Nâng cao chất lượng của các hệ chuyển động thẳng bằng cách sử dụng hệ truyền động động cơ tuyến tính (bản full)

viiDANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 1.1 Hệ chuyển động thẳng gián tiếp sử dụng cơ cấu trục vít 1.2 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB 1.3 Mô tả hệ 2 vật được ghép nối với nhau có

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: 62.52.60.20

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG

2 PGS TS LÊ HOÀI QUỐC

Hà Nội - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi 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

1.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng 4

1.2 Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến

1.2.4 Mô hình hóa động cơ tuyến tính 17

2 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

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 khiển dựa trên nguyên lý

4 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐCTT LOẠI ĐB - KTVC 49

4.1 Xác định vị trí đỉnh cực: điều kiện để điều khiển tựa từ

4.2 Cấu trúc TKTT thiết kế trên cơ sở phương pháp TTHCX 64

4.3 Cấu trúc điều khiển thiết kế trên cơ sở nguyên lý phẳng 67

5 KẾT QUẢ 74

5.1.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển lực đẩy trên hệ tọa độ

5.1.2 Mô phỏng hệ điều khiển ĐCTT 3 pha theo 2 phương

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 105

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

x x mm Vị trí đỉnh cực, vị trí tương đối giữa phần

sơ cấp và thứ cấp của động cơ tuyến tính

truyền chuyển động, trục vít vô tận

T q T q Nm Thành phần mômen bất định gây ra đối

với động cơ, tải

T pos( )q p Nm Thành với trục vít phần mômen bất định gây ra đối

R R m, p m Bán kính của pulley gắn với động cơ và

trục vít vô tận

T bs Nm Mômen trục vít vô tận truyền cho tải

F blt N Lực căng của động cơ truyền cho trục vít

thông qua dây đai

a blt rad Góc khe hở giữa dây đai và pulley động

cơ

F pos( )x N Nhiễu lực đẩy tác động lên động cơ

F g Wb Từ thông khe hở không khí

R A.vòng/Wb Từ trở khe hở không khí

Fa b c, , ( ) x t , A.vòng Sức từ động của mỗi pha (phụ thuộc vị

trí và thời gian)

F x t ( ) , A.vòng Sức từ động tổng được tạo bởi thành

phần sơ cấp trong máy điện

kw J1 Hệ số dây quấn của sóng hài bậc J

l* m Chiều dài của p bước cực

l 3 m Khoảng cách giữa trục dây quấn của 2 pha khác nhau

d q p, e Rad Góc hình học, góc điện giữa 2 trục a và

d

i sa Vector dòng điện pha a

d d d, d, q m Khe hở không khí tại vị trí bất kỳ, tại vị

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

B B, p 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

B sm,B pm 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

y p Wb Từ thông do nam châm vĩnh cửu của bộ

phận thứ cấp trong ĐCTT sinh ra

v

L i m Chiều dài quy đổi của 1 bối dây

W m J Năng lượng tích trữ trong động cơ

 Rad Góc lệch giữa trục của từ thông stator

F pa b c, , Avòng Sức từ động sinh bởi nam châm vĩnh cửu

R m s A.vòng/Wb Từ trở khe hở giữa các răng

R mg A.vòng/Wb Từ trở khe hở giữa răng và phần thứ cấp

(cực từ) f

theo quỹ đạo f x( )

i ( )

f

m,

m

muốn *

SVM Điều chế vectơ không gian

DTC Điều khiển trực tiếp mô men

2.1 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

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

1.1 Hệ chuyển động thẳng gián tiếp sử dụng cơ cấu trục vít

1.2 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB

1.3 Mô tả hệ 2 vật được ghép nối với nhau có tồn tại khe hở

(theo [1])

5

1.4 Mô tả cấu trúc của 02 hệ chuyển động thẳng bằng cách

sử dụng hệ truyền động động cơ tuyến tính và động cơ

2.1 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

21

2.4 Biểu diễn các đại lượng vật lý thông qua hệ trục tọa độ

2.5 Mô tả sự hình thành của từ thông Stator

s

2.6 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 i s trên các hệ trục toạ độ

  , abc d q dq , ,

2.9 (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) [41] 35

4.1 Xác định trục (a) đối với dây quấn 1 lớp (a Dây

quấn; b Sóng cơ bản của sức từ động các pha)

51

4.2 Xác định trục (a) đối với dây quấn 2 lớp (a Dây quấn;

b Sóng cơ bản của sức từ động các pha)

52

4.3 Mô tả vị trí giữa các hệ trục tọa độ 53

4.4 Cấu trúc điều khiển lực đẩy theo phương pháp cộng

hưởng tần số dựa trên hệ trục ( a b , j )

54

4.7 a Lựa chọn điểm cực cho hệ thống; b Mô tả các thành

phần của dòng điện

594.8 Cấu trúc điều khiển lực đẩy theo phương pháp

Lyapunov dựa trên hệ trục  (d jq, )

4.11 Sơ đồ thiết kế các bộ điều khiển R isd,R isq 67

4.12 Cấu trúc điều khiển động cơ tuyến tính ĐB – KTVC sử

4.14 Thiết kế theo nguyên lý phẳng khi xuất hiện sai lệch 70

5.1 Mô hình mô phỏng điều khiển lực đẩy theo phương

pháp thích nghi bù bất định dựa trên hệ trục tọa độ d q 

76

5.2 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 * 

5.7 Mô hình mô phỏng điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC

theo phương pháp sử dụng nguyên lý phẳng

ix

ứng vị trí; b Đáp ứng tốc độ; c Đáp ứng dòng điện; d

Ước lượng lực cản)

5.10 Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp truyền thống cấp cho

động cơ tuyến tính 3 pha

5.16 Tiến hành thực nghiệm điều khiển xung lực theo

phương pháp thích nghi bù bất định dựa trên phần

mềm Matlab rti

91

5.17 Giao diện vận hành thí nghiệm điều khiển xung lực

theo phương pháp thích nghi bù bất định

92

5.18 Tiến hành thực nghiệm điều khiển tốc độ sử dụng

phương pháp TTHCX dựa trên phần mềm Matlab rti

94

5.19 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 Tổng quan 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

Chương 2 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 Ngoài ra, hiệu ứng đầu cuối (một đặc điểm riêng thể hiện sự khác biệt giữa ĐCTT và động cơ quay) cũng được xét đến

Chương 3 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

Chương 4 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

Chương 5 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

Cuối cùng là Kết luận và kiến nghị

Liên quan đến chủ đề ĐCTT còn nhiều vấn đề phức tạp, đòi hỏi nhiều công sức với sự tham gia của nhiều người, trong nỗ lực đưa ĐCTT ứng dụng

3

vào thực tế Đề tài nghiên cứu đã tạo ra cơ sở ban đầu cho những bước phát triển tiếp theo sau này

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 TSKH Nguyễn Phùng Quang và PGS TS Lê Hoài Quốc trong suốt quá trình, từ lúc hình thành ý tưởng đến các bước thực hiện

cụ thể của đề tài nghiên cứu này 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 Lời cảm

ơn cũng xin gửi đến các thầy cô giáo viện Điện đã có những hướng dẫn và trao đổi rất giá trị về chuyên môn

Tác giả

Đào Phương Nam

1 TỔNG QUAN

1.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng.

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):

1.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng 5

Đối với một hệ chuyển động thẳng gián tiếp, do bổ sung cơ cấu trung gian

nên nhược điểm đầu tiên cần kể đến là ảnh hưởng của khe hở trong khu vực

ghép nối giữa động cơ – trục truyền hay tải – trục truyền được mô tả theo

H×nh 1.3 Mô tả hệ 2 vật được ghép nối với nhau có tồn tại khe hở (theo [1])

Theo [1], phương trình động học mô tả hệ 2 vật được liên kết với nhau

thông qua trục truyền (hình 1.3) có dạng:

( )

2

2

22

Trong đó T fcm,T fcl (Nm) là mômen ma sát tại vị trí động cơ, tải

vàT pos( )q m ,T pos( )q l (Nm) là thành phần mômen bất định gây ra đối với động cơ,

tải Ở đây T pos( )q m ,T pos( )q l có đặc điểm liên tục, tuần hoàn theo vị trí và bị

chặn nên có thể được biểu diễn dưới dạng:

Ngoài ra do tồn tại khe hở nên mômen truyền từ động cơ đến tải T trans( )q

phụ thuộc vào quan hệ (tiếp xúc phải, tiếp xúc trái, không tiếp xúc) giữa trục

truyền và tải (hình 1.3) thể hiện ở:

1 TỔNG QUAN 6

với A+,A A0, - là tập hợp các vector , d

d

d dt

q q

d d

d d

q q

q q

Theo [1], với một hệ chuyển động thẳng cụ thể, ví dụ như hình 1.1 sử dụng trục vít và đai truyền thì thực hiện biến đổi như trên sẽ thu được các phương trình mô tả có dạng như sau:

Ở đây vì ảnh hưởng của khe hở xuất hiện ở cả phần ghép nối giữa động cơ

và dây đai nên không chỉ có thành phần mômen trục vít vô tận truyền cho tải s

1.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng 7

çè ø lần lượt đặc trưng cho các trạng thái tiếp xúc phải, không tiếp xúc, tiếp xúc trái giữa

động cơ và dây đai được xác định như sau:

d d

d d

PÌ là tập hợp các vector , d

d

dx x dt

çè ø có thể có trong hệ 2 vật (động cơ – trục vít) được liên kết thông qua dây đai (hình 1.1) Có thể thấy lực căng

truyền từ động cơ đến trục vít chỉ thực sự được hình thành khi xuất hiện tiếp

xúc giữa đai truyền và động cơ ( , d

d

dx x dt

çè øÎ {A+ÈA-}) và lực truyền này phụ thuộc vào tác động của đai truyền gây ra với trục vít vô tận khi hình thành

tiếp xúc phải, trái

Trong khi đó phương trình động học mô tả hệ chuyển động thẳng trực tiếp

bằng cách sử dụng ĐCTT có dạng đơn giản như sau:

ở đó F pos( )x là thành phần lực bất định tác động lên động cơ có đặc điểm liên

tục, tuần hoàn theo vị trí và bị chặn

Từ (1.17), (1.1) – (1.16) có thể thấy sự phức tạp của mô hình mô tả hệ

chuyển động thẳng gián tiếp so với hệ chuyển động thẳng trực tiếp không chỉ

chiếm số lượng thông số và số lượng các phương trình mô tả nhiều hơn mà

còn bởi lý do chính ở đây là trong hệ chuyển động thẳng gián tiếp tồn tại khe

hở ở khu vực ghép nối khiến cho lực căng F được xác định theo (1.12) cũng

1 TỔNG QUAN 8

như mômen truyền T bs được xác định gián đoạn tương tự như (1.4) Điều này

gây ra khó khăn cho hệ thống điều khiển Tài liệu [3] cũng đã chỉ ra ưu thế

của hệ thống chuyển động thẳng trực tiếp (hình 1.4) và xu hướng sử dụng

ĐCTT trong các hệ thống chuyển động thẳng (nhất là trong máy CNC) bởi:

trung gian như hộp số và trục vít

biệt các sai số do hao mòn cùng với thời gian sử dụng sẽ giảm đi

dao động riêng tiềm ẩn trong chuyển động xoắn của trục vít

H×nh 1.4 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])

Ngoài ra [2] cũng chỉ ra sự so sánh chi tiết giữa các hệ thống chuyển động

thẳng sử dụng các thiết bị cụ thể theo từng khía cạnh (bảng 1.1)

1.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng 9

B¶ng 1.1 So sánh các hệ chuyển động thẳng sử dụng thiết bị cụ thể (+: Tốt; -:

Xấu; ++: Rất tốt; : Rất xấu) (theo [2,3])

Về lịch sử, nguyên lý cơ bản của ĐCTT được đưa ra vào năm 1895 nhưng

chưa được phát triển và phải đến năm 1947, Eric Laithwaite, một kỹ sư điện

người Anh, đã sử dụng động cơ này trong hệ thống truyền động máy dệt công

nghiệp Nghiên cứu của Laithwaite được sự quan tâm của các nhà khoa học

và công trình này được Viện nghiên cứu Hoàng gia Anh công nhận vào những

năm 60 của thế kỷ 20 là Máy điện của tương lai

Có thể nói ĐCTT là một loại động cơ tạo trực tiếp chuyển động thẳng [3]

Để hiểu được nguyên lý của ĐCTT, ta chỉ cần hình dung ra một động cơ quay

tròn bất kỳ (một chiều, xoay chiều, từ kháng, bước …) với hai bộ phận: phần

tĩnh (stator) và phần động (rotor) Một trong hai bộ phận đó là nơi dòng năng

lượng điện đến (phía sơ cấp), bộ phận còn lại là dòng năng lượng rời đi dưới

dạng cơ (phía thứ cấp) Khi hình dung tăng dần bán kính của động cơ tiến tới

vô cùng, ta sẽ có phần stator dưới dạng trải dài (hình 1.5) và phần rotor sẽ là

phần di động trên bề mặt trải dài đó Nếu tiếp tục hình dung ra một mâm

cặp dao, hay một toa xe,… gắn với rotor thì sẽ thu được hình ảnh của động

cơ tuyến tính trong công nghệ chế tạo máy, hay trong tàu điện cao tốc

Transrapid

Từ những hình dung trên ta có thể rút ra hai điều sau:

 Có thể tạo ra ĐCTT có nguyên lý từ bất kỳ động cơ quay tròn kinh điển

1 TỔNG QUAN 10

1.2 Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính

Như đã biết, ĐCTT có nguyên lý kế thừa từ động cơ quay nên phần lớn những nghiên cứu đối với động cơ này có nguồn gốc từ các nội dung đã thực hiện đối với động cơ quay bởi mối quan hệ tương đương về cấu tạo giữa hai nhóm động cơ này Tuy vậy, do còn có những đặc điểm riêng đặc trưng cho

ĐCTT (ví dụ hiệu ứng đầu cuối,…) nên hình thành một số nghiên cứu có

nguồn gốc từ nhóm các vấn đề này

1.2.1 Nguyên lý điều khiển chung

Cũng như những phương pháp đã được thực hiện đối với động cơ quay, lúc này phương pháp điều khiển cho ĐCTT vẫn dựa trên hai hướng chính dựa vào nguyên lý điều khiển vector và nguyên lý điều khiển vô hướng

 [4,5,6] đã chỉ ra các phương pháp đại diện cho hướng nghiên cứu sử

dụng nguyên lý điều khiển vô hướng: U f không đổi (với mục đích duy trì từ thông khe hở không đổi giúp tạo ra khả năng sinh mômen mong muốn), điều khiển độ trượt,… Tuy nhiên việc tạo ra từ thông khe hở không đổi sẽ gặp khó khăn khi phụ tải thay đổi vì sụt áp trên Stator phụ thuộc vào dòng chảy qua nó [4] và điều này được khắc phục bằng

cách điều khiển U f sao cho từ thông khe hở là hàm của mômen tải [6] Các phương pháp dựa trên nguyên lý điều kiển vô hướng có ưu điểm dễ thực hiện nhưng chúng đều gặp khó khăn trong việc nâng cao chất lượng của hệ truyền động (đặc biệt ở vùng tốc độ thấp)

 Nguyên lý điều khiển vector đã được trình bày trong hệ thống tài liệu [7,8,9,10] Đối với ĐCTT, việc vận dụng nguyên lý này cần dựa trên một

hệ thống các vector mô tả một cách tường minh các đại lượng vật lý

(dòng điện, điện áp, từ thông,…) được trình bày ở mục 2.1 Những

công trình thuộc hướng nghiên cứu này có thể được chia thành các nhóm phương pháp: Điều khiển trực tiếp mômen (DTC), tựa từ thông rotor (T4R), tựa theo hệ trục tọa độ tĩnh ab

+ Theo [2], vào khoảng những năm 1980, Manfred Depenbrock và Isao Takahashi, Toshihiko Noguchi đã đề xuất ý tưởng của phương pháp DTC như sau: Từ thông stator cũng như mômen sinh ra bởi động cơ hoàn toàn có thể được tạo ra bằng cách điều khiển trực tiếp vector điện áp stator u s thông qua việc đóng cắt các van IGBT của nghịch lưu cấp điện cho động cơ Tuy sau này hãng ABB đã đưa ra một nhóm biến tần có cài đặt phương pháp DTC nhưng phương pháp này gặp phải một số khó khăn như: Cơ sở lý luận trong việc lựa chọn bảng đóng cắt, mômen và từ thông đập mạch (đặc biệt ở vùng tốc độ thấp), tần số chuyển mạch các van liên tục thay đổi và nghịch lưu đòi

1.2 Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính 11

hỏi sử dụng các van có tần số đóng cắt lớn Thực tế trên thế giới cũng xuất hiện những nghiên cứu theo hướng khắc phục những vấn

đề nêu trên [11] nhưng việc nghiên cứu vẫn đang được tiếp tục tiến hành Vận dụng ý tưởng của phương pháp DTC cho động cơ quay, [2] cũng đã đưa ra cấu trúc điều khiển trực tiếp lực đẩy cho ĐCTT loại

ĐB – KTVC

+ Đối với ĐCTT, nguyên lý điều khiển T4R chiếm phần lớn trong các

nghiên cứu, triển khai bởi khả năng cho phép tách các thành phần

dòng tạo từ thông và dòng tạo lực đẩy từ các dòng điện chảy trong các cuộn dây pha phần sơ cấp của động cơ (xem mục 2.2)

[7,8,9,10] Để thực hiện điều này thì cần thiết phải xác định chính xác vị trí tương đối giữa trục của từ thông rotor và trục của cuộn dây

pha, đó chính là vị trí đỉnh cực trong ĐCTT (xem mục 4.1)

+ Ngoài ra, cũng có những nghiên cứu điều khiển ĐCTT dựa trên hệ trục tọa độ tĩnh abmặc dù hệ trục này không có ý nghĩa tường minh

về mặt vật lý [12] Không những thế, lúc này khâu điều chỉnh dòng làm việc trên hệ trục abkhiến cho giá trị chủ đạo và giá trị thực biến thiên theo hình sin Một trong những cách khắc phục nhược điểm

này là sử dụng khâu điều khiển PI cộng hưởng tần số (xem mục 4.1)

[12]

1.2.2 Phương pháp điều khiển

Cũng như đối với động cơ quay, nhiệm vụ điều khiển ĐCTT gồm hai nội

dung chính, đó là đảm bảo chất lượng về mặt động học và động lực học

 Về mặt chất lượng động học thể hiện ở các đáp ứng tốc độ, vị trí được

can thiệp chủ yếu bởi mạch vòng điều chỉnh bên ngoài Đối với hệ truyền động ĐCTT, tuy loại bỏ được cơ cấu cơ khí trung gian nhưng khiến cho hệ thống trở nên kém bền vững, rất nhạy đối với các tác động phụ như lực ma sát, hiệu ứng đầu cuối (xem mục 2.4), tải thay đổi, phân bố từ thông không sin,… gây ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển Một số nghiên cứu tiêu biểu đã đề cập đến khả năng khắc phục những ảnh hưởng nêu trên (xem hình 1.6), đó là:

 [13] đã đưa ra phương án thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ theo phương

pháp điều khiển PI – Tự chỉnh kết hợp với những kỹ thuật ước lượng

phù hợp ở vùng tốc độ thấp giúp đạt được chất lượng tốt ở vùng làm việc này Tuy nhiên trong trường hợp tải biến động (ví dụ như thay đổi khối lượng vật nặng, ) sẽ gây ra sự thay đổi lực ma sát và các

lực cản khác, lúc này bộ điều khiển PI – Tự chỉnh không còn hiệu quả và phương pháp điều khiển thích nghi mô hình mẫu dựa trên lý

thuyết ổn định Lyapunov đã được vận dụng trong trường hợp này [14]

1 TỔNG QUAN 12

 Phương pháp thiết kế cuốn chiếu Backstepping cũng được sử dụng

để khắc phục ảnh hưởng của ma sát và lúc này bộ điều khiển được thiết kế dựa trên mô hình ước lượng ma sát Lugrie [15] Tuy vậy ma sát là một ảnh hưởng phụ thuộc nhiều vào điều kiện làm việc (nhiệt

độ, độ ẩm, ) nên những mô hình ước lượng ma sát sẽ gặp sai số trong ứng dụng thực tế Việc vận dụng phương pháp điều khiển mạng nơ ron thích nghi sẽ giúp khắc phục khó khăn này [16] Phương pháp giúp chỉnh định các thông số bộ điều khiển dựa trên những giả định và luật thích nghi, đảm bảo kết quả hội tụ đến giá trị thực [17] cũng trình bày một phương pháp khác khắc phục ảnh

hưởng của ma sát nhờ vào bộ điều khiển mờ thích nghi Có thể thấy

những phương pháp nói trên có nhược điểm cần sử dụng những VĐK mạnh do khối lượng tính toán lớn

H×nh 1.6 Tổng quan về các nghiên cứu đảm bảo chất lượng động học

 Bộ điều khiển trượt với ưu điểm đảm bảo cho giá trị thực nhanh chóng bám theo lượng đặt từ những quỹ đạo được lựa chọn cũng đã được sử dụng để điều khiển ĐCTT [18] Tuy nhiên phương pháp này gặp khó khăn trong việc xác định mặt trượt và hiện tượng dao động quanh quỹ đạo trượt [19] đã đưa ra biện pháp khắc phục hiện tượng dao động nói trên nhờ sử dụng bộ điều khiển trượt có cải tiến Ngoài ra hiệu ứng đầu cuối cũng được xử lý với bộ điều khiển này [19] Một phương án khác khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng dao

1.2 Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính 13

động nói trên cũng đã được nghiên cứu, đó là sử dụng bộ điều khiển bền vữngH¥ [20]

 Tiếp theo, đối với động cơ quay loại ĐB – KTVC, phương pháp điều

khiển sử dụng nguyên lý phẳng được trình bày trong [21] Tuy nhiên, [21] vẫn chưa đưa ra những xử lý trong trường hợp điện áp cần cấp vào động cơ vượt quá khả năng của bộ nghịch lưu cũng như tính chất phẳng của mô hình động cơ chỉ được rút ra sau khi đã chỉ

ra biến phẳng Luận án sẽ trình bày những biện pháp khắc phục nhược điểm này (xem chương 4)

Có thể thấy tất cả các nghiên cứu nêu trên vẫn chưa xét đến việc nâng cao chất lượng động học trong các chế độ vận hành phi tuyến (khi hoặc

cả dòng và áp đi vào giới hạn hoặc chỉ có điện áp bị giới hạn ở dải tốc

độ cao), hay khi tốc độ cần gia tốc, biến đổi nhanh trong một khoảng thời gian nhỏ Cũng cần lưu ý rằng chế độ làm việc nói trên thường xuyên xảy ra đối với các hệ chuyển động thẳng (CNC, hexapod, ) và khả năng khắc phục những nhược điểm này được trình bày trong mục 3.4

 Về mặt chất lượng động lực học, đó là các đáp ứng về mômen, lực đẩy

phụ thuộc chủ yếu vào mạch vòng điều chỉnh phía trong Đây là nhiệm

vụ rất quan trọng làm cơ sở cho việc nâng cao chất lượng của hệ truyền động Trên cơ sở nội dung khái quát về các phương pháp điều chỉnh dòng đã được sử dụng [7,8,9], luận án bổ sung những hướng nghiên

cứu cơ bản trong việc nâng cao chất lượng động lực học như sau (xem

hình 1.7)

H×nh 1.7 Tổng quan về các nghiên cứu đảm bảo chất lượng động lực học

1 TỔNG QUAN 14

 Khả năng đáp ứng nhanh chóng của mômen nhờ vào khả năng làm

việc của mạch vòng điều chỉnh dòng điện đã được khẳng định với phương pháp đáp ứng hữu hạn, deadbeat [7,8,9] Bên cạnh đó như

đã trình bày ở trên, nhóm phương pháp được xây dựng theo nguyên

lý điều khiển trực tiếp mômen (DTC) cũng nằm trong hướng nghiên

cứu này Vấn đề điều khiển tối ưu mômen nằm trong những nghiên

cứu vận hành tối ưu về vấn đề năng lượng dựa trên ý tưởng cơ bản là

sản sinh ra mômen quay với dòng Stator bé nhất, hoặc để sản sinh

ra mômen tối đa khi dòng và áp đã bị giới hạn [7,8,9] đã trình bày

chi tiết về nội dung này đối với các chế độ vận hành đặc biệt như suy giảm từ thông phía thấp, phía cao dựa trên ý tưởng đưa ra những quỹ đạo dòng dọc trục (tạo từ thông) phù hợp [22] cũng là một trong số những đóng góp thuộc hướng nghiên cứu này

 Tiếp theo, đó là những biện pháp được đưa ra với mục đích giảm

nhấp nhô mômen [23] đã chỉ ra lực cogging và thành phần sóng hài

bậc cao trong dạng sóng sức điện động trên stator hình thành bởi độ chênh giá trị điện cảm ở vị trí đỉnh cực và vị trí khe cực là nguyên nhân gây ra nhấp nhô lực đẩy Bản chất của lực cogging được mô tả bởi ( ) 1 2

2

r

dR T

cho vấn đề này, đó là sử dụng các phương pháp điều khiển phù hợp

và dựa vào cấu tạo của máy điện Nhóm tác giả Bianchi,… đã đưa

ra phương pháp dịch cực trong thiết kế phụ thuộc vào cấu tạo của

máy điện để khắc phục các ảnh hưởng của lực cogging [23,25] và

các phương pháp khác giải quyết vấn đề này cho đến nay hầu hết vẫn dựa vào thiết kế, cơ sở cấu tạo của động cơ [26] [12] cũng đưa

ra biện pháp khắc phục dựa trên lượng đặt các giá trị dòng điện phù hợp để giảm nhấp nhô lực đẩy sinh ra Lúc này lượng đặt các giá trị

dòng điện đó sẽ có dạng không sin do phải tính đến lượng bù của

thành phần cogging và [12] đã sử dụng phương pháp điều khiển cộng hưởng nhiều tần số được thực hiện trên hệ trục tọa độ tĩnh ab

để đảm bảo chất lượng của bộ điều chỉnh dòng

Có thể thấy các phương pháp nói trên chưa đề cập đến khả năng làm việc của bộ ĐCD khi có sự sai khác về mô hình bởi nhận định không

đúng về vị trí đỉnh cực Luận án đã đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi với sai lệch nói trên nhằm mục đích tìm ra vị trí đỉnh cực giúp điều khiển động cơ theo phương pháp tựa từ thông cực (xem

chương 4)

1.2 Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính 15

1.2.3 Xác định vị trí đỉnh cực

Xác định chính xác vị trí đỉnh cực là một điều kiện quan trọng trong điều

khiển ĐCTT theo nguyên lý điều khiển vector (đặc biệt đối với phương pháp

T4R) do cần xác định chính xác vị trí tương đối giữa trục của từ thông Rotor

và trục của dây quấn (xem chương 4) Những nghiên cứu này còn cần thiết đối với cả cấu trúc điều khiển dựa trên hệ trục tọa độ tĩnh ab bởi vị trí đỉnh cực là một thông số quan trọng trong việc xác định mô hình của đối tượng

điều khiển mà ở đây chính là ĐCTT Đối với động cơ quay, [7,8,9] đã chỉ ra

trong động cơ KĐB vị trí đỉnh cực phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ góc w s còn

vị trí đỉnh cực ban đầu được xác định bằng 0 do tại thời điểm này chưa

Như vậy việc xác định vị trí đỉnh cực trong động cơ không đồng bộ có mối

cơ ĐB – KTVC thì vị trí đỉnh cực phụ thuộc chủ yếu vào vị trí ban đầu q0 bởi

từ trường nam châm vĩnh cửu đã hình thành ngay từ trước khi vận hành động cơ Cho đến nay, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã đưa ra một số

hướng giải quyết cho bài toán xác định vị trí đỉnh cực của động cơ ĐB –

KTVC như sau (hình 1.8):

 Trước hết, dựa vào kết quả giá trị điện cảm ở một vị trí bất kỳ tỉ lệ nghịch với khe hở tại vị trí trục của dây quấn (ví dụ: đối với động cơ cực từ lồi L sq£L s( )q £L sd) nên có thể xác định được vị trí dịch chuyển của động cơ sao cho trục của cuộn dây trùng với trục của cực từ Tuy nhiên phương pháp này không phù hợp với nhóm động cơ cực từ tròn với đặc điểm hầu như không có sự thay đổi về giá trị điện cảm dọc theo bề mặt khe hở [27] Ngoài ra, phương pháp này chỉ có khả năng nhận biết được các vị trí đỉnh cực khi trục a trùng với trục d hoặc q

 Một giải pháp cũng hay được sử dụng trong thực tiễn đối với động cơ quay ĐB – KTVC đó là nối trục động cơ này với một động cơ khác được điều khiển ở chế độ động cơ Khi đó sẽ hình thành sức điện động trên stator cảm ứng bởi từ trường nam châm vĩnh cửu và dựa trên các sức điện động này sẽ giúp ta xác định được vị trí dịch chuyển rotor sao cho trục của cuộn dây trùng với trục của cực từ, đó là những điểm mà sức điện động đạt giá trị cực đại hoặc cực tiểu [28] Phương pháp này có nhược điểm giống như phương pháp dựa vào giá trị điện cảm là chỉ cho

phép xác định vị trí đỉnh cực tại một số điểm rời rạc

 Việc sử dụng bổ sung các cơ cấu đo để thực hiện nhiệm vụ nói trên cũng là giải pháp được xét đến và [29] là kết quả nghiên cứu tiêu biểu với việc sử dụng 2 cảm biến Hall đặt lệch nhau 450 điện Phương pháp

này có ưu điểm xác định vị trí đỉnh cực tại một điểm bất kỳ với kết quả

khá chính xác nhưng nhược điểm đòi hỏi thiết bị đo bổ sung gây ra khó

1 TỔNG QUAN 16

khăn trong ghép nối cơ khí, tăng giá thành và đòi hỏi VĐK đủ mạnh để thực hiện thuật toán phức tạp (phân tích phổ Furier FFT)

Xác định vị trí đỉnh cực

Dựa trên chuỗi xung lực

H×nh 1.8 Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí đỉnh cực

 Tiếp theo đó là nhóm các phương pháp dựa vào các dạng điện áp đặc

biệt cấp cho động cơ

 Theo [12,30], khi cấp điện áp 1 chiều vào 2 trong 3 pha thì phần ứng sẽ dịch chuyển đến vị trí xác định 0

2

p

thể điều khiển động cơ từ vị trí xác định nói trên Tuy vậy phương pháp này chỉ cho phép động cơ vận hành xuất phát từ những vị trí xác định và độ chính xác không cao

 [31] đã nêu lên một nhóm các kỹ thuật cấp vào động cơ điện áp có tần số cao – biên độ nhỏ tạo ra những đáp ứng về dòng điện, điện

cảm,… phụ thuộc vào vị trí đỉnh cực Từ đó bằng những biện pháp

phân tích các đại lượng này (phân tích phổ song hài,…) giúp tìm ra kết quả Có thể nói phương pháp này cho kết quả khá chính xác tại mọi vị trí và việc xác định đó được tiến hành khi động cơ đứng im Tuy nhiên việc thực hiện đòi hỏi khả năng tính toán nhanh trong các VĐK và gặp khó khăn đối với những động cơ cực từ tròn (L sd »L sq)

 Ngoài ra vị trí đỉnh cực còn có thể thu được sau khi giải quyết bài toán

điều khiển lực đẩy (hình 1.6) [32] với ý tưởng đưa vào bộ điều khiển

lực đẩy một lượng đặt là chuỗi xung lực đẩy tuần hoàn Khi đó giá trị vị

1.2 Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính 17

kỳ đủ lớn Phương pháp này đòi hỏi cấu trúc điều khiển dòng điện

thích nghi với sai lệch q q¹ và [32] chưa đề cập đến vấn đề này Luận

án sẽ trình bày 2 cấu trúc điều khiển giải quyết nhiệm vụ nói trên (xem

mục 4.1) Ngoài ra luận án cũng nêu biện pháp khắc phục số lượng chu

kỳ đủ lớn bằng cách đưa ra 4 lượng đặt xung lực rời rạc (xem mục 4.1)

1.2.4 Mô hình hóa ĐCTT

Chất lượng làm việc của hệ thống điều khiển cũng phụ thuộc nhiều vào tính chính xác của mô hình đối tượng điều khiển mà cụ thể ở đây là ĐCTT

Do đó những nghiên cứu liên quan đến bản chất cấu tạo hay phương pháp

mô hình hóa động cơ cũng được quan tâm [33,34,35] là những công trình

quan trọng của nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm kỹ thuật điện - điện

tử công suất, đại học kỹ thuật Lille (Pháp) Những công trình đó tập trung

giải quyết vấn đề nâng cao chất lượng điều khiển dựa vào phương pháp mô

hình hóa động cơ khác với mô hình truyền thống, đó là phương pháp

“Causal Odering Graph” Về bản chất cấu tạo của động cơ, các nghiên cứu

đi sâu vào việc khai thác đặc điểm tổng quát về động cơ khi họ coi những thành phần như: phân bố mật độ từ trường,… không phải là hàm điều hòa theo vị trí mà chỉ có tính chất tuần hoàn hay xác định mô hình động cơ bằng

phương pháp phần tử hữu hạn,… [12,36,37]

Như đã phân tích ở trên, ĐCTT có nguồn gốc từ động cơ quay và về cơ bản trong nhiều trường hợp (thiết kế cấu trúc điều khiển, phân tích hiện tượng vật lý, ) có sự tương đương giữa hai nhóm động cơ này Nhưng ở ĐCTT vẫn tồn tại những đặc điểm riêng mà không có ở động cơ quay, đó là:

 Không giống như động cơ quay, các điểm phân bố dọc theo bề mặt khe

hở có vai trò tương đương nhau thì ở ĐCTT, có sự phân biệt giữa 2 khu vực đầu, cuối với nhóm các điểm nằm giữa về mặt diễn biến điện từ và

xuất hiện hiện tượng đầu – cuối (Endeffect) trong động cơ loại này, gây

ảnh hưởng đến lực, từ thông hình thành trong động cơ kéo theo cần có

những cấu trúc điều khiển có khả năng khắc phục hiện tượng này

Những công trình [38, 39, 40] giải quyết vấn đề này theo hướng xuất phát từ mô hình mạch từ tương đương hay sử dụng phương pháp phần

tử hữu hạn để xác định sự sai khác giữa kết quả tính toán lực đẩy, theo như đã làm với động cơ quay và giá trị thực tế giúp tìm ra mô hình phù hợp khi xét đến hiệu ứng đầu cuối Từ đó sẽ đề xuất những cấu trúc điều khiển phù hợp

1 TỔNG QUAN 18

1.3 Kết luận

Từ những nội dung đã trình bày ở trên cho thấy ưu thế của việc sử dụng ĐCTT trong hệ chuyển động thẳng nói chung Với những hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao như robot công nghiệp, máy công cụ (CNC, ) thì sử dụng ĐCTT loại ĐB – KTVC là phù hợp Để điều khiển ĐCTT theo phương pháp tựa từ thông cực thì điều kiện để thực hiện là phải xác định chính xác vị trí đỉnh cực

Cũng từ những nội dung đã trình bày ở trên, các nghiên cứu về ĐCTT được tiến hành cho đến nay chưa xét đến vấn đề điều khiển ĐCTT trong các chế

độ vận hành phi tuyến (khi hoặc cả dòng và áp đi vào giới hạn hoặc chỉ có điện áp bị giới hạn ở dải tốc độ cao), hay khi tốc độ cần gia tốc, biến đổi nhanh trong một khoảng thời gian nhỏ

Ngoài ra những nghiên cứu xác định vị trí đỉnh cực giúp thực hiện cấu trúc điều khiển tựa từ thông cực từ gặp phải một số vấn đề như sau: vị trí đỉnh cực chỉ được xác định chính xác tại một số điểm rời rạc [12] hoặc có những phương pháp cho phép xác định tại một điểm bất kỳ thì phương pháp chưa chính xác, phải thực hiện sau một số dịch chuyển đủ lớn [32], hoặc có những phương pháp giúp xác định đạt kết quả tốt tại một điểm bất kỳ thì lại đòi hỏi tính toán nhiều (như phân tích phổ, ), xử lý đo chuẩn [30]

Luận án góp phần giải quyết những vấn đề nêu trên bằng những phương

pháp trình bày ở nội dung tiếp theo Về lý thuyết, luận án tập trung sử dụng

2 phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên nguyên lý phẳng và TTHCX để điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC có đề cập đến những xử lý hiệu chỉnh ngược khi điện áp đi vào vùng giới hạn hay ưu thế khi vận hành ở chế độ phi tuyến Ngoài ra luận án cũng đưa ra phương pháp xác định vị trí đỉnh cực thông qua biện pháp điều khiển lực đẩy với 4 lần tiến hành, dựa vào cấu trúc

ĐCD thích nghi với sai lệch góc tựa Về thực nghiệm, luận án đã xây dựng

được một mô hình thí nghiệm giúp xác định vị trí đỉnh cực và điều khiển ĐCTT loại ĐB – KTVC đảm bảo đạt được tốc độ cho phép và vận hành trong chế độ đảo chiều Việc xây dựng hệ thí nghiệm giúp chứng minh cho khả năng hoàn toàn có thể tạo ra được một biến tần điều khiển ĐCTT có sử dụng cấu trúc điều khiển được xây dựng trong luận án

Cuối cùng, cũng cần phải thấy rằng các kết quả nghiên cứu nói trên không chỉ có khả năng ứng dụng trong phạm vi hẹp là ĐCTT mà còn có thể vận dụng cho động cơ quay tương ứng

2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC

Việc xây dựng mô hình ĐCTT là một nhiệm vụ quan trọng, làm tiền đề cho công việc thiết kế các cấu trúc điều khiển sau này Nhiệm vụ ở đây là phải tìm ra mối quan hệ giữa các thành phần trong ĐCTT thể hiện ở các phương trình toán học Như vậy cần có phương pháp biểu diễn các thành phần này (mang bản chất vật lý) về dạng toán học (đó là các đại lượng vector và vô hướng) Ngoài ra, việc mô tả đó còn phải cho thấy rõ sự khác và giống giữa ĐCTT và động cơ quay

2.1 Hệ phương trình toán của ĐCTT loại ĐB – KTVC

Động cơ tuyến tính ĐB – KTVC 3 pha (hình 2.1) làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi các cuộn dây được cấp nguồn thì dòng xoay chiều

ba pha trên ba cuộn dây sẽ tạo thành vectơ dòng di chuyển theo phương nằm ngang và thành phần dòng trục q của nó sẽ tương tác với từ thông y p của nam châm vĩnh cửu, tạo ra lực đẩy các cuộn dây trong bộ phận sơ cấp của động cơ tuyến tính ĐB – KTVC Dựa trên cấu trúc của động cơ tuyến tính ĐB

– KTVC [10,12], một hệ trục tọa độ (hình 2.1) và bảng 2.1 đã được đưa ra

phản ánh hoạt động của động cơ tuyến tính này Ý nghĩa của hệ trục tọa độ

đó, cũng như các đại lượng vật lý (hình 2.1) được làm rõ thông qua các kết

luận sau:

 Trục của các pha a b c , , trong bộ phận sơ cấp (hay còn gọi là stator)

của động cơ tuyến tính ĐB – KTVC chính là trục của sức từ động trong

mỗi pha đó Như đã biết theo [10], sức từ động của mỗi pha sẽ liên tục, tuần hoàn theo vị trí và bị chặn nên nó có thể được phân tích theo

Furier thành tổng của 1 chuỗi các thành phần điều hòa:

ở đó kw J1 là hệ số dây quấn của sóng hài bậc J (hình 2.2) Khi đó,

trục và gốc của sức từ động sẽ được xác định theo sóng cơ bản của

( )

, , ,

a b c

F x t (hình 2.2) Như vậy, giả sử đã biết được vị trí của trục a b c( ),

thì sẽ xác định được sự phân bố của các đại lượng vật lý dọc theo bề

mặt khe hở không khí giữa rotor và stator (hình 2.2)

 Nguyên tắc hình thành vector i s trong 2 loại ĐCĐB – KTVC 3 pha quay hoặc tuyến tính là như nhau

2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC 20

động dọc theo khe hở không khí Đối với trường hợp máy điện 3 pha

thì sức từ động đó sẽ là tổng hợp của 3 sức từ động trong từng pha Ở

đây, các dây quấn 3 pha trong máy điện sẽ được đặt lệch nhau về vị trí một góc bằng 2

3

p

(được hiểu theo nghĩa góc điện)

 Có 1 điểm cần lưu ý trong động cơ tuyến tính là đối với các vectơ (i y s, s, ) mô tả các đại lượng vật lý thì điểm gốc cũng có ý nghĩa quan trọng Điều này có thể thấy rõ thông qua ví dụ sau: Giả sử có 02 vector dòng điện bằng nhau is xuất phát từ 2 vị trí P1, P2 khác nhau, sẽ hình thành 02 phân bố từ thông ở 02 vị trí khác nhau

=

d jq

si

=

H×nh 2.1 Biểu diễn các đại lượng vật lý thông qua hệ trục tọa độ trong ĐCTT

kiểu ĐB – KTVC 3 pha

2.1 Hệ phương trình toán của ĐCTT loại ĐB – KTVC 21

sa

i a

F x t

( )

2 0

ax

2

t

=

H×nh 2.2 Biểu diễn các đại lượng vật lý thông qua hệ trục tọa độ trong ĐCTT

kiểu ĐB – KTVC 3 pha.

Khi đó 02 vector bằng nhau này sẽ ánh xạ với 02 vector khác nhau

trong hệ trục tọa độ quay tương ứng về mặt điện (hình 2.3) Đây là 1

điểm khác so với động cơ quay bởi trong động cơ quay, hầu hết các vectơ ( s, ,

Bảng 2.1 Bảng mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2

loại động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính.

2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC 22

 Sự hình thành vector từ thông stator y s được thể hiện thông qua hình

2.5 với quan niệm 1 vector từ thông y được hiểu như sau:

 y là từ thông hay

số lượng đường sức

từ móc vòng qua

(rotor, stator,…)

 Chiều của vector

cho biết sự phân bố

của mật độ từ thông

B(Tesla) (có thể là

sin đối với cực ẩn

hoặc gần sin đối với

cực lồi), ở đó B đạt giá trị lớn nhất tại vị trí đặt của y Điều này có thể được mô tả thông qua ví dụ về từ thông tạo bởi dòng chảy qua

O

2π

d q t

=

Hình 2.3 Mối tương quan giữa các vector trong ĐCTT

1 1

,i y

2 2

,i y

2.1 Hệ phương trình toán của ĐCTT loại ĐB – KTVC 23

Lại có B s     k  B smcos  F  ,t



 (2.10) (ở đây xuất hiện k   do khe hở giữa dây quấn và cực từ không đều)

có phân bố dạng gần sin Điều này đúng bởi:

+ + + + + +

+ + + +

+ +

+ + + + +

+ +

+ + +

+ + + + +

i

L

+ + + +

2

t

( )2

0

0

1 2

m

NL Bdx NL B x

t

p p

q t

ìï =ïï ïï

ï = ïï ïî

ò

H×nh 2.4 Biểu diễn các đại lượng vật lý thông qua hệ trục tọa độ trong ĐCTT

kiểu ĐB – KTVC 3 pha.

2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC 24

=

d jq

H×nh 2.5 Mô tả sự hình thành của từ thông Stator y s

2.2 Mô hình trạng thái của ĐCTT loại ĐB – KTVC trên hệ  , , dq dq  

Sau khi đã hiểu rõ cơ chế hình thành của các vector s, , ,s

2

sin2

2.2 Mô hình trạng thái của ĐCTT loại ĐB – KTVC trên hệ 25

u u u

sd f

sq

T A

sd f

sq

L B

sq

L L N

L L

p t p

áp usd, usq, nó còn phụ thuộc cả vào tần số điện áp cấp vào động cơ Tính chất phi tuyến của đối tượng động cơ tuyến tính ĐB - KTVC thể hiện ở tích giữa biến trạng thái f

s

i và biến vào we qua thành phần ( f )

s

Ni v với yếu tố quyết định là ma trận N

Ngoài đặc điểm phi tuyến mang tính cấu trúc như đã trình bày ở trên, tính phi tuyến của động cơ tuyến tính ĐB - KTVC còn thể hiện ở 2 đặc điểm:

 Các tham số phụ thuộc vào biến trạng thái theo quan hệ bão hoà (L i( ),…) Điều này khiến cho mô hình động cơ mang đặc điểm phi tuyến, không có tính chất xếp chồng Khắc phục hiện tượng phi tuyến này hoàn toàn có thể được thực hiện bằng phương pháp tuyến tính hóa tại điểm làm việc, gain – scheduling, [41] sau khi tiến hành các biện pháp nhận dạng, thích nghi giá trị L i( ),…

 Một số hiện tượng phi tuyến khác có thể được loại bỏ khi phân tích hệ

thống như: hiện tượng mặt ngoài, điện trở phi tuyến, dòng xoáy PhuCô,…

2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC 26

PhÇn phi tuyÕn

d i dt

f si

H×nh 2.6 Mô hình động cơ tuyến tính ĐB - KTVC trong không gian trạng thái trên

hệ toạ độ dq

Mô hình trạng thái (2.17) và (2.18) mô tả ĐCTT loại ĐB – KTVC đã được nêu ở tài liệu [10] Tuy nhiên luận án trình bày những dẫn dắt đi đến mô hình nói trên cũng như cơ chế hình thành của các vector s, , ,s

u i y y là bởi mục đích cho thấy sự khác biệt trong mô hình toán giữa ĐCTT và động cơ quay (bảng 2.1) cũng như đưa ra mô hình toán học cho loại ĐCTT này được

mô tả trên hệ (d jq , ) (không được xét đến trong [10]), đó là hệ trục có tốc độ chuyển động tịnh tiến giống hệ tọa độ tựa theo cực từ (d jq, ) nhưng có thể có

sự sai lệch d¹d (hình 2.7) Lúc này, bằng cách thực hiện tương tự như cách thức tiến hành đưa ra công thức (2.8), (2.9); ta cũng có thể tìm ra quan hệ sau:

ossin

d d q

D = (2.22)

dẫn đến mối liên hệ của các đại lượng s, , ,s

u i y y trên hệ trục (d jq , ) được xác định như sau:

2.2 Mô hình trạng thái của ĐCTT loại ĐB – KTVC trên hệ 27

Mô hình động cơ tuyến tính loại ĐB – KTVC 3 pha trên hệ trục (d jq , )

(hình 2.1, 2.7) có ý nghĩa giúp ta giải quyết bài toán xác định vị trí đỉnh cực

(xem mục 4.1) Cũng cần lưu ý theo [10, 47], ta có quan hệ sau

L =L =L = L (2.26) với Laa điện cảm tự cảm của pha a

Việc tính toán lực đẩy cho động cơ tuyến tính loại ĐB – KTVC 3 pha được tiến hành như sau: vector dòng i s được mô tả trên hệ tọa độ dq (hình 2.7) có

dạng:

2

Đối với u sd,u sq cũng được xác định tương tự

Với điều kiện (i sa+i sb+i sc)=0 ta suy ra:

di di

2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC 28



( )



,

,

d d

q a

a

=

= Im

j

j

s sa

sb

sc

i i e i e i

p

p

=+

+

Î 



4 3

() () ()

, ,

ìï = =ïï

di di