Nghiên cứu điều khiển tốc độ, vị trí và đảo chiều động cơ tuyến tính theo phương pháp điều chế độ rộng xung ứng dụng trong hệ chuyển động thẳng

Học viên lớp cao học khóa 16 CHTĐH – Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Sau hai năm học và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu điều khiển tốc độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-o0o -

NGUYỄN NGỌC QUYẾT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, VỊ TRÍ VÀ ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ CHUYỂN ĐỘNG THẲNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CAO XUÂN TUYỂN

THÁI NGUYÊN, 2016

Tên tôi là: Nguyễn Ngọc Quyết

Sinh ngày 06 tháng 01 năm 1981

Học viên lớp cao học khóa 16 CHTĐH – Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Sau hai năm học và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu điều khiển tốc độ, vị trí và đảo chiều động cơ tuyến tính theo

phương pháp điều chế độ rộng xung ứng dụng trong hệ chuyển động thẳng”

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này là do chính bản thân tôi thực

hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Cao Xuân Tuyển tất cả tài liệu đều có

nguồn gốc, xuất sứ rõ ràng

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn như nội dung trong đề cương của thầy hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dung luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu mọi trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Thái nguyên, ngày tháng năm 2016

Học viên

Nguyễn Ngọc Quyết

Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Cao Xuân Tuyển đã tận

tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi và động viên trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã nhiệt tình chỉ dẫn, gúp đỡ trong quá trình học tập để hoàn thành luận văn

Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viện, giúp đỡ về mọi mặt trong thời gian qua để luận văn hoàn thành đúng tiến độ

Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như bạn bè đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái nguyên, ngày tháng năm 2016

Học viên

Nguyễn Ngọc Quyết

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THI ̣ ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa ho ̣c và thực tiễn của đề tài 2

3 Mục tiêu, đối tươ ̣ng và pha ̣m vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Nội dung của luâ ̣n văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 4

1.1 Cấu tạo, nguyên lý làm viê ̣c của đô ̣ng cơ tuyến tính 4

1.1.1 Các da ̣ng cấu ta ̣o của đô ̣ng cơ tuyến tính 5

1.1.2 Nguyên lý làm viê ̣c của đô ̣ng cơ tuyến tính 7

1.1.3 Hiệu ứng đầu cuối (End effect) 9

1.2 Khả năng ứng du ̣ng của đô ̣ng cơ tuyến tính trong thực tế 11

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 15

2.1 So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT ĐB-KTVC) 15

2.1.1 Nguyên lý làm việc 15

2.2 Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC 16

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha 16

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC .21

2.2.3 Mô hình toán học động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT-ĐBKTVC) .24

2.2.4 Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối 25

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 29

3.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 29

3.2 Thiết kế bộ điều khiển 34

3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển nghi ̣ch lưu phía lưới 35

3.2.1.1 Mô hình toán ho ̣c khối nghích lưu phía lưới 35

3.2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển nghi ̣ch lưu phía lưới 40

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển NLĐC theo phương pháp Tuyến tính hóa chính xác 42

3.3 TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PI (Mạch vòng dòng điện và vận tốc) .48

3.3.1 Tổng hợp mạch vòng ĐC vector dòng điện 48

3.3.2 Tổng hợp vòng ĐC vận tốc 49

3.3.3 Tổng hợp vòng ĐC vị trí 52

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 55

4.1.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 55

4.1.2 Sơ đồ Simulink bô ̣ điều khiển tốc đô ̣ theo phương pháp PI thường 55

4.1.3 Sơ đồ Simulink bô ̣ điều khiển vi ̣ trí theo phương pháp PD thường 56

4.2 Kết quả mô phỏng 56

4.2.1 Kết quả mô phỏng điều chỉnh vi ̣ trí theo chiều thuâ ̣n 56

4.2.2 Kết quả mô phỏng vi ̣ trí theo chiều ngược 58

4.2.3 Kết quả mô phỏng điều chỉnh vâ ̣n tốc theo chiều thuâ ̣n 61

4.3.2 Kết quả thí nghiệm 65

Ký hiê ̣u Đơn vi ̣ Ý nghĩa

L sd , L sq H Điê ̣n cảm stator do ̣c tru ̣c và ngang tru ̣c

s

u , i s V,A Vector điê ̣n áp stator, dòng điê ̣n stator

v m/s Vận tố c cơ của đô ̣ng cơ

i sd ,i sq A Thành phần dòng điê ̣n tru ̣c dq

u sd ,u sq V Thành phần điê ̣n áp tru ̣c dq

p

x mm Vị trí đô ̣ng cơ tuyến tính

Chữ viết tắt Ý nghĩa

ĐB - KTVC Đồ ng bô ̣ kích thích vĩnh cửu

ĐCTT ĐC – KTVC Động cơ tuyến tính đồng bô ̣ kích thích vĩnh cửu

DSP Vi xử lý tín hiê ̣u số

Hình 1 1 Nguyên lý chuyển đổi từ đô ̣ng cơ quay sang đô ̣ng cơ tuyến tính 4

Hình 1 2 Phân loại đô ̣ng cơ tuyến tính theo [10] 5

Hình 1 3 Động cơ tuyến tính có stator da ̣ng răng lược 5

Hình 1 4 Động cơ tuyến tính có stator dài 6

Hình 1 5 Động cơ tuyến tính có stator ngắn 6

Hình 1 6 Động cơ tuyến tính 1 tru ̣c 6

Hình 1 7 Động cơ tuyến tính 2 tru ̣c 6

Hình 1 8 Chiều chuyển động của từ trường và phần đô ̣ng 9

Hình 1 9 Phân bố từ thông bên trong đô ̣ng cơ tuyến tính 10

Hình 1 10 Hiệu ứng dòng xoáy và từ thông khe hở không khí 10

Hình 1 11 Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất kính 11

Hình 1 12 Ứng dụng trong giao thông vận tải 12

Hình 1 13 Ứng dụng trong hệ thống điều khiển rô bốt 12

Hình 1 14 Ứng dụng trong máy khoan CNC 13

Hình 1 15 Ứng dụng trong máy CNC 13

Hình 1 16 Ứng dụng trong máy phay CNC 13

Hình 2 1 Biểu diễn các đa ̣i lươ ̣ng vâ ̣t lý thông qua hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ trong ĐCTT kiểu ĐB– KTVC 3 pha 16

Hình 2 2 Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha 17

Hình 2 3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ  .18

Hình 2 5 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V 20

Hình 2 6 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại ĐBKTVC 26 Hình 2 7 a Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b Mạch từ tương đương mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối 27

Hình 3 1 Sơ đồ mạch động lực và điều khiển mạch vòng dòng điện theo phương pháp điều chế độ rộng xung 29

Hình 3 2 Nguyên lý phương pháp điều chế độ rộng xung .30

Hình 3 3 mô tả hình dáng tín hiệu trong bộ nghịch lưu áp ba pha 31

Hình 3 4 khâu khuếch đại nối tiếp với một khâu hạn chế điện áp 34

Hình 3 5 Sơ đồ cấu trú c điều khiển đô ̣ng cơ tuyến tính 35

Hình 3 6 Sơ đồ nguyên lý nghi ̣ch lưu phía lưới 35

Hình 3 7 Sơ đồ tổng quát ma ̣ch điê ̣n phía lưới 36

Hình 3 8 Sơ đồ thay thế 36

Hình 3 9 Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới 37

Hình 3 10 Mô hình gián đoạn phía lưới 39

Hình 3 11 Sơ đồ cấu trúc bô ̣ điều chỉnh dòng phía lưới 40

Hình 3 12 Cấu trú c điều khiển tuyến tính phía lưới 42

Hình 3 13 Sơ đồ điều khiển NLĐC 43

Hình 3 14 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác 48

Hình 3 15 Sơ đồ cấu trúc vòng ĐC dòng điện 48

Hình 3 17 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ĐC vận tốc ĐC TT 50

Hình 3 18 Sơ đồ thay thế (cấu trúc ở hình 3.17) khi thiết kế khâu ĐC tốc độ quay ĐCTT 50

Hình 3 19 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nghi ̣ch lưu phía lưới và nghi ̣ch lưu phía đô ̣ng cơ tuyến tính 54

Hình 4 1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 55

Hình 4 2 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tốc độ 55

Hình 4 3 Sơ đồ khố i Simulink bộ điều khiển vi ̣ trí theo phương pháp PD thường 56 Hình 4 4 Kết quả mô phỏng vi ̣ trí theo chiều thuâ ̣n 56

Hình 4 5 Kết quả mô phỏng tố c đô ̣ theo chiều thuâ ̣n 56

Hình 4 6 Đă ̣c tính lực điê ̣n từ theo chiều thuâ ̣n 57

Hình 4 7 Đă ̣c tính dòng điê ̣n theo chiều thuâ ̣n 57

Hình 4 8 Kết quả mô phỏng điê ̣n áp theo chiều thuâ ̣n 58

Hình 4 9 Kết quả mô phỏng vi ̣ trí theo chiều ngược 58

Hình 4 10 Kết quả mô phỏng tố c đô ̣ theo chiều ngươ ̣c 59

Hình 4 11 Đă ̣c tính lực điê ̣n từ theo chiều ngược 59

Hình 4 12 Đă ̣c tính dòng điê ̣n theo chiều thuâ ̣n 60

Hình 4 13 Kết quả mô phỏng vâ ̣n tố c theo chiều thuâ ̣n 61

Hình 4 14 Kết quả mô phỏng lực điê ̣n từ chiều thuâ ̣n 61

Hình 4 15 Kết quả mô phỏng dòng điê ̣n chiều thuâ ̣n 62

̉ mô phỏng tố c đô ̣ theo chiều ngươ ̣c 62

Hình 4 17 Kết quả dòng điê ̣n chiều ngược 63

Hình 4 18 Kết quả mô phỏng lực điê ̣n từ chiều ngược 63

Hình 4 19 Hình ảnh máy hiện sóng 64

Hình 4 20 Hình ảnh biến tần 64

Hình 4 21 Hình ảnh động cơ tuyến tính 64

Hình 4 22 Hình ảnh mạch điều khiển 64

Hình 4 23 Hình ảnh tổng thể hệ thống thí nghiệm 64

Hình 4 24 Hệ thống vi điều khiển 64

Hình 4 25 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc ma ̣ch điều khiển hê ̣ thống thí nghiê ̣m 65

Hình 4 26 Tăng dần dòng điện đầu vào biến tần tăng từ 0-:-1,2 Hz 65

Hình 4 27 Dòng điện đầu vào biến tần ổn định 1,2 Hz 65

Hình 4 29 Dòng điện giảm từ 2-:-1,2 Hz 65

Hình 4 28 Dòng điện giảm từ 2-:-0 Hz 65

Hình 4 31 Dòng điện dây vào động cơ ổn định1,6 Hz và giảm về 0 66

Hình 4 30 Dòng điện dây vào động cơ từ 0 - 1,6 Hz 66

Hình 4 33 Dòng điện dây vào động cơ tăng từ 0 - 1,6 Hz giảm về 1,2 Hz 66

Hình 4 32 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số tăng từ 0 đến 1,6 Hz 66

Hình 4 35 Dòng điện dây có tần số từ 0-1,6 Hz giảm về 0 66

Hình 4 34 Dòng điện dây vào động cơ có tần số ổn định 1,2 Hz 66

Hình 4 37 Điện áp đặt vào động cơ tăng dần 0-1,2 Hz 66

Hình 4 39 Vận tố c của đô ̣ng cơ ở tần số 1,8 Hz 66Hình 4 38 Vận tố c của đô ̣ng cơ ở tần số 1,8 Hz tải thế năng 66

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Ti ́nh cấp thiết của đề tài

Hiện nay trong lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải, chuyển động thẳng đã xuất hiện phổ biến và được ứng dụng nhiều trong các ngành sản xuất công nghiệp đặc biê ̣t trong trong lĩnh vực cơ khí Chuyển đô ̣ng thẳng thường gặp ở những chuyển dịch của bàn gá chi tiết, mũi khoan… trong các máy gia công kim loại, máy CNC, Robot công nghiệp hay các máy móc phu ̣c vụ ngành công nghiệp bán dẫn… Ngoài ra, chuyển đô ̣ng thẳng còn xuất hiê ̣n ở các phương tiê ̣n giao thông như đầu máy xe điê ̣n, tàu điê ̣n ngầm, tàu đê ̣m từ trường ở các nước phát triển (Mỹ, Đức, Nhâ ̣t,…)

Tuy nhiên việc ta ̣o ra các chuyển đô ̣ng thẳng hầu hết được thực hiê ̣n mô ̣t

cách gián tiếp thông qua các cơ cấu cơ khí để biến chuyển động quay tròn của động cơ thành chuyển động thẳng do đó đố i với những hê ̣ thống này do phải

bổ sung các cơ cấu chuyển đổi trung gian như hô ̣p số , tru ̣c vít, đai truyền… vì vậy sẽ làm cho hê ̣ thố ng trở nên phức ta ̣p về kết cấu cơ khí, tiềm ẩn trong nó những dao động riêng, tổn hao năng lượng cũng như ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thố ng Việc sử du ̣ng đô ̣ng cơ có khả năng tạo ra chuyển đô ̣ng thẳng trực tiếp (động cơ tuyến tính) với ưu điểm Động cơ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, không cần cơ cấu cơ khí đổi từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến, có

độ tin cậy và chính xác cao, đơn giản và an toàn trong vận hành cho phép loa ̣i

bỏ những nhươ ̣c điểm nói trên

Vấn đề rất quan trọng đố i với hê ̣ chuyển đô ̣ng sử du ̣ng đô ̣ng cơ tuyến

tính là đô ̣ chính xác về vi ̣ trí, vâ ̣n tố c, thời gian đáp ứng, thời gian dừng chính

xác Để giải quyết bài toán này cần phải thiết kế bô ̣ điều khiển cho đô ̣ng cơ tuyến tính Vì vâ ̣y, tôi lựa cho ̣n đề tài “Nghiên cứu điều khiển tốc đô ̣, vi ̣ trí và

đảo chiều đô ̣ng cơ tuyến tính theo phương pháp điều chế độ rộng xung ứng

du ̣ng trong hê ̣ chuyển đô ̣ng thẳng”

2 Ý nghi ̃a khoa ho ̣c và thực tiễn của đề tài

- Đã ứng du ̣ng phương pháp điều khiển TTHCX để thiết kế bô ̣ điều điều khiển dòng điê ̣n, tố c đô ̣ và vi ̣ trí đô ̣ng cơ tuyến tính theo tiêu chuẩn môđun đối

xứ ng

- Đã thực hiê ̣n bằng thực nghiê ̣m viê ̣c điều khiển tố c đô ̣, vi ̣ trí và đảo chiều động cơ tuyến tính với các chế đô ̣ khác nhau

3 Mu ̣c tiêu, đối tươ ̣ng và pha ̣m vi nghiên cứu

* Mục tiêu nghiên cứu:

- Thiết kế được bô ̣ điều khiển dòng điê ̣n, bô ̣ điều khiển tốc đô ̣, bô ̣ điều khiển vị trí để từ đó điều khiển tốc đô ̣, vi ̣ trí và đảo chiều đô ̣ng cơ tuyến tính ứng dụng trong hê ̣ chuyển đô ̣ng thẳng

- Tiến hành xây dựng hê ̣ thố ng thí nghiê ̣m đô ̣ng cơ tuyến tính đồng thời tiến hành thí nghiê ̣m ở các chế đô ̣ làm viê ̣c khác nhau để kiểm nghiê ̣m la ̣i những tính toán, phân tích lý thuyết

- Các phương pháp điều khiển đô ̣ng cơ tuyến tính

- Động cơ tuyến tính

Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển tốc đô ̣, vi ̣ trí và đảo chiều

đô ̣ng cơ tuyến tính loa ̣i đồng bộ kích thích vĩnh cửu ba pha

4 Phương pha ́ p nghiên cứu

- Phương pháp phân tích và tổng hơ ̣p lý thuyết: Nghiên cứu các tài liê ̣u liên quan đến luâ ̣n văn, chọn lọc các kiến thức, lí luâ ̣n phu ̣c vu ̣ cho luâ ̣n văn

- Phương pháp mô phỏng: Thực hiê ̣n các mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulinks

- Phương pháp thư ̣c nghiê ̣m khoa ho ̣c: Tiến hành thí nghiê ̣m trên hê ̣ thố ng thí nghiệm động cơ tuyến tính để kiểm chứng la ̣i những phân tích lý thuyết

5 Nô ̣i dung của luâ ̣n văn

Nội dung của luâ ̣n văn bao gồm:

Mở đầu: Nêu mu ̣c tiêu, nhiê ̣m vu ̣ và nô ̣i dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa

học và thực tiễn của luâ ̣n văn

Chương 1: Tổng quan về đô ̣ng cơ tuyến tính

Chương 2: Mô hình toán ho ̣c đô ̣ng cơ tuyến tính

Chương 3: Điều khiển tố c đô ̣, vi ̣ trí và đảo chiều đô ̣ng cơ tuyến tính theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Chương 4: Mô phỏng và thí nghiê ̣m

Kết luận và kiến nghi ̣

Tài liê ̣u thao khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH

1.1 Cấu ta ̣o, nguyên lý làm viê ̣c của đô ̣ng cơ tuyến tính

Để hiểu rõ hơn về động cơ tuyến tính ta có thể hình dung ra một động cơ quay tròn bất kỳ nào, khi tăng bán kính của động cơ đến vô cùng, sẽ thu được hình ảnh rotor và stator song song với nhau (hình 1.1) Trong chuyển động tương đối khi chọn gốc tọa độ gắn với hệ quy chiếu nào ta sẽ suy ra được chuyển động tương đối của thành phần còn lại so với gốc tọa độ Với quan điểm như vậy động cơ tuyến tính sẽ gồm hai thành phần: Thành phần thứ nhất nhận dòng năng lượng điện đi tới (phần sơ cấp), thành phần thứ hai là dòng năng lượng đưa ra dưới dạng cơ năng (phía thứ cấp) Từ quan điểm trên ta có thể thấy với động cơ tuyến tính phần tạo chuyển động thẳng có thể là phần stator hay phần rotor của máy điện quay truyền thống, từ đó tạo ra những động cơ tuyến tính tương ứng

Hình 1 1 Nguyên lý chuyển đổi từ đô ̣ng cơ quay sang đô ̣ng cơ tuyến tính

Từ nguyên lý cơ bản trên, động cơ tuyến tính được phát triển với cấu tạo khác nhau tương ứng dựa vào mục đích sử dụng Việc lựa chọn động cơ tuyến tính phụ thuộc vào thuộc tính và nguyên tắc hoạt động của chúng

Ban đầu động cơ tuyến tính chủ yếu được sử dụng cho hệ thống giao thông vận tải Hiện nay động cơ tuyến tính được sử dụng để thay thế một hệ thống sử dụng động cơ quay và các thiết bị cơ khí để tạo ra một chuyển động tuyến tính trực tiếp

1.1.1 Ca ́ c da ̣ng cấu ta ̣o của đô ̣ng cơ tuyến tính

Theo cấu trúc hình ho ̣c, đô ̣ng cơ tuyến tính đươ ̣c chia thành 2 loa ̣i chính:

dạng phẳng và dạng ống

Theo nguồn kích thích, đô ̣ng cơ tuyến tính có thể chia thành 4 loại chính:

Đô ̣ng cơ mô ̣t chiều tuyến tính, đô ̣ng cơ đồng bô ̣ tuyến tính, đô ̣ng cơ không đồng

bộ tuyến tính, động cơ bước tuyến tính

Hình 1 2 Phân loa ̣i động cơ tuyến tính theo [10]

Ngoài ra, thực tế cho thấy tùy theo những ứng du ̣ng cu ̣ thể mà đô ̣ng cơ tuyến tính còn đươ ̣c phân loa ̣i như sau:

- Động cơ có stator da ̣ng răng lươ ̣c

Hình 1 3 Đô ̣ng cơ tuyến tính có stator dạng răng lược

- Động cơ cơ stator da ̣ng dài: Chiều dài của phần cung cấp thường lớn hơn nhiều lần phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần kích thích chính là phần chuyển động

Hình 1 4 Đô ̣ng cơ tuyến tính có stator dài

- Động cơ có stator da ̣ng ngắn: Chiều dài của phần cung cấp ngắn hơn (hoặc bằng) phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần cung cấp chính là phần chuyển động

Hình 1 5 Đô ̣ng cơ tuyến tính có stator ngắn

Dựa vào số tru ̣c di chuyển, động cơ tuyến tính có hai loa ̣i:

- Loại 1 trục

Hình 1 6 Đô ̣ng cơ tuyến tính 1 trục

- Loại 2 tru ̣c

Hình 1 7 Đô ̣ng cơ tuyến tính 2 trục

Để kết thúc phần này, theo tài liệu [11] ta có bảng so sánh tổng thể lực đẩy sinh ra của các loại động cơ tuyến tính có thể sinh ra

Ba ̉ ng 1.1 Bảng so sánh lực đẩy sinh ra của các loa ̣i đô ̣ng cơ tuyến tính

Động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu (kiểu răng

Xét về khả năng tạo lực đẩy thì động cơ tuyến tính làm việc theo nguyên

lý đồng bộ kích thích vĩnh cửu có khả năng tạo lực đẩy lớn hơn động cơ tuyến tính làm việc với nguyên lý không đồng bộ Do vậy động cơ tuyến tính dạng đồng bộ kích thích vĩnh cửu thường được sử dụng nhiều hơn Luâ ̣n văn tâ ̣p trung nghiên cứ u đô ̣ng cơ tuyến tính kiểu kích thích vĩnh cửu ba pha

1.1.2 Nguyên ly ́ làm viê ̣c của đô ̣ng cơ tuyến tính

Xét đô ̣ng cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu, khi đặt hệ thống điện áp nguồn 3 pha đối xứng vào dây quấn ba pha của động cơ đồng bộ tuyến tính, trong ba pha sẽ có các dòng điện iA, iB, iC

Dòng các pha sẽ sinh ra các sức từ động tương ứng có dạng đập mạch:

W: Số vòng dây của một pha

Kdq : Hệ số dây quấn sóng cơ bản

Từ trường chuyển động tịnh tiến F sẽ tương tác với từ trường nam châm vĩnh cửu FNC , do nam châm vĩnh cửu được đặt ở phần cố định, phản lực sẽ làm phần động (gồm lõi thép và dây quấn) chuyển động tịnh tiến theo chiều ngược với chiều chuyển động của từ trường F với tốc độ chuyển động là:



Hình 1 8 Chiề u chuyển đô ̣ng của từ trường và phần động

Về mặt năng lươ ̣ng đô ̣ng cơ đã biến đổi điê ̣n năng thành cơ năng

1.1.3 Hiệu ứng đầu cuối (End effect)

Như đã phân tích trong các phần trên động cơ tuyến tính có những nét tương đồng so với những động cơ quay tương ứng phát triển nên nó, nhưng trong đó còn những điểm khác biệt do cấu tạo khác biệt của hai loại đô ̣ng cơ quay và động cơ tuyến tính Một khác biệt cơ bản ở đây chính là hiệu ứng đầu cuối ở động cơ tuyến tính (End effect) mà động cơ quay không có

Hiện tượng đầu cuối trong động cơ tuyến tính có thể được hiểu như sau:

đó là sự phân biệt giữa các khu vực đầu và cuối với các điểm nằm giữa về diễn biến điện từ gây ảnh hưởng đến từ thông và lực do động cơ tuyến tính sinh ra (do tính chất mạch từ hở của động cơ tuyến tính) Điều này làm thay đổi quan điểm giả thiết về sức từ động hình sin trong động cơ quay truyền thống

Có ba vấn đề cần đặc biệt lưu tâm về hiệu ứng đầu cuối:

- Thứ 1: Với động cơ tuyến tính dạng không đồng bộ ngoài hiệu ứng đầu

cuối (điểm đầu và điểm cuối phần kích thích) còn có sự ảnh hưởng về từ trường ở hai biên Còn ở động cơ tuyến tính dạng đồng bộ chỉ chịu tác động của hiệu

ứng đầu cuối Vì vậy với động cơ tuyến tính dạng không đồng bộ chịu tác động của hiệu ứng đầu cuối mạnh hơn

- Thứ 2: Tại điểm đầu và điểm cuối của phần kích thích từ thông sinh ra

bị ảnh hưởng bởi dòng xoáy phía thứ cấp (ĐCTTKĐB) làm ảnh hưởng đến từ trường khe hở không khí phân bố tại điểm đầu và điểm cuối của phần kích thích Diễn biến này khác nhau phụ thuộc vào tốc độ của động cơ ( độ lớn của dòng phía bên kích thích)

- Thứ 3: Sự xuất hiện hay kết thúc đột ngột của dòng xoáy phía cảm ứng

(tương ứng với sự xuất hiện hay kết thúc của dòng phía kích thích) Gây ra phản ứng dọc trục gây ra sự thay đổi tốc độ của động cơ (nhấp nhô về tốc độ) Đây cũng là một điểm rất đáng chú ý trong động cơ tuyến tính

Hình 1 9 Phân bố tư ̀ thông bên trong động cơ tuyến tính

Stator ngắn làm việc theo nguyên lý cảm ứng

Hình 1 10 Hiê ̣u ứng dòng xoáy và từ thông khe hở không khí

Hiệu ứng đầu cuối là một điểm đặc trưng của động cơ tuyến tính khác so với các loại động cơ khác Trong bài toán điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính thì hiệu ứng đầu cuối (end effect) phải được quan tâm và giải quyết triệt để Mục tiêu được đặt ra ở đây là làm rõ tính chất của hiệu ứng đầu cuối xảy ra trong động cơ tuyến tính

1.2 Kha ̉ năng ứng du ̣ng của đô ̣ng cơ tuyến tính trong thực tế

Hiện nay, tại các nước phát triển, giải pháp công nghệ động cơ tuyến tính được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực, cụ thể:

- Trong công nghiệp sản xuất kính (theo báo điện tử: “Control engineering urope” http://www.controlengeurope.com/

Hình 1 11 Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất kính

Hegla GmbH's glass cutting machine uses Bosch Rexroth's IndraDyn L linear motor

- Trong giao thông vận tải

( theo báo điện tử : http://www.explainthatstuff.com/linearmotor.html)

Hình 1 12 Ứng dụng trong giao thông vận tải

Photo: A Maglev train using linear motor technology Picture courtesy

of US Department of Energy/Argonne National Laboratory

- X-Y Robot Control Systems

(Theo machine-with-lmc-linear-motor)

http://www.indiamart.com/hiwin/products.html#wafer-inspection-Hình 1 13 Ứng dụng trong hệ thống điều khiển rô bốt

-Trong máy khoan CNC sử dụng động cơ tuyến tính (Theo nguồn tin từ trang báo điện tử: http://www.indiamart.com/hiwin/products.html)

Hình 1 14 Ứng dụng trong máy khoan CNC

Laser PCB Drilling Machine with LMS47 Linear Motor

- Sử dụng trong máy CNC: LX0 5AX 5 Axis Linear Motor CNC Machine (theo trang báo điện tử: https://www.youtube.com/watch?v=d7szecnTfRI)

Hình 1 15 Ứng dụng trong máy CNC

- Sử dụng trong máy phay CNC: Tarus Linear Motor High Speed 5 Axis

Mill(theo trang báo điện tử:https://www.youtube.com/watch?v=d7szecnTfRI)

Hình 1 16 Ứng dụng trong máy phay CNC

Các máy nêu ở trên yêu cầu có độ chính xác cao, gia công chính xác các

bề mặt chi tiết phức tạp, chủ yếu ứng dụng trong các chuyển động robot, các máy gia công cơ khí có độ chính xác cao

Chương 1 đã trình bày cấu tạo cơ bản, nguyên lý làm viê ̣c cũng như

các loa ̣i cấu ta ̣o của động cơ tuyến tính Phân tích được những đặc điểm tương đồng cũng như những đặc điểm riêng chỉ tồn tại trong động cơ tuyến tính so với các động cơ quay truyền thống Làm rõ khả năng ứng dụng của động cơ tuyến tính trong thực tế Làm rõ những nô ̣i dung này làm cơ sở cho việc mô tả toán ho ̣c đô ̣ng cơ tuyến tính Mục tiêu này sẽ được phân tích và giải quyết ở phần tiếp theo của luâ ̣n văn

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 2.1 So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động

cơ tuyến tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT ĐB-KTVC)

Mạch từ và dây quấn 3 pha trải phẳng, chuyển động tịnh tiến (chuyển động thẳng)

Phần cố định Mạch từ có kết cấu hình vành trụ tròn,

trong có xẻ rãnh đặt dây quấn 3 pha

Nam châm vĩnh cửu gồm nhiều cực từ đặt liên tiếp nhau, cực tính luân phiên nhau

2.1.2 Hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC

Hệ tọa độ quay quanh một

tâm 0 cố định

Theo tài liệu (Luận án tiến sĩ - tác giả Đào Phương Nam) hệ tọa độ có tâm 0 chuyển động tịnh tiến gắn với bộ phận chuyển động của động cơ

Kết luận: Trên cơ sở các phương trình toán học ĐC ĐB-KTVC ta sẽ suy

ra các phương trình toán học mô tả ĐCTT-ĐBKTVC, với việc thay thế các đại lượng vật lý như sau:

Theo [2] p được định nghĩa như hình vẽ sau:

Hình 2 1 Biểu diễn ca ́ c đại lượng vật lý thông qua hê ̣ trục tọa độ trong ĐCTT kiểu ĐB–

KTVC 3 pha

2.2 Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha

Trên cơ sở mô hình toán học, đối tượng là động cơ quay kiểu ĐB – KTVC ta xây dựng mô hình toán ho ̣c của ĐCTT - KTVC Vì động cơ chạy thẳng KTVC

có cấu trúc tương tự như động cơ đồng bộ KTVC, do đó trước hết luận văn sẽ

trình bày mô hình toán học của động cơ ĐB-KTVC sau đó chuyển về động cơ chạy thẳng KTVC

Với các loại máy điện xoay chiều ba pha nói chung, máy điê ̣n ĐB - KTVC nói riêng ta đều có ba dòng điện hình sin cùng biên độ, tần số, lệch pha nhau

120o điện chảy vào stator qua ba cực tương ứng với pha u, v, w Gọi ba dòng đó

là i su , i sv , i sw Các dòng điê ̣n này thỏa mãn phương trình:

( ) ( ) ( ) 0

su sv sw

i t i t i t  (2.3) Trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang) của máy điện, ta thiết lập một hệ tọa

độ phức có trục thực đi qua trục cuộn dây pha u Trên hệ tọa độ đó, ta định nghĩa một vector không gian dòng điện stator như sau (hình 2.2):

i (t)

o

j240 sw

2 3

e

i (t)

o

j120 sv

2 3

e

i (t)

Re Im

u v

w

s

i (t)

Hình 2 2 Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha

Trong đó is(t) là một vector có module không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ góc s 2 f s và tạo với trục thực một góc pha   s t với

s

f là tần số mạch stator

Dễ dàng chứng minh được rằng dòng điện của từng pha là hình chiếu của vector dòng stator lên trục của cuộn dây pha tương ứng Đối với các đại lượng stator khác của máy điện như điện áp stator, từ thông stator ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với dòng điện stator

kể trên Tổng quát thì một đại lượng stator bất kỳ x s(t) xác định một vector không gian như sau:

Bây giờ ta đặt tên hệ tọa độ phức nói trên là hệ tọa độ  (hình 2.3) với trục

 trùng với trục cuộn dây pha u Đó là hệ tọa độ stator cố định Các thành phần

của vector dòng stator trên 2 trục tọa độ là i s và i s

Dễ dàng chứng minh được rằng hai thành phần dòng i s và i s được xác định từ ba dòng pha nhờ công thức (2.6) Ngược lại, các dòng pha stator của máy điện được xác định từ các thành phần dòng i svà i stheo công thức (2.7)



sv i



s i

Cuén d©y pha V

Cuén d©y pha W

Hình 2 3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ 

Với MĐĐB-KTVC, ta xây dựng một hệ trục tọa độ quay 0dq có hướng của trục thực d trùng với trục của từ thông cực và gốc tọa độ trùng với gốc tọa độ của hệ Hệ tọa độ này quay quanh điểm gốc với tốc độ góc  là tốc độ cơ học của rotor, cũng chính là tốc độ ωs

Cuén d©y pha V

Cuén d©y pha W

Rotor

Trôc Rotor

sa

i

sb

i

Hình 2 4 Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq

Gọi i sd và i sq là hai thành phần trên hai trục tọa độ d, q của vector dòng

stator Vector i t s( ) có thể được viết cho hai hệ tọa độ như sau:

Các chỉ số phía trên bên phải “s” và “f” để chỉ hệ tọa độ  và dq

Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian:

Xét một hệ tọa độ tổng quát xy Ngoài ra ta hình dung thêm một hệ tọa độ

thứ 2 với các trục x y* * có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc * so với hệ

xy

Quan sát một vector V bất kỳ ta thu được:

- Trên hệ xy: V xy  x jy (2.9)

V xy V e* j* V* V e xy j* (2.13) Thực tế, * có thể là một góc biến thiên với tốc độ góc * d*/dt, trong trường hợp ấy, hệ tọa độ * *

x y là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ góc * xung

quanh gốc tọa độ của hệ xy

Hình 2 5 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V

Từ đó rút ra được mối liên hệ giữa các thành phần dòng stator trên các hệ tọa

Các phương trình của máy điện vốn vẫn được viết cho từng pha u, v, w hay

r, s, t Sau khi xây dựng các vector không gian, kết hợp các phương trình cho

từng pha lại với nhau dựa trên công thức (2.4), ta sẽ thu được phương trình cho máy điện dưới dạng các đại lượng vector

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC

Cơ sở để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC là phương trình điện áp stator trên hệ thống cuộn dây stator

Phương trình điện áp stator:

Sau khi chuyển (2.17), (2.18) sang biểu diễn trên hệ tọa độ dq là hệ toạ độ

quay với vận tốc góc s so với hệ toạ độ cố định ta thu được hệ phương trình sau:

Vì trục d của hệ toạ độ trùng với trục của từ thông cực, thành phần vuông góc (thành phần trục q) của ψp sẽ bằng không, do đó, véc tơ từ thông cực từ chỉ có duy nhất thành phần trục thực ψp Từ đó, ta có:

 

32

M p p sq sd sq sd sq

m  z  i i i L L  (2.26) Theo (2.26), mômen quay của MĐĐB-KTVC bao gồm hai thành phần: thành phần chính ψp isq và thành phần phản kháng do chênh lệch (Lsd - Lsq) gây nên Khi xây dựng hệ thống điều khiển, ta sẽ phải điều khiển véc tơ dòng stator sao cho vec tơ dòng đứng vuông góc với từ thông cực, và do đó không có thành phần dòng từ hoá mà chỉ có thành phần dòng tạo mô men quay Vậy là isd = 0 và

ta thu được phương trình mô men như sau:

32

L di

- isd, isq: là các thành phần dòng điện stator trên hệ toạ độ dq

- ψp : là từ thông cực từ; ωs: tần số góc mạch stator; Tsd=Lsd/Rs;Tsq=Lsq/Rs

- Rs: là điện trở mạch stator

2.2.3 Mô hình toán học động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT-ĐBKTVC)

Từ (2.28) với việc thay các đại lượng trong động cơ ĐB-KTVC bằng các đại lượng tương ứng trong động cơ chạy thẳng kiểu ĐB-KTVC

sd sq

L di

sd rq

L di

m: Khối lượng phần động của động cơ

2.2.4 Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối

Theo [2] Ngoài sự khác biệt giữa 2 loại ĐCTT và ĐC quay được mô tả thông qua bảng 2.1 thì điểm khác biệt lớn nhất phải kể đến ở đây là hiệu ứng đầu cuối, chỉ xuất hiện ở ĐCTT Hiệu ứng đầu cuối được hình thành là do không giống như động cơ quay, vai trò của các điểm dọc theo bề mặt tiếp xúc giữa phần động và phần tĩnh không có sự tương đương, thể hiện ở diễn biến từ thông ở điểm biên so với các điểm nằm trong khu vực tiếp xúc

Đối với ĐCTT loại ĐB- KTVC sẽ chịu ảnh hưởng mạnh của hiệu ứng đầu cuối bởi nó không chỉ tác động đến phân bố từ thông ở 2 biên mà còn ảnh hưởng dọc theo khe hở giữa 2 phần động và tĩnh Ảnh hưởng đó sẽ càng lớn khi tốc độ của động cơ càng nhanh Sở dĩ có điều này là do hình thành 2 dòng điện xoáy ở 2 biên sinh ra từ trường tác động đến từ trường tổng và phân bố từ thông ở khu

vực ở giữa 2 biên này sẽ chịu tác động của từ thông gây ra bởi dòng điện xoáy khi đã suy giảm

ĐCTT loại KĐB lồng sóc:

Hình 2 6 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại ĐBKTVC

Khác với ĐCTT loại ĐB-KTVC, ở đây không có sự hình thành dòng điện xoáy ở biên trong ĐCTT loại ĐB - KTVC nên tác động đến phân bố từ thông dọc theo khe hở sẽ giảm đi do ảnh hưởng đó chỉ tồn tại ở khu vực 2 biên Điều này có thể thấy rõ thông qua mạch từ tương đương với sự lưu ý lúc này mạch từ

đó không giống như mạch từ tương đương ở động cơ quay do loại bỏ đường nét đứt vì đặc điểm của phân bố từ trường ở 2 biên và không có mối liên hệ giữa 2

hệ thống từ trường này Cũng cần lưu ý mạch từ này đã được đơn giản hóa do bỏ qua thành phần từ thông chạy trong sắt từ và coi rằng toàn bộ từ thông được tập trung ở khu vực khe hở Thế thì lúc này trên sơ đồ mạch từ thay thế tương đương tồn tại các thành phần sau:

Hình 2 7 a Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b Mạch từ tương đương mô tả ảnh hưởng của

hiệu ứng đầu cuối

Sức từ động Ntia,b,c (A.vòng) do dòng điện chảy trong các pha phần sơ cấp

và F pa b c, , do cực từ nam châm vĩnh cửu sinh ra

m

R  (A.vòng/Wb) là từ trở khe hở giữa các răng

mg

R là từ trở khe hở giữa răng và phần thứ cấp (cực từ)

Tóm lại ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối trong cả 2 trường hợp trên đều gây ra sự biến đổi của từ thông hình thành trong khu vực khe hở giữa hai phần động và tĩnh, kéo theo sự thay đổi lực đẩy được tạo ra bởi sự tương tác giữa dòng điện chảy trong phần động và từ thông nói trên Như vậy so với mô hình khi chưa xét đến hiệu ứng đầu cuối như trình bày ở trên, sẽ có sự biến đổi của hệ thống phương trình khi làm việc với ĐCTT loại ĐB - KTVC do ảnh hưởng bởi hiệu ứng đầu cuối với việc bổ sung thêmsd,sq như sau: