Tài liệu điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ polysolenoid có xét đến hiệu ứng đầu cuối

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỒNG QUANG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ POLYSOLENOID CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG ĐẦU CUỐI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang PGS.TS. Nguyễn Như Hiển THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Hồng Quang, đang công tác tại Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 12 tháng 6 năm 2019 Tác giả luận án Nguyễn Hồng Quang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các bạn và các tổ chức. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên và Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang và PGS.TS. Nguyễn Như Hiển, những người thầy kính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi. Tập thể các nhà khoa học của Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa của trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnh bản luận án này. Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, các em và người vợ yêu quý cùng con gái đã luôn luôn bên tôi, hết lòng thương yêu, quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tình cảm, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực để hoàn thành quyển luận án này. Thái Nguyên, ngày 12 tháng 6 năm 2019 Tác giả luận án Nguyễn Hồng Quang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iii MỤC LỤC ................................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................................v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................ vi DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ..................................................................................1 2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ........................................................1 3. Mục tiêu của luận án ....................................................................................................2 4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..............................3 5. Bố cục của luận án .......................................................................................................3 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH VÀ CÁCPHƯƠNGPHÁP ĐIỀU KHIỂN ..............................................................................5 1.1 Khái quát về động cơ tuyến tính ...............................................................................5 1.1.1 Những đặc điểm của một hệ truyền động thẳng. ...........................................5 1.1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của động cơ tuyến tính .................................8 1.1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính .............10 1.1.4 Hiệu ứng đầu cuối (End effect) ....................................................................15 1.2 Truyền động tuyến tính và các phương pháp điều khiển truyền động tuyến tính ..19 1.2.1 Yêu cầu đặt ra với bài toán điều khiển truyền động tuyến tính ...................19 1.2.2 Khái quát về tình hình nghiên cứu về động cơ tuyến tính ...........................19 1.3 Truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid và các phương pháp điều khiển. ........22 1.3.1 Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid ........................22 1.3.2 Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid ................................23 CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH ........................................26 2.1 Mô hình toán học của động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu ................26 2.2 Hiệu ứng đầu cuối của động cơ tuyến tính .............................................................33 2.2.1 Giới thiệu về hiệu ứng đầu cuối ...................................................................33 2.2.2 Hiệu ứng đầu cuối trong động cơ tuyến tính đồng bộ .................................34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Mục lục 2.3 Mô tả toán học động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid...........41 2.3.1 Mô hình mạch từ tương đương ....................................................................41 2.3.2 Hệ phương trình vi phân đề xuất..................................................................45 CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH DẠNG POLYSOLENOID ... ...............................................................................................................54 3.1 Khái quát về cấu trúc điều khiển.............................................................................54 3.2 Các phương pháp điều khiển lực (điều khiển dòng điện) .......................................55 3.2.1 Điều khiển theo phương pháp deadbeat mới ...............................................55 3.2.2 Điều khiển dự báo MPC...............................................................................62 3.3 Bộ điều khiển vòng ngoài Min-Max MPC .............................................................72 3.4 Thiết kế thích nghi backstepping ............................................................................77 CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ...................................86 4.1 Kết quả mô phỏng ...................................................................................................88 4.1.1 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài Min-Max MPC, mạch vòng dòng điện FCS-MPC........................................................................................................88 4.1.2 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài Min-Max MPC, mạchvòng điềukhiển dòng điện CCS-MPC ...........................................................................101 4.1.3 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài Min-Max MPC, mạch vòng điều khiển dòng điện Dead-beat ...................................................................................115 4.1.4 Mô phỏng hệ thống bộ điều khiển thích nghi Backstepping .....................131 4.2 Kết quả thực nghiệm hệ thống ..............................................................................146 4.2.1 Kết quả thực nghiệm hệ thống với vòng ngoài Min-Max MPC, vòng dòng điện FCS-MPC......................................................................................................147 4.2.2 Kết quả thực nghiệm hệ thống với vòng ngoài Min-Max MPC, mạch vòng dòng điện CCS-MPC ............................................................................................151 4.2.3 Kết quả thực nghiệm hệ thống với vòng ngoài Min-Max MPC, mạch vòng dòng điện Dead-beat. ............................................................................................156 4.2.4 Kết quả thực nghiệm hệ thống với bộ điều khiển thích nghi backstepping ..... ....................................................................................................................160 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................168 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .....170 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................172 PHỤ LỤC...................... ..............................................................................................177 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Mục lục Phụ lục 1: Giới thiệu về bàn thí nghiệm .....................................................................177 Phụ lục 2: Chương trình lập trình ................................................................................191 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục các bảng biểu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh các hệ chuyển động thẳng sử dụng thiết bị cụ thể (+: Tốt; -: Xấu) (theo [31] ). ......................................................................................................................7 Bảng 1.2 Mật độ lực của ĐCTT làm việc theo các nguyên lý khác nhau. ...................14 Bảng 2.1 Mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2 loại động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính. ........................................................................................27 Bảng 3.1 Các trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi ........................................................64 Bảng 4.1 So sánh chất lượng các bộ điều khiển (+:tốt)..............................................165 Bảng 4.2 Bảng tổng hợp kết quả mô phỏng và thực nghiệm .....................................166 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục các ký hiệu, viết tắt DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Lsd , Lsq H điện cảm dọc trục và ngang trục của stator m Kg khối lượng của bộ phận sơ cấp (stator) us , is V, A vectơ điện áp, dòng stator Rs W điện trở stator v, v e m/s vận tốc cơ, điện Fm , Fc N lực đẩy, lực cản isd , isq A dòng điện trục d , q usd , usq V điện áp trục d , q t mm bước cực p số cặp cực yp Wb từ thông cực từ we Rad/s góc điện xp mm vị trí của động cơ tuyến tính cf Hệ số ma sát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục các ký hiệu, viết tắt Danh mục các chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa ĐCMC Động cơ một chiều ĐCXC Động cơ xoay chiều ĐCKĐB Động cơ không đồng bộ ĐCĐB Động cơ đồng bộ KTVC Kích thích vĩnh cửu ĐB-KTVC Đồng bộ - kích thích vĩnh cửu ĐCTT Động cơ tuyến tính ĐCTTKTVC Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu ĐCTTKĐB Động cơ tuyến tính không đồng bộ TKTT Tách kênh trực tiếp PHTT Phản hồi trạng thái PMLSM Permanet Magnet Linear Synchronous Motor PLM Polysolenoid Linear Motor BLDC Brushless DC motor TLPMSM Tubular Linear Permanent Magnet Synchronous Machines CNC Computerized Numerical Control MPC Model predictive control CCS-MPC Continuous control set Model predictive control FCS-MPC Finite control set Model predictive control RFO Rotor Flux Oriented SFO Stator Flux Oriented DTC Direct Torque Control FOC Field Oriented Control FEM Finite Element Method LIM Linear Induction Motor Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục các ký hiệu, viết tắt LPMSM Linear Permanent Magnet Synchronous Machines PM Permanent Magnet MEC Magnetic Equivalent Circuit SVM Space Vector Modulation MIMO Multi input Multi output Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tạo chuyển động thẳng gián tiếp sử dụng đai truyền.......................................5 Hình 1.2 Tạo chuyển động thẳng gián tiếp sử dụng trục vít ...........................................6 Hình 1.3 Tạo chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng động cơ tuyến tính .........................6 Hình 1.4 Các ứng dụng của động cơ tuyến tính. .............................................................9 Hình 1.5 Các ứng dụng trong một dây chuyền sử dụng động cơ tuyến tính [60] ...........9 Hình 1.6 Hình ảnh tầu Transrapid trên đoạn đường chạy thử nghiệm [7] ....................10 Hình 1.7 Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính. .................11 Hình 1.8 Single-sided linear motor ...............................................................................11 Hình 1.9 Double-sided linear motor ..............................................................................12 Hình 1.10 Polysolenoid linear motor.............................................................................12 Hình 1.11 Các dạng thức của động cơ tuyến tính [7] ....................................................13 Hình 1.12 Động cơ tuyến tính dạng Stator dài dạng phẳng và dạng ống ......................13 Hình 1.13 Động cơ tuyến tính dạng Stator ngắn dạng phẳng và dạng ống ...................14 Hình 1.14 Phân loại động cơ tuyến tính theo nguyên lý làm việc và kết cấu hình học.14 Hình 1.15 So sánh mật độ lực của ĐCTT làm việc theo nguyên lý KĐB và ĐB [1] ...15 Hình 1.16 Hiệu ứng đầu cuối trong động cơ tuyến tính LIM kết cấu hình phẳng [34] 16 Hình 1.17 Hiệu ứng đầu cuối trong động cơ tuyến tính PLSM kết cấu hình phẳng [34] .......................................................................................................................................18 Hình 1.18 Hiệu ứng đầu cuối trong động cơ tuyến tính PLSM kết cấu hình ống [31] .18 Hình 1.19 Cấu tạo của động cơ Polysolenoid [60] ........................................................23 Hình 1.20 Rotor của động cơ Polysolenoid [60] ...........................................................23 Hình 1.21 Sơ đồ cấu tạo bên trong ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid [60] .....................23 Hình 2.1 Mối tương quan giữa các vector trong ĐCTT ................................................28 Hình 2.2 Mô tả sự hình thành của từ thông Stator ψ s ..................................................28 Hình 2.3 Mô hình động cơ tuyến tính ĐB - KTVC trong không gian trạng thái trên hệ toạ độ dq ........................................................................................................................33 Hình 2.4 Hiệu ứng đầu cuối trong động cơ LPMSM kết cấu phẳng .............................34 Hình 2.5 Trục tham chiếu của động cơ và vị trí tương đối giữa hai trục tọa độ [18]....35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ 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] .....................................................................................................36 Hình 2.7 Mô hình phần ứng của động cơ truyền thẳng IPM biểu diễn vị trí tương đối giữa nam châm và phần cuộn dây [18] .........................................................................37 Hình 2.8 Sơ đồ đo điện cảm tại tần số cao [13] ............................................................38 Hình 2.9 Giá trị điện cảm tại tần số 1000Hz của pha A,B,C và khung tham chiếu dq. [13].................................................................................................................................38 Hình 2.10 Cấu tạo động cơ tuyến tính KTVC Polysolenoid [60] ................................42 Hình 2.11 Mặt cắt động cơ tuyến tính Polysolenoid .....................................................42 Hình 2.12 Đường cong B-H của vật liệu NdFeB N38UH [61] .....................................44 Hình 2.13 Mạch từ tương đương của động cơ tuyến tính 4 cặp cực khi có xét đến hiệu ứng đầu cuối ..................................................................................................................45 Hình 2.14 Trục tọa độ α-β và d-qvới động cơ quay và động cơ tuyến tính .................46 Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc của động cơ tuyến tính KTVC dạng Polysolenoid trên hệ tọa độ dq ..............................................................................................................................53 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 ...................................................................................................55 Hình 3.2 Sơ đồ khối vòng điều khiển deadbeat dòng điện stator trên tọa độ tựa theo từ thông rotor .....................................................................................................................60 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển MPC .................................................................62 Hình 3.4 Sơ đồ 2 nghịch lưu 1 một pha điều chế đơn cực cấp nguồn áp cho 2 cuộn dây độc lập của động cơ Polysolenoid .................................................................................64 Hình 3.5 Mặt phẳng điều chế trên trục tọa độ  ,  theo phương pháp CCS-MPC ......65 Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán bộ điều khiển FCS-MPC ...................................................68 Hình 3.7 Mặt phẳng điều chế trên trục tọa độ  ,  theo phương pháp FCS-MPC ......70 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán bộ điều khiển FCS-MPC ...................................................71 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ tuyến tính Polysolenoid theo phương pháp thiết kế thích nghi backstepping ....................................................................................85 Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC không xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối ....................................................................................................88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC có xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối ..........................................................................................................88 Hình 4.3 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ..................................................89 Hình 4.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải có xét đến hiệu ứng đầu cuối .........................................................90 Hình 4.5 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ........................................................92 Hình 4.6 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối...............................................................93 Hình 4.7 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ..................95 Hình 4.8 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối ........................97 Hình 4.9 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ........................98 Hình 4.10 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối ........................99 Hình 4.11 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC không xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối ..................................................................................................102 Hình 4.12 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC có xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối ..................................................................................................102 Hình 4.13 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin : không tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối .........................................103 Hình 4.14 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin : không tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối ..............................................105 Hình 4.15 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin : có tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ...............................................106 Hình 4.16 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin : có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối ......................................................108 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ Hình 4.17 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối .........110 Hình 4.18 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối .........111 Hình 4.19 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ..........................112 Hình 4.20 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối .....................113 Hình 4.21 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển MinMax MPC–Deadbeat không xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối.......................................................................................116 Hình 4.22 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển MinMax MPC–Deadbeat có xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối ..................................................................................................116 Hình 4.23 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max- với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ................................................................117 Hình 4.24 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max- Deadbeattín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối ......................................................118 Hình 4.25 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max- Deadbeattín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ......................................................119 Hình 4.26 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max- Deadbeattín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối............................................................121 Hình 4.27 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max- Deadbeat với tín hiệu đặt quỹ đạo chạy thẳng không tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối .............................................124 Hình 4.28 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max- Deadbeatvới tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối .....................125 Hình 4.29 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max- Deadbeatvới tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối .....................126 Hình 4.30 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Min Max- Deadbeatvới tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối ............................129 Hình 4.31 Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển thích nghi backstepping không xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối ................................................................................131 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ Hình 4.32 Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển thích nghi backstepping có xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối.......................................................................................131 Hình 4.33 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi backsteppingtín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ................................................133 Hình 4.34 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi backsteppingtín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối ......................................................135 Hình 4.35 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi backsteppingtín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ......................................................136 Hình 4.36 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi backsteppingtín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối.............................................................138 Hình 4.37 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi backstepping với ..................140 Hình 4.38 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi backsteppingvới tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối ...............141 Hình 4.39 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi backsteppingvới tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải, không xét đến hiệu ứng đầu cuối ...............142 Hình 4.40 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi backsteppingvới tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối .....................144 Hình 4.41. Cấu trúc thực tế bộ thực nghiệm ..............................................................146 Hình 4.42. Cơ cấu tạo tải thực tế ................................................................................146 Hình 4.43 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải .................................................................................................147 Hình 4.44 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải .......................................................................................................148 Hình 4.45 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải ................................................................149 Hình 4.46 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải ......................................................................150 Hình 4.47 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải .................................................................................................151 Hình 4.48 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải .......................................................................................................153 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ Hình 4.49 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải ................................................................154 Hình 4.50 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải ......................................................................155 Hình 4.51 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-Deadbeat với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải .................................................................................................156 Hình 4.52 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-Deadbeat với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải .......................................................................................................157 Hình 4.53 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-Deadbeat với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải ................................................................158 Hình 4.54 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Min Max-Deadbeat với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải ......................................................................159 Hình 4.55 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Backstepping với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: không tải.......................................................................................................161 Hình 4.56 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Backstepping với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải .............................................................................................................162 Hình 4.57 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Backstepping với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: không tải............................................................................163 Hình 4.58 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Backstepping với tín hiệu đặt quỹ đạo có vận tốc dạng xung vuông: có tải ..................................................................................164 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Mở đầu 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: 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Mở đầu 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, Minmax 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 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 chung 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Mở đầu - Áp dụng 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: • 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. • 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, CCSMPC, FCS-MPC; Mạch vòng ngoài điều khiển tốc độ và vị trí sử dụng bộ điều khiển Min-max MPC. Cấu trúc điều khiển một mạch vòng (phương pháp thích nghi backstepping) có khả năng xử lý được ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối. Kiểm chứng chất lượng điều khiển của thuật toán bằng lý thuyết và thực nghiệm. 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 và kết luận, được bố cục như sau: Chương 1. Tổng quan về động cơ tuyến tính và các phương pháp điều khiển Nội dung chương 1, trình bày các nghiên cứu khái quát về động cơ tuyến tính bao gồm: Những đặc điểm của một hệ truyền động thẳng; Lịch sử phát triển và ứng dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Mở đầu của động cơ tuyến tính; Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính; Hiệu ứng đầu cuối (End effect); Truyền động tuyến tính và các phương pháp điều khiển truyền động tuyến tính; Truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid với tác động xen kênh và nhiễu; Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về điều khiển động cơ tuyến tính. Chương 2. Mô hình hóa động cơ tuyến tính Xây dựng mô hình tổng quát của động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu, tập trung nghiên cứu hiệu ứng đầu cuối của động cơ tuyến tính nói chung, từ đó đi vào trường hợp riêng là mô hình hóa ĐCTT dạng Polysolenoid nằm trong nhóm ĐCTTKTVC. Kết quả thu được là mô hình toán học của động cơ động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid có kể đến hiệu ứng đầu cuối. Đây thực chất là một đóng góp mới của luận án. Chương 3. Điều khiển động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid. Nội dung chương 3 trình bày các nội dung chính sau: Các phương pháp điều khiển dòng điện (hay điều khiển lực) theo phương pháp Deadbeat mới và điều khiển dự báo (MPC). Thiết kế bộ điều khiển vòng ngoài (mạch vòng tốc độ, vị trí) Min-Max MPC. Thiết kế phương pháp điều khiển thích nghi backstepping dùng để xử lý ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối của động cơ Polysolenoid. Chương 4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Trong chương 4, trình bày các kết quả mô phỏng hệ thống với vòng ngoài MinMax MPC: vòng dòng điện CCS-MPC, vòng dòng điện FCS-MPC, vòng dòng điện Dead-beat. Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển thích nghi Backstepping. Trình bày các kết quả thực nghiệm hệ thống. 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn