Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng polysolenoid

Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nội dung của luận án sẽ tập trung nghiên cứu đối tượng động cơ Polysolenoid theo hướng thiết kế bộ điều khiển có khả

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Để tạo ra một chuyển động thẳng khi sử dụng động cơ quay tròn truyền thống sẽ phải qua các cơ cấu trung gian, điều đó dẫn đến hiệu suất, độ chính xác của hệ thống sẽ bị suy giảm Không chỉ dừng lại ở đó kết cấu cơ khí trung gian này sẽ làm tăng kích thước của hệ thống đồng thời làm khả năng động học của hệ thống cũng trở nên xấu đi so sai số tích lũy của các phần tử có trong toàn

hệ thống Trong công nghiệp hiện nay chuyển động thẳng được sử dụng ngày càng rộng khắp có thể

kể ra ở đây:Robot, máy nâng hạ, máy công cụ kỹ thuật số (CNC)… Để tăng hiệu quả sử dụng trong một không gian hạn định cho trước thì không gian để lắp đặt các thiết bị cần được tận dụng một cách triệt để (giảm kích thước của các thiết bị lắp đặt) nhưng đồng thời vẫn phải đảm bảo được sự linh hoạt, yêu cầu cao về độ chính xác vị trí, tốc độ và động học Động cơ tuyến tính có thể đáp ứng được những yêu cầu đặt ra cho yêu cầu trên, đây là đối tượng có thể tạo ra chuyển động thẳng trực tiếp không cần qua các phần tử trung gian như trong phương pháp tạo ra chuyển động thẳng gián tiếp Động cơ Polysolenoid là loại động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu với kết cấu hình ống, có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu nói trên đặc biệt quan trọng với các ứng dụng robot song song (parallel robot) như hexapod Do đó, động cơ Polysolenoid được lựa chọn là đối tượng nghiên cứu của luận án này

2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nội dung của luận án sẽ tập trung nghiên cứu đối tượng động cơ

Polysolenoid theo hướng thiết kế bộ điều khiển có khả năng xử lý được hiệu ứng đầu cuối của động cơ KTVC Polysolenoid trong cấu trúc điều khiển Bao gồm các nội dung sau:

Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về phương pháp mô hình hóa cho động cơ tuyến tính

kích thích vĩnh cửu nói chung từ đó đi vào trường hợp riêng là động cơ tuyến tính dạng Polysolenoid Tác giả đã tiến hành xây dựng mô hình hóa động cơ Polysolenoid trong trường hợp đầu tiên khi không xét đến hiệu ứng đầu cuối Thực hiện phương án chuyển hệ tọa độ mô tả toán học của mô hình để sử dụng được cấu trúc tách kênh trực tiếp trong cấu trúc điều khiển

Nội dung 2: Tìm hiểu về hiệu ứng đầu cuối trong động cơ tuyến tính nói chung (thể hiện

qua các đặc điểm cấu tạo của động cơ tuyến tính, bản chất vật lý,…) Từ đó đề xuất phương pháp

mô hình hóa động cơ Polysolenoid khi xét đến hiệu ứng đầu cuối Tiến hành xây dựng mô tả toán học, sơ đồ cấu trúc cho đối tượng điều khiển khi xét đến hiệu ứng đầu cuối dùng trong điều khiển

Nội dung 3: Từ mô hình toán học thu được tác giả tiến hành thiết kế điều khiển cho động cơ

Polysolenoid Việc thiết kế điều khiển cho động cơ Polysolenoid được chia làm hai nhóm phương pháp: Nhóm thứ nhất gồm các phương pháp (Min-max CCS, Min-max FCS, Min-max Deadbeat) được áp dụng với mô hình khi chưa xét đến hiệu ứng đầu cuối, nhóm thứ hai (điều khiển thích nghi backstepping) có khả năng đối phó được với hiệu ứng đầu cuối của động cơ Polysolenoid

Nội dung 4: Đề xuất cấu trúc và xây dựng bàn thí nghiệm sử dụng để kiểm chứng kết quả

nghiên cứu lý thuyết

Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án tập trung nghiên cứu đặc điểm và những khó

khăn khi xét đến hiệu ứng đầu cuối của động cơ Polysolenoid Từ đó thực hiện xây dựng cấu trúc điều khiển cho chuyển động tuyến tính dạng Polysolenoid Với đặc điểm của đối tượng điều khiển

phức tạp này cho thấy, sẽ có nhiều thách thức trong mô hình hóa, trong phân tích và lựa chọn phương pháp thiết kế điều khiển phù hợp cho đối tượng để đạt được độ chính xác cao

Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp phân tích, đánh giá và tổng hợp

Thông qua nghiên cứu tổng quan để tìm ra vấn đề cần giải quyết về lý thuyết và thiết kế thuật toán giải quyết vấn đề đó, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm

3 Mục tiêu của luận án

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu và thiết kế điều khiển cho các hệ thống truyền động điện

sử dụng động cơ Polysenoid khi xét đến hiệu ứng đầu cuối Mục tiêu nghiên cứu trong luận án này được cụ thể như sau:

- Mô hình động học phi tuyến của động cơ Polysenoid khi xét đến hiệu ứng đầu cuối: Mô hình chính xác là điều kiện tiên quyết để thành công với bất kì một kỹ thuật điều khiển nào mà dựa vào mô hình, do đó cần xây dựng mô hình đối tượng phù hợp với thiết kế điều khiển

- Áp dụng thành công phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi backstepping cho hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ Polysolenoid Kiểm chứng chất lượng điều khiển của thuật toán bằng lý thuyết và thực nghiệm

4 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu và thiết kế điều khiển cho các hệ thống truyền động điện

sử dụng động cơ Polysolenoid khi xét đến hiệu ứng đầu cuối Mục tiêu nghiên cứu trong luận án này được cụ thể như sau:

Những đóng góp mới:

• Mô hình động học phi tuyến của động cơ Polysolenoid khi xét đến hiệu ứng đầu cuối: Luận

án đã xây dựng được mô hình của động cơ KTVC dạng Polysolenoid có xét đến hiệu ứng đầu cuối

và đưa ra được sơ đồ cấu trúc của động cơ này trong đó chỉ ra được những thành phần nào bị ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối trong đó

• Áp dụng thành công phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi backstepping cho hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ Polysolenoid để xử lý ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối Kiểm chứng chất lượng điều khiển của thuật toán bằng lý thuyết và thực nghiệm

• Thiết kế được cấu trúc điều khiển hai mạch vòng trong đó mạch vòng trong điều khiển lực (mạch vòng dòng điện) sử dụng các phương pháp điều khiển Dead-beat, CCS-MPC, FCS-MPC; Mạch vòng ngoài điều khiển tốc độ và vị trí sử dụng bộ điều khiển Min-max MPC

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Giải quyết được vấn đề chuyển các kết quả nghiên cứu lý thuyết vào thực tiễn thông qua hệ thống phần cứng được xây dựng của luận án Phát triển các giải pháp cài đặt linh hoạt thuật toán điều khiển để góp phần làm tăng hiệu quả khai thác thiết bị phần cứng

Kết quả nghiên cứu này có thể áp dụng cho một lớp các đối tượng tạo ra chuyển động tuyến tính trực tiếp mà không phải sử dụng các bộ truyền cơ khí trung gian đặc biệt là trong hệ thống robot song song như hexapod robot

5 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 04 chương, phần kết luận và kiến nghị, được bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan về động cơ tuyến tính và các phương pháp điều khiển

Chương 2 Mô hình hóa động cơ tuyến tính

Chương 3 Điều khiển động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid

Chương 4 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Phần kết luận và Kiến nghị: Đã nêu bật những đóng góp mới của luận án và những kiến

nghị, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH

VÀ CÁCPHƯƠNGPHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái quát về động cơ tuyến tính

1.1.1 Những đặc điểm của một hệ truyền động thẳng

1.1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của động cơ tuyến tính

Hình 1.4 Các ứng dụng của động cơ tuyến tính

1.1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính

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 1.7 Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính

1.1.4 Hiệu ứng đầu cuối (End effect)

Hiệu ứng đầu cuối là một điểm đặc trưng của động cơ tuyến tính khác so với các loại động cơ khác Do kết cấu mạch từ hở của động cơ tuyến tính dẫn đên phân bố từ thông ở khe hở không khí của loại động cơ này phân bố không đều nhau tại khu vực giữa và hai đầu mút Điều này gây ra sự mấp mô về mô men và tốc độ trong quá trình vận hành của động cơ

Hình 1.17 Hiệu ứng đầu cuối trong động cơ tuyến tính PLSM kết cấu hình phẳng [10]

1.2 Truyền động tuyến tính và các phương pháp điều khiển truyền động tuyến tính

1.2.1 Yêu cầu đặt ra với bài toán điều khiển truyền động tuyến tính

1.2.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu về động cơ tuyến tính

Tình hình nghiên cứu động cơ tuyến tính trong nước

- Về các công trình công bố trên các tạp chí khoa học trong nước có một số bài báo viết về vấn đề này nhưng mới chỉ dừng trên mức độ tổng quan về phương pháp điều khiển trên lý thuyết và

mô phỏng trên Mathlab Simulink

- Các công trình luận án được nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị thực [2,6] được công bố dưới dạng luận án tiến sĩ kỹ thuật

Tình hình nghiên cứu động cơ tuyến trên thế giới

Trong giai đoạn vừa qua, đối tượng trong nhóm động cơ tuyến tính đồng bộ được tập trung nghiên cứu nhiều nhất là nhóm động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng với Stator ngắn tương ứng với mô hình của động cơ điện xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửu

Các nhóm vấn đề được quan tâm nghiên cứu:

Nhóm vấn đề thứ nhất:Áp dụng các phương pháp điều khiển đã được ứng dụng thành công

cho nhóm động cơ quay cho động cơ tuyến tính

Nhóm vấn đề thứ 2: Phương pháp xác đỉnh cực của trục tạo từ thông rotor

Nhóm vấn đề thứ 3: Mô hình hóa động cơ

Nhóm vấn đề thứ 4: Nâng cao chất lượng điều khiển

Nhóm vấn đề thứ 5: Trong [31] đề xuất đến một phương pháp không cần nhận dạng hiệu ứng

đầu cuối sử dụng bộ điều khiển bền vững thích nghi bù bất định hiệu ứng đâu cuối, tuy nhiên trong

mô hình vẫn tồn tại cảm biến đo vị trí

1.3 Truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid và các phương pháp điều khiển

1.3.1 Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid

Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid thuộc nhóm động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo hình ống, động cơ có hai pha với hai cuộn dây bố trí lệch nhau 90 độ điện

Hình 1.21 Sơ đồ cấu tạo bên trong ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid [60]

1.3.2 Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid

Tình hình nghiên cứu trong nước:

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

Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Các nghiên cứu trên thế giới với đối tượng động cơ tuyến tính hình ống dạng stator ngắn tập trung vào một số nhóm vấn đề như sau:

 Nhóm vấn đề thứ nhất: Mô hình hóa thiết kế động cơ

 Nhóm vấn đề thứ hai: Thiết kế cấu trúc điều khiển

 Nhóm vấn đề thứ ba: Mô tả hiệu ứng đầu cuối của động cơ tuyến tính hình ống ba pha

sử dụng phương pháp thực nghiệm

Trong các công trình đã được công bố tập trung vào hai hướng chính

 Hướng thứ nhất: Tập trung vào việc nghiên cứu hiệu ứng đầu với hai hướng tiếp cận

là mô tả dưới dạng mạch từ tương đương và sử dụng FEM Trong hai phương pháp trên phương pháp sử dụng FEM mô tả hiệu ứng đầu cuối mang tính trực quan hơn Tuy nhiên khi sử dụng FEM phải có được các thông số chính xác của động cơ

 Hướng thứ hai: Nghiên cứu cấu trúc điều khiển bù bất định hiệu ứng đầu cuối tuy

nhiên trong hệ thống tồn tại cảm biến đo vị trí

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:

Từ những phân tích được thực hiện ở trên ta thấy rằng: 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 là hiệu ứng đầu cuối (end effect) điều này cần tiếp tục nghiên cứu một cách cụ thể hơn trong các phần sau của luận án Việc thu nhận được những hiểu biết về động cơ tuyến tính giúp ta thực hiện những mục tiêu sau:

 Tạo cơ sở cho quá trình mô tả toán học cho động cơ tuyến tính

 Hiểu về đặc tính đầu cuối trong động cơ tuyến tính từ đó tìm ra các phương pháp xử

lý hiện tượng này nhằm trong cấu trúc điều khiển

Nội dung của phần 1.3 tập trung làm rõ về tình hình nghiên cứu động cơ tuyến tính Polysolenoid, các vấn đề liên quan đến mô hình và các phương pháp điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid Điều đó tạo thuận lợi cho việc lựa chọn đề xuất các phương pháp nghiên cứu tiếp theo cho bài toán điều khiển truyền động tuyến tính KTVC dạng Polysolenoid

CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 2.1 Mô hình toán học của động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Hình 2.1 Mối tương quan giữa các vector trong ĐCTT

Mô hình trạng thái động cơ tuyến tính ĐB - KTVC trên hệ toạ độ dq(hình 2.3) như sau:

với s f sd

sq

i i

10

sd f

sd f

sq

L L

L L L L

u

p

f

B S

N

f

A

f s d dt

i

Phần phi tuyến

Hình 2.3 Mô hình động cơ tuyến tính ĐB - KTVC trong không gian trạng thái trên hệ toạ

độ dq

2.2 Hiệu ứng đầu cuối của động cơ tuyến tính KTVC

2.2.1 Giới thiệu về hiệu ứng đầu cuối của động cơ tuyến tính KTVC

Động cơ tuyến tính loại đồng bộ kích thích vĩnh cửu (LPMSM) đang dần trở thành sản phẩm tự động hóa phổ biến do nó cho phép loại bỏ các thiết bị truyền động cơ khí như trục vít vô tận, đai truyền,… Tuy nhiên ở động cơ tuyến tính xuất hiện ảnh hưởng bởi hiệu ứng đầu cuối do kết cấu mạch từ hở

Hình 2.4 Hiệu ứng đầu cuối trong động cơ LPMSM kết cấu phẳng

Hiệu ứng đầu cuối được hiểu là sự phân biệt giữa các khu vực đầu và cuối với các điểm nằm giữa về phân bố 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 đó thể hiện ở đặc điểm: Với động cơ đồng bộ kích

thích vĩnh cửu thì là sự phân bố từ trường tại hai đầu của phần kích thích bị suy giảm minh họa trong hình 2.4 Diễn biến này khác nhau phụ thuộc vào tốc độ của động cơ (độ lớn của dòng phía bên kích thích) Sự xuất hiện hay kết thúc đột ngột của dòng 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 cần phải lưu tâm trong động cơ tuyến tính

2.2.2 Hiệu ứng đầu cuối trong động cơ tuyến tính đồng bộ hình ống

Hình 2.6 Phân bố từ thông thu được khi duy nhất pha C (hình a) hoặc chỉ pha A (hình b) được cấp điện [18]

3 2 cos 2

0 1 1 0 1 1

1 0 1 1 0 1

1 1 0 1 1 0 cos(2 ) 0

trong động cơ tuyến tính hình ống Chuyển phương trình từ thông sang tọa độ dq bằng phép biến

đổi (2.18) như sau

Ở đây ta thấy rằng (2.28) chính là mô hình từ thông chịu ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối

trong động cơ tuyến tính KTVC 3 pha hình ốngtrên tọa độ dq Trong đó thanh phần

0

M

 được ước lượng từ thực nghiệm dựa trên các phương trình (2.23) và (2.24)

2.3 Mô tả toán học động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid

2.3.1 Mô hình mạch từ tương đương

Hình 2.11 Mặt cắt động cơ tuyến tính Polysolenoid

Trong trường hợp chung ta có công thức tính từ trở: c

m c

l H R

Hình 2.12 Đường cong B-H của vật liệu NdFeB N38UH [61]

Dựa vào đặc tính B-H ta có:

Từ trở của rãnh cuốn dây:

.2 '

s mt

Từ (2.31),(2.32),(2.34),(2.37),(2.38) ta xây dựng được sơ đồ mạch từ tương đương hình 2.13

Hình 2.13 Mạch từ tương đương của động cơ tuyến tính 4 cặp cực khi có xét đến hiệu ứng đầu cuối

2.3.2 Hệ phương trình vi phân đề xuất

Dựa trên những tính toán về mạch từ tương đương trong hình 2.13

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Ta đưa Error! Reference source not found về dạng phương trình vi phân bậc 1 với biến là các

vector dòng điện và điện áp trên tọa độ d-q:

  1 

d dt

dq d

L L

d dt d

d q

L u

CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH DẠNG POLYSOLENOID 3.1 Khái quát về cấu trúc điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển FOC áp dụng cho động cơ tuyến tính 2 pha, 2 cuộn dây cấp

nguồn độc lập

3.2 Các phương pháp điều khiển lực (điều khiển dòng điện)

3.2.1 Điều khiển theo phương pháp deadbeat mới

Trong mục này tác giả trình bày về cách thiết kế bộ điều khiển dòng stator theo hướng hoàn toàn mới nhằm đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng như: tách kênh, giá trị dòng điện stator đạt được giá trị chủ đạo trong khoảng thời gian hữu hạn (FAT) đã được thiết kế thành công theo [1]

Hình 3.2 Sơ đồ khối vòng điều khiển deadbeat dòng điện stator trên tọa độ tựa theo từ thông rotor

3.2.2 Điều khiển dự báo MPC

Khác với điều khiển tối ưu truyền thống nơi mà nghiệm tối ưu được thành lập dựa vào giải các bải toán tối ưu cho trước Do đó rất khó phản ứng với những thay đổi phi tiền định của hệ thống

ví dụ như nhiễu, sai lệch mô hình… Tín hiệu điều khiển tối ưu theo MPC là một dãy tín hiệu điều

khiển, mỗi phần tử trong dãy đó đại diện cho tín hiệu điều khiển tại thời điểm thứ k nhất định Bài

toán tối ưu được lặp lại tại sau mỗi chu kì với những thông tin mới nhất về hệ thống Hình 3.1 dưới đây mô ta cấu hình cơ bản của hệ thống điều khiển dự báo mô hình

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển MPC Thêm vào đó căn cứ vào tính chất của cơ cấu chấp hành hay cụ thể hơn trong luận án này là

bộ biến đổi và phương thức điều khiển chúng, trong mục này ta đề xuất 2 phương án điều khiển dự báo được phân biệt dựa vào tính chất liên tục và gián đoạn (hữu hạn) các phần tử trong tập điều khiển