Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)

Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (tt)

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ POLYSOLENOID

Mã số:ĐH2015-TN02-05

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hồng Quang

Thái Nguyên, 2017

ii NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ThS Nguyễn Hồng Quang – Khoa Điện – Trường ĐHKT Công nghiệp

PGS.TS Nguyễn Như Hiển - Khoa Điện – Trường ĐHKT Công nghiệp

ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU viii

MỞ ĐẦU 1

1.Tính khoa học và cấp thiết của đề tài 1

2.Mục tiêu của đề tài 2

3.Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 4

1.1 Những đặc điểm của một hệ truyền động thẳng .Error! Bookmark not defined 1.1.1Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính gián tiếp:Error! Bookmark not defined 1.1.2 Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính trực tiếp:Error! Bookmark not defined 1.1.3 Những nhược điểm còn tồn tại trong hệ thống sử dụng động cơ tuyến tính: Error! Bookmark not defined 1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined 1.2.1 Vài nét về lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined 1.2.2 Những ứng dụng của động cơ tuyến tính đã được áp dụng trong thực tiễn Error! Bookmark not defined 1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined 1.3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined 1.3.2 Các dạng cấu tạo của động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined 1.3.3 Phân loại động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 2 : ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÍCH THÍCH VĨNH CỬU DẠNG LYSOLENOID ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG DẠNG POLYSOLENOID 8

2.1 Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid 8

2.2 Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid 8

iv

2.3 Khái quát về tình hình nghiên cứu về điều khiển truyền động tuyến tính

dạng Polysolenoid ở trong nước và trên thế giới .8

2.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước: Error! Bookmark not defined 2.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Error! Bookmark not defined 2.3.3 Kết luận: 8

CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA ĐCTTĐB KTVC POLYSOLENOIDE 9

3.1 Biểu diễn các vector không gian của động cơ hai pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu 9

3.2 Mô hình toán học động cơ 2 pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu 9

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH POLYSOLENOID VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 11

4.1 Nguyên lý tựa phẳng và việc vận dụng cho động cơ Polysolenoid 11

4.1.1 Cấu trúc điều khiển Error! Bookmark not defined 4.1.2 Mô phỏng kiểm chứng Error! Bookmark not defined 4.1.3 Nhận xét: Error! Bookmark not defined 4.2 Phương pháp TTHCX và vấn đề áp dụng cho động cơ tuyến tính ĐB – KTVC 11

4.2.1 Cấu trúc điều khiển Error! Bookmark not defined 4.2.2 Mô phỏng kiểm chứng Error! Bookmark not defined 4.2.3 Nhận xét: Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KTVC POLYSOLENOID 12

5.1 Đề xuất cấu trúc bàn thí nghiệm 12

5.2 Điều chế vetor không gian cho động cơ 2 pha 12

5.3 Giới thiệu về card DSPACE1104 13 5.3.1 Tổng quan về Card DS1104 Error! Bookmark not defined.

5.3.2 Thông tin cơ bản về Card DS1104 Error! Bookmark not defined.

5.3.3 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC Error! Bookmark not defined 5.3.4 Giới thiệu các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế Error!

Bookmark not defined.

5.3.5 Cài đặt Card DS1104 Error! Bookmark not defined 5.3.5.1 Cài đặt môi trường làm việc của Card DS1104 trên matlab Error!

Bookmark not defined.

v

5.3.5.2 Cài đặt các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế Error!

Bookmark not defined.

5.3.6 Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa matlab-simulink và control desk

Error! Bookmark not defined.

5.4 Thiết kế khối driver cho van IGBT 13

5.5 Thiết kế mạch đo 13

5.6 Thiết kế mạch Deadtime 13

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 15

DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU Hình 1.1 Tạo chuyển động thẳng sử dụng đai truyền Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Tạo chuyển động thẳng sử dụng động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Tạo chuyển động thẳng sử dụng trục vít Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Các ứng dụng của động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Các ứng dụng trong một dây chuyền sử dụng động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined Hình 1.6: Hình ảnh tầu Transrapid trên đoạn đường chạy thử nghiệm Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Single-slided linear motor Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Double-slided linear motor Error! Bookmark not defined Hình 1.10 Polysonenoid linear motor Error! Bookmark not defined Hình 1.11: Các biến dạng của động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined Hình 1.12 Động cơ tuyến tính dạng Stator dài dạng phẳng và dạng ống Error! Bookmark not defined Hình 1 13 Động cơ tuyến tính dạng Stator ngắn dạng phẳng và dạng ống Error! Bookmark not defined Hình 1.14 Phân loại động cơ tuyên tính theo nguyên lý làm việc và kết cấu hình học Error! Bookmark not defined Hình 1.15: So sánh mật độ lực của ĐCTT làm việc theo nguyên lý KĐB và ĐB Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Rotor của động cơ Polysolenoid 8

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bên trong ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid 8

Hình 3.1 Vector dòng Stator Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Hệ tọa độ quay dq trên động cơ tuyến tính Error! Bookmark not defined

vi

Hình 3.3 Vector dòng stator trên hệ trục αβ và hệ trục dq Error! Bookmark not defined

Hình 3.4 Góc lệch giữa 2 trục d và  Error! Bookmark not defined

Hình 3.5 Mô hình trạng thái ĐCTT ĐBKTVC trên hệ tọa độ dq Error! Bookmark not defined

Hình 4.1 Cấu trúc ĐK động cơ tuyến tính polysolenoid sử dụng phương pháp phẳng 11

Hình 4.7 Kết quả mô phỏng với quỹ đạo đặt x(t)=0.1t.Error! Bookmark not defined Hình 4.8 Kết quả mô phỏng với x(t)=0.5sin(2t) Error! Bookmark not defined

Hình 4.9 Cấu trúc của đối tượng phi tuyến sau khi đã TTHCX(chuyển tọa độ trạng

thái) Error! Bookmark not defined

Hình 5.1 Cấu trúc bàn thí nghiệm sử dụng động cơ Polysolenoid 12

Hình 5.2 Nghịch lưu 4 nhánh van cho động cơ 2 pha Error! Bookmark not defined

Hình 5.3 Nghịch lưu đơn có thể chế tạo được 4 trạng thái logic, ứng với 4 vector điện áp chuẩn : u1 (logic 10: hình a), u2 (logic 01: hình b), u0,u3 (logic 00,11) là 2 vector

có module bằng 0 (hình c,d) Error! Bookmark not defined Hình 5.4 Sơ đồ bố trí các vector chuẩn trên không gian vector Error! Bookmark not defined

Hình 5.5 Mẫu xung điều khiển van thuộc các góc phần tư Q1-Q4 Error! Bookmark not defined

Hình 5.6 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC Error! Bookmark not defined Hình 5.7: Cài đặt môi trường làm việc cho Card DS1104 Error! Bookmark not defined

Hình 5.8 : Hình ảnh về khối DS1104MUX_ADC Error! Bookmark not defined Hình 5.9: Hình ảnh về khối DS1104SL_DSP_PWM3 Error! Bookmark not defined Hình 5.10 : Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa matlab-simulink và control desk Error! Bookmark not defined

Hình 5.11 Giao diện kết nối Error! Bookmark not defined Hình 5.12 Cổng kết nối BNC Error! Bookmark not defined Hình 5.13 Cổng kết nối Icremental Encoder Error! Bookmark not defined Hình 5.14 Cổng vào ra số và PWM Error! Bookmark not defined Hình 5.15 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Error! Bookmark not defined Hình 5.16 Sơ đồ khối chức năng của IR21531 Error! Bookmark not defined Hình 5.17 Mạch ứng dụng HCPL 3120 Error! Bookmark not defined Hình 5.18 Cấu tạo của INA129/128 Error! Bookmark not defined Hình 5.19 Mạch deadtime Error! Bookmark not defined

Hình 5.20 Cấu trúc tổng thể bàn thí nghiệm 14 Hình 5.21 Mạch Driver của bàn thí nghiệm 14

Bảng 1.1 So sánh các hệ chuyển động theo [20] (+: tốt; -: xấu) Error! Bookmark not defined

Bảng 1.2 Mật độ lực của ĐCTT làm việc theo các nguyên lý khác nhau Error! Bookmark not defined

vii

Bảng 5.1 Giá trị logic của các vector chuẩn Error! Bookmark not defined Bảng 5.2 Các vector chuẩn cho từng sector Error! Bookmark not defined Bảng 5.3 Thông số cơ bản của IC Error! Bookmark not defined Bảng 5.4 Thông số của IRG4BC20KD Error! Bookmark not defined

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Lsd, Lsq H điện cảm stator dọc trục và ngang trục

us, is V, A vector điện áp stator, dòng điện stator

ifs ,is A vector is : Trên hệ tọa độ dq, αβ

Ψs, Ψp Wb từ thông stator và rotor

x, x0 mm vị trí và vị trí ban đầu động cơ tuyến tính

ix

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

- Tên đề tài: Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid

- Mã số: ĐH2015-TN02-05

- Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hồng Quang

- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

- Thời gian thực hiện: từ tháng 01/năm 2015 đến tháng 12/năm 2016

Mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính Đề xuất cấu trúc và xây dựng bàn thí nghiệm sử dụng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết với động cơ Polysolenoid

3 Tính mới và sáng tạo

- Với nguồn tham khảo là các bài báo và luận văn được lưu trữ tại thư viện quốc gia Việt Nam thì chưa có công trình nào trong nước nghiên cứu về điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid được thực hiện

- Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về các phương pháp điều khiển cho động cơ tuyến tính dạng Polysolenoid Xây dựng được mô toán học và đề xuất các phương pháp điều khiển phi tuyến cho động cơ Polysolenoid Các kết quả được cụ thể trong các công bố bài báo trên tạp chí quốc tế Đề xuất cấu trúc và xây dựng thành công bàn thí nghiệm

sử dụng động cơ tuyến tính Polysolenoid

4 Kết quả nghiên cứu

- Đã xây dựng được mô tả toán học cho động cơ Polysolenoid

- Nghiên cứu và phát triển thuật toán điều khiển cho hệ phi tuyến nhiều vào nhiều

ra có ảnh hưởng xen kênh lớn

- Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ Polysolenoid

- Mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính

x

- Xây dựng bàn thí nghiệm thiết bị thực

- Tiến hành thí nghiệm trên thiết bị thực để chứng minh tính đúng đắn của thuật toán điều khiển

5 Sản phẩm

5.1 Sản phẩm khoa học

(1) Quang NH, Nam DP, Ty NT, Hung NM, Hien NN, Tan VD (2016), “Flatness

Based Control Structure for Polysolenoid Permanent Stimulation Linear

Motors”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering

(SSRG-IJEEE), Volume 03 Issue 12, pp 57-63

(2) Quang NH, Nam DP, Hung NM, Hien NN, Ty NT, Chi NP (2017), “Design an

Exact Linearization Controller for Permanent Stimulation Synchronous Linear

Motor Polysolenoid”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics

Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 04 Issue 1, pp 7-12

5.2 Sản phẩm đào tạo

Sản phẩm đào tạo gồm 2 luận văn thạc sĩ và 2 đồ án tốt nghiệp sinh viên Cụ thể như sau:

(1) Phan Trọng Đạt (2015), Thiết kế bộ điều khiển cho hệ truyền động tuyến tính sử

dụng động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, Đề tài luận văn

thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

(2) Nguyễn Ngọc Liêm (2016), Thiết kế điều khiển tách kênh cho truyền động

tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, Đề tài luận văn thạc sĩ ngành

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

(3) Trần Phúc Huy (2016), Mô hình hóa mô phỏng động cơ Polysolenoid, Đồ án tốt

nghiệp ngành Tự Động Hóa

(4) Triệu Đình Thắng (2016), Xây dựng nguyên lý bàn thí nghiệm động cơ

Polysolenoid, Đồ án tốt nghiệp ngành Tự Động Hóa

5.3 Sản phẩm ứng dụng

- Chương trình mô phỏng hệ thống

- Thuật toán điều khiển

- Bàn thí nghiệm sử dụng động cơ tuyến tính dạng Polysolenoid

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu

- Kết quả của đề tài là hệ thống thiết bị thí nghiệm thực dùng làm bàn thí nghiệm cho môn học điện tử công suất, truyền động điện tại trường đại học kỹ thuật công nghiệp

PGS.TS Vũ Ngọc Pi

Chủ nhiệm đề tài

Nguyễn Hồng Quang

- Project director: M.Sc Nguyen Hong Quang

- Organization: TNU- Thai Nguyen University of Technology

- Duration: from January 2015 to December 2016

2 Objectives

- Modeling linear motors Proposing a coordinate transformation method using mathematical description in order to utilize a direct channel separation (decoupling) in control structure

- Introducing a nonlinear control method for the structure of direct channel separation Applying these methods to linear motors aims at improving the quality of the kinetics and the dynamics

- Undertaking simulations and verifications on computers

- Designing system and experimental test bench to validate results obtained from theoretical research with Polysolenoid motors

3 Creativeness and innovativeness

- With bibliography of research work in Vietnam National Library, the study on linear motion controllers using Poloysolenoid motors has not been mentioned yet

- An overview of studies on control measures for linear motors with Polysolenoid type is written in this project Mathematical models and non-linear control methods for Polysolenoid motor is proposed The results are collected and published in international journals Design and implementation of an experimental table useing linear Polysolenoid motor is done

4 Research results

- Constructing mathematical model of Polysolenoid motors

- Studying and developing a control algorithm of nonlinear MIMO system with huge coupling effects

xiii

- Designing controllers for Polysolenoid motors

- Simulating and checking results on the computer

- Building a real experimental test bench

- Undertaking experiments on the real system to verify workability of the

control algorithm

5 Products

5.1 Scientific product

(1) Quang NH, Nam DP, Ty NT, Hung NM, Hien NN, Tan VD (2016), “Flatness

Based Control Structure for Polysolenoid Permanent Stimulation Linear

Motors”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering

(SSRG-IJEEE), Volume 03 Issue 12, pp 57-63

(2) Quang NH, Nam DP, Hung NM, Hien NN, Ty NT, Chi NP (2017), “Design an

Exact Linearization Controller for Permanent Stimulation Synchronous Linear Motor Polysolenoid”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics

Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 04 Issue 1, pp 7-12

5.2 Academic product

Academic products include two master theses and two final projects of students,

as follows:

(1) Phan Trong Đat (2015), Design of controller for linear drive system using

Polysolenoid linear motor, Thesis topic in Automation and control engineering

(2) Nguyen Ngoc Liem (2016), Decoupling control design for the drive system

using Polysolenoid linear motor, Thesis topic in Automation and control

engineering

(3) Tran Phuc Huy (2016), Modelling and simulation of Polysolenoid linear motor,

Final project in Automation and control engineering

(4) Trieu Đinh Thang (2016), Building of Polysolenoid linear motor experimental

system, Final project in Automation and control engineering

xiv

6 Transfer alternatives, applications, impacts and benefits of research results

- The result of this project is an experimental system used for some courses such as power electronics and electric drive systems

- The project contents are useful postgraduates, undergraduates majoring in control engineering and automation, electrical and electronics engineering

- The development orientation of the project is to have at least 04 master thesis topics

- A combination between the installed experimental system and other nonlinear control methods would lead to other future international publications