ thống truyền động pháo tàu là HTB vị trí, ngoài tín hiệu điều khiển tương ứng với góc dẫn động phát, còn sử dụng thêm tín hiệu điều khiển theo tốc độ và gia tốc góc phát, tốc độ và gia tốc góc phản hồi từ cơ cấu chấp hành HTB pháo tàu còn có thêm tín hiệu phản hồi dòng điện, tín hiệu phản hồi này

có tác dụng làm tăng tốc trong giai đoạn bắt đầu có tín hiệu điều khiển, và thực hiện hãm trước khi hệ thống đạt giá trị sai số góc điều khiển giảm về 0

để nâng cao độ chính xác giảm dao động và nhiễu cho hệ thống điều khiển Trong những chế độ làm việc hệ thống bám góc của đối tượng di động

có một chế độ làm việc đặc biệt là chế độ chậm; như hình vẽ 1.3 là sơ đồ trình bày về lượng vào hệ thống bám góc tà ξ và góc phương vị β của pháo phòng không đặt trên tàu chiến Hải quân Ta thấy trong trường hợp máy bay là mục tiêu di động đang sắp bổ nhào vào tàu, thì góc tà ξ thay đổi rất chậm Để bảo đảm độ chính xác, bám góc trong trường hợp này thì hệ thống bám góc tà ξ cần phải làm việc tốt ở chế độ chậm này

trong hình vẽ trên, ξ góc tà (góc tầm); β góc phương vị (góc hướng)

Theo tài liệu [15, 16] cho thấy, trong nhiều trường hợp, yếu tố đàn hồi,

ma sát, của bộ truyền ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống truyền động; đặc biệt là HTB điện cơ làm việc ở chế độ chậm Tương quan giữa hằng số thời gian điện từ và điện cơ, tỷ số giữa mô men quán tính động cơ và cơ cấu công tác của hệ TĐĐ có ảnh hưởng rất lớn đến độ dao động hệ thống Điều này cần chú ý khi thiết kế hệ thống TĐĐ đòi hỏi chất lượng động học cao và

hệ thống có cấu trúc truyền động phức tạp chịu tác động của tải trọng động

1.2 Xây dựng mô hình hệ truyền động bám khi làm việc ở chế độ chậm Đối tượng điều khiển HTB là thành phần không đổi bao gồm phần cơ

với cơ cấu công tác, và phần động cơ điện chấp hành được xây dựng như sau:

1.2.1 Xây dựng mô hình phần cơ hệ thống truyền động

Phần cơ của hệ thống truyền động bao gồm nhiều khối chuyển động có liên quan với nhau [40, 46] gồm: động cơ, bộ truyền chuyển động và cơ cấu công tác Rô to của động cơ chịu tác động mô men điện từ và quay với tốc độ

là ω1, tốc độ quay được chuyển qua bộ truyền tới cơ cấu công tác để thực hiện công cơ học, quan hệ giữa phần tử này trong phần cơ được biểu diễn như sơ

Phần cơ của hệ thống rất đa dạng, gồm nhiều khối chuyển động quay và tịnh tiến với nhiều tốc độ khác nhau, đặc trưng bởi mô men quán tính J và khối lượng m, φ là góc của quá trình chuyển động Khi ta đặt phụ tải tác động lên cơ cấu công tác, thì các phần tử có biến dạng nằm trong giới hạn đàn hồi đặc trưng bằng độ cứng theo định luật Hooke, xác định bằng công thức sau:

dhi i i

M C q

Hình 1.4 Mô hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi

trong đó, M c1 mô men cản trên động cơ, M c2 mô men cản trên tải; M dc mô men

động cơ, M dh mômen đàn hồi, kxn hệ số giảm chấn bên trong trục, ω 1 vận tốc

góc của động cơ, ω 2 vận tốc góc trên tải

Khi bỏ qua yếu tố khe hở bộ truyền cơ khí, ta có các phương trình, [5]:

d dt



1 1

d dt



Ta có sơ đồ cấu trúc từ phương trình (1.2) - (1.4) như hình 1.5 sau đây:

Hinh 1.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lượng có liên hệ đàn hồi

Phân tích ảnh hưởng yếu tố đàn hồi đến phần cơ hệ thống truyền động

Khi phân tích ảnh hưởng yếu tố đàn hồi đến phần cơ hệ truyền động ta xét quan hệ giữa mô men động cơ với tốc độ động cơ và cơ cấu công tác, chưa xét đến tác động của mô men cản

Để nghiên cứu tính chất động học, ta xem xét phần cơ như đối tượng

điều chỉnh với giả thiết là M c1 = 0; M ms1 = 0, M c2 = 0; M ms2 = 0 [5, 16] Sơ đồ

cấu trúc được biến đổi về dạng như hình 1.6

Hình 1.6 a, b Biến đổi sơ đồ cấu trúc từ hình 1.5

Đầu tiên ta xác định hàm truyền đạt vòng 1 giữa ω1 và ω2 ta có:

Ta xác định hàm truyền đạt phần cơ hai khối lượng khi tác động điều

khiển là mô men M dc của động cơ và lượng ra là ω1:

với Ω12 là tần số cộng hưởng của cơ hệ đàn hồi hai khối lượng

Ta đưa vào ký hiệu sau: 1 2

1

2 2 12 2 2 12

12

1 1

1 1 1

1

s s

1 s 1

Khảo sát mô phỏng phần cơ theo sơ đồ cấu trúc ở trên, như sau, [5]:

Hình 1.8 a), b) Kết quả khảo sát mô phỏng ĐTTSLG của hệ thống hai khối

lượng có liên hệ đàn hồi trên Matlab - Simulink

Ở trên hình 1.8:

- LG1 là đặc tính tần số lôgarit quan hệ giữa mô men động cơ và tốc độ

khi tác động điều khiển là mô men M dc của động cơ và lượng ra là ω1

- LG2 là đặc tính tần số lôgarit quan hệ giữa mô men động cơ và tốc độ

khi tác động điều khiển là mô men M dc của động cơ và lượng ra là ω2

Từ kết quả mô phỏng ta có nhận xét sau:

Đối với đặc tính tần số lôgarit LG1, khi   c1, hàm truyền tần số có điểm 0 và ĐTTSLG có điểm gián đoạn và tiến đến - Khi   12 hàm truyền tần số có điểm cực tại điểm gián đoạn thứ hai và tiến đến  và hệ thống gây ra cộng hưởng

Đoạn tiệm cận thấp tần của ĐTTSLG xác định bởi khâu tích phân với hệ

12

1 1

Đối với khối lượng 1, với tần số không lớn tác động điều khiển M dc, chuyển động của động cơ sẽ quyết định chủ yếu bởi mô men quán tính tổng

J của hệ truyền động Tính chất động học phần cơ hệ truyền động giống như khâu tích phân, khi M const với tốc độ  thay đổi tuyến tính, đồng thời

cộng thêm dao động do phần đàn hồi gây ra Khi tần số dao động mô men gần đến giá trị cộng hưởng 12thì biên độ dao động tốc độ 1 tăng và tại   12tăng đến vô cùng Sự xuất hiện cộng hưởng phụ thuộc vào thông số phần cơ;

ta có thể tìm ra điều kiện khi đó ảnh hưởng đàn hồi đến phần khối lượng thứ nhất là không đáng kể

Từ biểu thức (1.13), nếu máy công tác có quán tính nhỏ J2J1,  1 thì chuyển động khối lượng thứ nhất được xác định bằng chuyển động của khâu

tích phân

1

1 W

J s





Từ (1.13), khi   12 thì trong miền tần số nhỏ và trung bình, chuyển

động của khối lượng tương đương khâu tích phân (khi   12 thì

1

1 W

J s





Theo trên, ta có thể rút ra kết luận quan trọng như sau:

Khi tổng hợp hệ điều khiển truyền động chỉ sử dụng phản hồi theo 1

(tốc độ động cơ) nếu J2 J1 hoặc   2 c (với c là tần số cắt của ĐTTSLG mong muốn của hệ hở khi coi phần cơ cứng tuyệt đối) thì ta có thể

bỏ qua ảnh hưởng của đàn hồi

Đối với khối lượng thứ hai, từ (1.14a) ta thấy khối lượng 2 có tính dao động cao hơn khối lượng 1:

Trong miền tần số thấp ĐTTSLG tiệm cận LG1 và LG2 trùng nhau Trong miền tần số trung, thì chuyển động của khối lượng 2 tương tự như

khâu tích phân

2

1 W

J s





 Khi   12 độ nghiêng ở đoạn cao tần của ĐTTSLG là -60db/dc Vì thế

nó không có tác dụng làm yếu đi sự gia tăng dao động cộng hưởng với bất kì giá trị nào của 

Như vậy, khi xây dựng hệ truyền động điện tự động yêu cầu chất lượng cao đối với chuyển động của cơ cấu công tác thì cần kiểm tra ảnh hưởng của đàn hồi trước khi muốn bỏ qua nó Điều kiện đủ để có thể bỏ qua ảnh hưởng của đàn hồi là tần số cộng hưởng 12 nằm ngoài dải thông đoạn trung tần trong ĐTTSLG của hệ thống truyền động Tập hợp thông số thỏa mãn điều kiện J2  J1 hoặc   12 là khá phổ biến trong thực tế Vì vậy, đối với hệ thống truyền động điện bình thường có thể khảo sát với mô hình phần cơ cứng tuyệt đối Tuy nhiên, trong các hệ truyền động đặc biệt quan trọng trong công nghiệp và quốc phòng thì do J2 J1 nên không thể bỏ qua ảnh hưởng yếu tố đàn hồi đến hệ thống truyền động Bên cạnh đó còn có ảnh hưởng yếu

tố mô men ma sát sẽ xét sau đây

Phân tích những ảnh hưởng của mô men ma sát trong hệ thống bám làm việc ở chế độ chậm

Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, khi có sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịch chuyển giữa hai vật thể, trong

đó diễn ra quá trình cơ, lý, hoá, quan hệ của quá trình đó rất phức tạp phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi trường Ta có: Fms  N

,

trong đó µ là hệ số ma sát, µ = f(p,v,C), N là tải trọng pháp tuyến; C là điều

kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường), [69] Việc phân tích ảnh hưởng thành phần mô men ma sát có thể dựa vào các

mô hình ma sát chuẩn như: mô hình ma sát tổng hợp, mô hình Dalh, mô hình

ma sát LuGre, mô hình ma sát Lorentz, các mô hình này đánh giá thành phần

ma sát coulomb và ma sát nhớt, phụ thuộc vào vận tốc; chiều thay đổi; lực tác động; sự tiếp xúc; sự hoạt động của độ dịch chuyển trung bình của bristle (lông cứng) trên bề mặt tiếp xúc, v.v đã được phân tích kỹ lưỡng ở một số công trình nghiên cứu [9, 10, 68, 69, 70, 88]

Ta có thể phân loại ma sát như sau, dựa vào động học chuyển động thì có: ma sát trượt, ma sát lăn, ma sát xoay Dựa vào chất tham gia của sự bôi trơn: ma sát ướt, ma sát khô, ma sát tới hạn Dựa vào động lực học thì ta có:

ma sát tĩnh, ma sát động Dựa vào đặc tính quá trình ma sát có: ma sát bình thường là quá trình ma sát trong đó chỉ xảy ra hao mòn tất yếu và cho phép (xảy ra từ từ, chỉ trên lớp cấu trúc thứ cấp, không xảy ra sự phá hoại kim loại gốc) Trong phạm vi giới hạn tải trọng; vận tốc trượt và điều kiện ma sát bình

thường, ma sát không bình thường là quá trình ma sát trong đó p, v, C vượt ra

ngoài phạm vi giới hạn, xảy ra hư hỏng: tróc loại 1, loại 2, mài mòn, v.v Người ta tìm các biện pháp thiết kế, công nghệ, sử dụng để mở rộng phạm vi

cho phép của p, v, C theo hướng tăng hoặc giảm, [19, 68, 70] Hình dạng các

lực ma sát, mô men ma sát được chỉ ra trên hình 1.9 như sau:

v

Hình 1.9 Mô hình mô men ma sát phụ thuộc vào tốc độ: a) Mô men ma sát Coulomb, b) Mô men ma sát Coulomb và ma sát nhớt (viscous), c) Mô hình

mô men ma sát Coulomb; d) Mô men ma sát tổng hợp: ma sát Coulomb với

ma sát nhớt, e) Mô men ma sát LuGre

Trong thực tế, thì một lượng nhỏ ma sát tĩnh (không có vận tốc) hoặc ma sát cu lông (được mô tả ở dạng M M sign( ) như hình 1.9a) luôn tồn tại ở

khớp nối, thậm chí trong ổ trục dạng bi hoặc con lăn Thành phần ma sát có hai tác động cơ bản quan trọng đến hệ điện cơ: một là thành phần mô men hoặc lực của cơ cấu chấp hành bị mất đi do phải thắng lực ma sát, dẫn đến không hiệu quả về năng lượng cũng như hiệu suất làm việc của hệ thống Khi

cơ cấu chấp hành dịch chuyển hệ thống đến vị trí cuối, thì vận tốc gần bằng không và mô men/ lực của cơ cấu công tác sẽ tiệm cận giá trị cân bằng một cách chính xác với đại lượng trọng lực và ma sát Tác động này làm giảm khả năng lặp lại của hệ điện cơ trong quá trình làm việc [5, 13, 15, 37, 40, 94]

1.2.2 Mô hình động học đối tượng điều khiển với động cơ chấp hành xoay chiều đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

Động cơ IPMSM có từ thông định sẵn tạo lên bởi nam châm vĩnh cửu được bố trí đều trên bề mặt rôto Nhờ đó từ thông rôto luôn có sự phân cực,

có trục định hướng nhất quán, rõ ràng Nếu sử dụng một khâu đo góc, luôn có thể xác định chính xác vị trí từ thông cực chính vì thế mà ta chỉ mô tả nó trên

hệ tọa độ dq Mô hình toán học IPMSM đã được trình bày trong [30, 64, 66]

Module BJT công suất

Tín hiệu xung mở (S 1 ÷ S 6 )

Véc tơ không gian PWM

V 

V 

sd V

sq V

V dc

AC

CL

sd V

I

Hình 1.10 Mô hình điều khiển động cơ IPMSM

Phương trình các thành phần từ thông:

Kết hợp các phương trình (1.17) - (1.19) ta nhận được hệ phương trình

mô tả động học động cơ IPMSM với điều khiển đầu vào là điện áp u sd;u sq, đại lượng đầu ra là góc quay trên đầu trục động cơ .

Đưa hệ về dạng không gian trạng thái với các biến trạng thái:

x  x2 , x3i sq, x4i sd. (1.20)

Ta nhận được hệ trong không gian trạng thái X  ( ,x x x x, , )T

1.3 Mô hình hệ truyền động bám làm việc ở chế độ chậm

Qua phân tích mô hình động học hệ truyền động hai khối lượng, và động

cơ chấp hành ta thấy hệ này đều có chứa mối liên hệ phi tuyến như: ma sát, dao động do đàn hồi, , [74] Ta có sơ đồ khối cấu trúc HTB vị trí như sau:

Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống truyền động bám vị trí

Sơ đồ khối hệ thống gồm các vòng điều chỉnh lệ thuộc của HTB được

mô tả như hình 1.11 Đối tượng điều chỉnh HTB gồm: cơ cấu công tác, bộ truyền động cơ khí, phần động cơ chấp hành là động cơ IPMSM

Khi xét HTB làm việc ở chế độ chậm ngoài mô men cản do phụ tải gây

ra, cần kể đến một thành phần quan trọng đó là mô men ma sát Mômen cản tác động lên trục quay phía tải cũng tồn tại ở 2 dạng: mô men ma sát khô và

mô men ma sát nhớt [13] Tài liệu [40] đã đi phân tích rất kỹ về mô hình đặc tính mô men cản, đặc tính tín hiệu điều hòa qua phần tử phi tuyến, sơ đồ hàm truyền, những dao động của HTB làm việc ở chế độ chậm; ở đây ta chỉ tóm tắt những ảnh hưởng của mô men cản đến hệ thống bám này như sau:

Mô men cản do ma sát khô có dạng:

nó có đoạn với dạng đạo hàm âm [15, 40]



T



0

C T

M T

C T

M

0 1

C T

M



0

C T

M



0 1

C T

M

Hình 1.12 a), b) Đặc tính mô men cản của HTB làm việc ở chế độ chậm

Tiệm cận đường cong đặc tính thay đổi mô men cản ma sát bằng đoạn thẳng tiếp tuyến ở hình 1.12 ta có:

0

Đối với đặc tính dạng trễ của mô men ma sát ta có thể tiệm cận bằng biểu thức sau: f C T. ( )  f C T 1( )  f C T 2( )  f C T 3( ) (1.24)

f  M sign  là đặc tính mô men ma sát khô,f C T 2( ) là đặc tính

mô men ma sát có đoạn đạo hàm âm, 2

2

C T T

dM F

dM F

Hai số hạng đầu biểu thức (1.24) xác định đặc tính đơn trị hàm F C.T(  ),

hình 1.12 số hạng thứ 3 tính đến đặc tính của F C.T3(  ), phụ thuộc vào hướng

và tốc độ của trục động cơ chấp hành Khi trục động cơ dừng lại ( 0) mô men cản trong biểu thức (1.23) xác định bởi mô men ma sát tĩnh, được lấy giá trị trong khoảng: