Ứng dụng phương pháp điều khiển phi tuyến backstepping để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

------------------------ĐỖ MẠNH TÖ

ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI
TUYẾN BACKSTEPPING ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------- --------

ĐỖ MẠNH TÖ

ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI
TUYẾN BACKSTEPPING ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG

CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số
: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

KHOA CHUYÊN MÔN

TS. CAO XUÂN TUYỂN
PHÕNG ĐÀO TẠO

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Đỗ Mạnh Tú
Sinh ngày 20 tháng 9 năm 1984.
Học viên lớp cao học khóa 15 CHTĐH – Trƣờng đại học kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại trƣờng: Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên.
Sau hai năm học và nghiên cứu tại trƣờng tôi lựa chọn thực hiện đề tài:
“Ứng dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến backstepping để điều

khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC”
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này là do chính bản thân tôi thực
hiện dƣới sự hƣớng 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 nhƣ nội dung
trong đề cƣơng của thầy hƣớng 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 2015
Học viên

Đỗ mạnh Tú

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

LỜI CẢM ƠN
Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Cao Xuân Tuyển
đã tận tình chỉ bảo, hƣớng 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 Trƣờng 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 đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái nguyên, ngày......tháng......năm 2015
Học viên

Đỗ mạnh Tú

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... iv
MỤC LỤC ............................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................vii
DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................................viii
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ..................... 3
PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PHẠM VI TUYẾN TÍNH .................................................... 3
TRONG CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC .................................................................................. 3
1.1.Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính. ................................ 3
1.1.1 Phân loại. ...................................................................................................................... 3
1.1.2. Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu ( ĐCCT- ĐBKTVC) ....................... 3
1.1.3. Nguyên lý làm việc. ..................................................................................................... 4
1.1.5. Đặc điểm của động cơ tuyến tính chuyển động thẳng. ................................................ 8
1.2.1. Máy tiện T616. ........................................................................................................... 10

1.2.2. Máy phay X62w......................................................................................................... 11
1.2.3. Máy bào ngang B665: ................................................................................................ 12
1.2.4. Máy mài phẳng: ......................................................................................................... 13
1.2.5. Máy bào giƣờng: ........................................................................................................ 14
1.3. Điều khiển vị trí, tốc độ. ............................................................................................... 15
Kết luận chƣơng I ................................................................................................................ 17
CHƢƠNG II: MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH ........................................ 18
2.1. So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động cơ chạy
thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCT ĐB-KTVC).............................................. 18
2.1.1. Nguyên lý làm việc. ................................................................................................... 18
2.1.2. Hệ tọa độ biểu diễn đại lƣợng vật lý ĐCĐB- KTVC ................................................ 18
2.2. Mô hình toán học đối tƣợng MĐĐB-KTVC. ............................................................... 20
2.2.1.

Biểu diễn vector không gian các đại lƣợng 3 pha. ............................................... 20

2.2.3. Mô hình toán học động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCTĐBKTVC). ........................................................................................................................... 27
2.2.4. Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối. .............................. 28
Kết luận chƣơng II. .............................................................................................................. 32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi

CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
BACKSTEPPING THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ .............................................. 33
VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH ............................................................................... 33

3.1. Giới thiệu phƣơng pháp Backtepping ........................................................................... 33
3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov ................................... 33
3.1.2. Phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở Backstepping ................................... 37
3.2. Áp dụng phƣơng pháp Backstepping trong thiết kế điều khiển động cơ tuyến tính
(chuyển động thẳng) kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT_KTVC). .......................... 44
3.2.1. Cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp phi tuyến Bacckstepping.............................. 44
3.2.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần ird trên miền liên tục. ....................................... 45
3.2.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần irq trên miền liên tục ......................................... 46
3.2.4. Tính ổn định của hệ có bộ điều chỉnh dòng Backstepping. ....................................... 49
3.2.5. Số hoá bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản. ..................................................... 50
3.2.6. Khắc phục sai lệch tĩnh. ............................................................................................. 51
3.2.7. Đƣa thành phần tích phân vào thuật toán backstepping cơ bản để khử sai lệch tĩnh. 51
3.2.8. Tổng hợp vòng ĐC vận tốc. ...................................................................................... 58
Kết luận chƣơng III .............................................................................................................. 59
CHƢƠNG 4:KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................ 60
4.1. Sơ đồ mô phỏng. ........................................................................................................... 60
4.1.1. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống. ................................................................................. 60
4.1.2. Sơ đồ bộ điều khiển dòng backstepping. ................................................................... 60
4.1.3. Sơ đồ khối Simulink bộ điều khiển vận tốc theo phƣơng pháp PI . .......................... 61
4.2. Kết quả mô phỏng. ........................................................................................................ 61
4.2.1. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển dòng backstepping và bộ điều khiển PI . ........ 61
4.3. Hệ thống thí nghiệm và Kết quả thí nghiệm. ................................................................ 66
4.3.1. Thiết bị thí nghiệm. .................................................................................................... 66
4.3.1.1. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển thí nghiệm. ........................................................... 67
4.3.1.2. Sơ đồ mạch lực thí nghiệm. .................................................................................... 69
4.3.1.3. Bộ điều chỉnh dòng điện PWM............................................................................... 72
4.3.1.4. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vận tốc: ............................................................... 74
4.3.2. Kết quả thí nghiệm. .................................................................................................... 75
Kết luận chƣơng VI ............................................................................................................. 79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 82
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT

Ý NGHĨA

ĐB-KTVC

Đồng bộ- kích thích vĩnh cửu

ĐCTT

Động cơ tuyến tính

ĐCCT-ĐBKTVC

Động cơ chạy thẳng đồng bộ kích thích vĩnh
cửu

MĐĐB-KTVC

Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu

ĐC

Động cơ

ĐCĐB – KTVC

Động cơ đồng bộ, kính thích vĩnh cửu

REC

Bộ chỉnh lƣu

NLNA

Nghịch lƣu nguồn

SVWM

Điều chế vét tơ không gian

ĐKD

Điều khiển dòng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Từ trường là nam châm vĩnh cửu xếp liên tiếp nhau. ....................................... 3
Hình 1-2. Mạch từ gồm 36 rãnh. ....................................................................................... 3
Hình 1-3. Dây quấn động cơ.............................................................................................. 4
Hình 1- 4. Chiều chuyển động của từ trường và của phần động ....................................... 6
Hình 1-5. Vận tốc tối ưu cho động cơ. ............................................................................... 6
Hình 1- 6. Hệ thống truyền động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB_KTCV ............ 8
Hình 1-7. Đồ thi tốc độ trong một chu kỳ của máy bào giường ...................................... 15
Hình 2-1. Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha ...................... 20
Hình 2-2. Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ  . 22
Hình 2-3. Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq ............................................ 22
Hình 2-4. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V .......................................... 24
Hình 2-5. Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại ĐBKTVC .......... 29
Hình 2- 6. (a. Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b. Mạch từ tương đương mô tả ảnh
hưởng của hiệu ứng đầu cuối). ........................................................................................ 30
Hình 3-1. Minh họa khái niệm ổn định Lyapunov .......................................................... 35
H×nh 3-2
H×nh 3-3.

S¬ ®å khèi cho hÖ (3.5) .......................................................... 38
Thªm vµo vµ bít ®i thµnh phÇn mong muèn cña

 ... 40

Hinh 3-4. Backstepping  qua khâu tích phân ................................................................ 41
Hình 3-5. Hệ (3.5) sau khi đưa bộ điều khiển tổng hợp theo phương pháp Backstepping
......................................................................................................................................... 42
Hình 3-6. Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC 3 pha sử dụng phương pháp
backstepping. ................................................................................................................... 45

Hình 3-7. Sơ đồ bộ điều chỉnh dòng Backstepping. ........................................................ 48
Hình 3-8. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ĐC vận tốc ĐC TT ................................................... 58
Hình 3-9. Sơ đồ thay thế khi thiết kế khâu ĐC vận tốc ĐCTT ......................................... 59
Hình 4-1. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống. ....................................................................... 60
Hình 4-2. Sơ đồ bộ điều khiển dòng backstepping. ......................................................... 60
Hình 4-3. Sơ đồ khối Simulink bộ điều khiển vận tốc theo phương pháp PI. ................. 61
Hình 4-4. Vận tốc đặt. ...................................................................................................... 61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ix

Hình 4-5.Vận tốc thực và vận tốc đặt .............................................................................. 62
trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) ............................................................................ 62
với bộ điều khiển dòng backstepping ............................................................................... 62
.Hình 4-6.Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ điều
khiển dòng điện theo phương pháp PI . ........................................................................... 62
Hình 4-7a.Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s với bộ điều
khiển dòng ........................................................................................................................ 62
backstepping .................................................................................................................... 62
Hình 4-7b.Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ điều
khiển dòng điện theo phương phápPI. ............................................................................. 62
.Hình 4-8a. Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) với bộ
điều khiển dòng backstepping. ......................................................................................... 62
Hình 4-8b.Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) với bộ
điều khiển dòng điện theo phương pháp PI ..................................................................... 62
Hình 4-9a. Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) với bộ

điều khiển dòng backstepping. ......................................................................................... 63
Hình 4-9b.Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) ............. 63
với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI. ......................................................... 63
Hình 4-10a. Điện áp 1 chiều trung gian với bộ điều khiển dòng backstepping. ............. 63
Hình 4-10b. Điện áp 1 chiều trung gian với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp
PI ...................................................................................................................................... 63
Hình 4-11a. Dòng điện pha động cơ ............................................................................... 63
Với bộ điều khiển dòng backstepping. ............................................................................. 63
Hình 4-11b. Dòng điện pha động cơ với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI.
......................................................................................................................................... 63
Hình 4-12a Dòng điện pha của bộ điều khiển dòng backstepping .................................. 64
Hình 4-12b. Dòng điện pha với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI . .......... 64
Hình 4-13a. Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng backstepping. .......... 64
Hình 4-13b. Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp
PI . .................................................................................................................................... 64
Hình 4-14a. Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng backstepping.............................. 65
Hình 4-14b Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI . ........ 65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




x

Hình 4-15a. Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng backstepping. .............................. 65
Hình 4-15b Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI .......... 65
Hình 4-16a. Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng backstepping. 66
Hình 4-16b Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng điện theo phương
pháp PI . .......................................................................................................................... 66
Hình 4-17. Hình ảnh máy biến tần. ................................................................................. 67

Hình 4-18. Máy hiện sóng................................................................................................ 67
Hình 4-19. Mạch dùng điều khiển động cơ tuyến tính. .................................................... 67
Hình 4-20. Hinh ảnh mạch điều khiển ............................................................................. 67
Hình 4-21. Hệ thống vi điều khiển. .................................................................................. 67
Hình 4-22.Hệ thống xác định vị trí ban đầu của động cơ. ............................................. 67
Hình 4-23. Hệ rơ le đầu ra của hệ vi điều khiển kết nối với PLC. .................................. 67
Hình 4-24 Hình ảnh tổng thể về thí nghiệm.................................................................... 67
Hình 4-25 Sơ đồ mạch điện của hệ thống thí nghiệm. ..................................................... 68
Hình 4-26. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc mạch điều khiển trong .......................................... 69
hệ thống thí nghiệm.......................................................................................................... 69
Hình 4-27. Sơ đồ chi tiết của biến tần nguồn áp có dòng điều khiển được ..................... 70
Hình 4-28. Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh dòng điện PWM.............................................. 72
Hình 4-29. mô tả hình dáng tín hiệu trong bộ nghịch lưu áp ba pha. ............................ 73
Hình 4- 30. Tăng dần dòng điện đầu vào biến tần từ 0- 1,2 Hz ...................................... 75
Hình 4-31. Dòng điện đầu vào biến tần ổn định 1,2 Hz .................................................. 75
Hình 4-32. Dòng điện giảm dần từ 2Hz xuống 1,2 Hz ................................................... 75
Hình 4-33. Dòng điện giảm dần 2 Hz về 0 ...................................................................... 75
Hình 4-34. Dòng điện dây vào động cơ ổn định1,6 Hz và giảm về 0 .............................. 75
Hình 4-35. Dòng điện dây vào động cơ từ 0 - 1,6 Hz ...................................................... 75
Hình 4-36. Dòng điện dây vào động cơ khi tần số tăng từ 0 đến 1,6 Hz ........................ 76
Hình 4-37. Dòng điện dây vào động cơ tăng từ 0 - 1,6 Hz giảm về 1,2 Hz ..................... 76
Hình 4-38. Dòng điện dây có tần số từ 0-1,6 Hz giảm về 0 ............................................ 76
Hình 4-39. Dòng điện dây vào động cơ có tần số ổn định 1,2 Hz .................................. 76
Hình 4-40. Điện áp đặt vào động cơ ổn định 1,2 Hz ....................................................... 76
Hình 4-41. Điện áp đặt vào động cơ tăng dần 0-1,2 Hz................................................. 76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thực tế sản xuất hiện nay chuyển động tịnh tiến là dạng chuyển
động phổ biến, xuất hiện nhiều, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí. Xuất phát từ
công nghiệp chế tạo máy với những dịch chuyển của bàn gá, mũi khoan,...
trong các máy gia công cho đến sự ra đời của máy CNC đã dẫn đến nhu cầu
đòi hỏi tạo ra chuyển động tịnh tiến có chất lƣợng cao. Ngoài ra những
chuyển động tịnh tiến này còn tồn tại nhiều trong các thiết bị khác nhƣ Robot
công nghiệp hay máy móc phục vụ ngành công nghiệp bán dẫn… và nó còn
xuất hiện ở cả những lĩnh vực tƣởng chừng xa lạ nhƣ ngành giao thông vận tải
với tàu điên từ trƣờng ở các nƣớc phát triển (Đức, Nhật,..).
Cho đến nay việc tạo ra các chuyển động tịnh tiến hầu hết đƣợc thực
hiện một cách gián tiếp thông qua các động cơ quay tròn với những ƣu thế
nhƣ bền vững, không nhạy với nhiễu, độ tin cậy cao,... Tuy nhiên đối với
những hệ thống này do phải bổ sung các cơ cấu chuyển đổi trung gian nhƣ
hộp số, trục vít,... nên dẫn đến sự phức tạp về kết cấu cơ khí, tiềm ẩn bên
trong nó những dao động riêng, tổn hao năng lƣợng cũng nhƣ ảnh hƣởng đến
chất lƣợng chuyển động của hệ thống. Việc sử dụng loại động cơ có khả năng
tạo chuyển động tịnh tiến trực tiếp (động cơ tuyến tính) cho phép loại bỏ
những nhƣợc điểm nói trên và những nghiên cứu về loại động cơ này hy vọng
sẽ phần nào khắc phục đƣợc những đặc điểm đó.
Luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu Ứng dụng phƣơng pháp
Backstepping để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC với
mục tiêu điều khiển động cơ tuyến tính đóng vai trò là một thiết bị chấp hành
đƣợc sử dụng trong hệ chuyển động tịnh tiến đạt đƣợc đáp ứng tốt về các mặt
động học, động lực học.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2

Luận văn còn có nhiệm vụ cho thấy khả năng vận dụng loại động cơ
này trong công nghiệp. Đây là công việc khó khăn bởi đó là loại động cơ
không đƣợc sử dụng phổ biến trong nền công nghiệp nƣớc ta. Trên thế giới,
mặc dù ĐCTT đã có từ rất lâu nhƣng phƣơng án sử dụng nó trong hệ thống
chuyển động tịnh tiến chỉ đƣợc quan tâm khi xuất hiện những phƣơng pháp
điều khiển phi tuyến mới cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý, điện
tử tạo điều kiện thuận lợi trong việc điều khiển loại động cơ này. Thực tế
sản xuất ở các nƣớc phát triển đã cho thấy xu thế ĐCTT dần dần đóng vai
trò quan trọng trong các máy công cụ đòi hỏi điều khiển nhiều chuyển động
tịnh tiến.
Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ trên đây, luận văn đã tập trung giải
quyết một số vấn đề. Về lý thuyết, luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng các
phƣơng pháp điều khiển phi tuyến backstepping vận dụng vào ĐCTT và đƣa
ra phƣơng pháp điều khiển tốc độ giúp thực hiện các cấu trúc điều khiển phi
tuyến backtespping đã trình bày. Về thực nghiệm, luận văn đã xây dựng đƣợc
một mô hình thí nghiệm kiểm chứng những lý thuyết đã đề xuất.
Bản luận văn có bố cục nhƣ sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc và phạm vi ứng
dụng của phạm vi tuyến tính trong các máy công cụ CNC.
Chƣơng 2. Mô tả toán học động cơ tuyến tính.
Chƣơng 3. Ứng dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến backstepping
thiết kế bộ điều khiển tốc độ và vị trí động cơ tuyến tính.
Chƣơng 4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
Liên quan đến chủ đề ĐCTT còn nhiều vấn đề phức tạp, đòi hỏi nhiều

công sức với sự tham gia của nhiều ngƣời, trong nỗ lực đƣa ĐCTT ứng dụng
vào thực tế. Đề tài nghiên cứu đã tạo ra cơ sở ban đầu cho những bƣớc phát
triển tiếp theo sau này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ
PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PHẠM VI TUYẾN TÍNH
TRONG CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC
1.1.Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính.
1.1.1 Phân loại.
Hiện nay động cơ chạy thẳng sử dụng phổ biến hai loại sau:
- Động cơ chạy thẳng kiểu động cơ bƣớc.
- Động cơ chạy thẳng kiểu ĐB-KTVC.
Trong giới hạn của đề tài, luận văn tập trung nghiên cứu động cơ chạy thẳng
kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cử ba pha.
1.1.2. Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu ( ĐCCTĐBKTVC)
a. Phần đứng yên: Nam châm vĩnh cửu gồm nhiều cực từ đặt liên tiếp nhau.

N S N S

Hình 1-1. Từ trường là nam châm vĩnh cửu xếp liên tiếp nhau.
b. Phần chuyển động:
- Mạch từ:

Hình 1-2. Mạch từ gồm 36 rãnh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

- Dây quấn:
z 36

3
2 p 12

2 p  12



z  36



M=3



(1.1)

p.360 6.360


 600
z
36

120





(1.2)

120
2
60

(1.3)

   .q

B

A

(1.4)

C

Y

X

Z

Hình 1-3. Dây quấn động cơ.
1.1.3. Nguyên lý làm việc.
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 .
iA  2 I sin t

(1.5)

2 

iB  2 I sin  t 

3 


(1.6)

4 

iC  2 I sin  t 

3 


(1.7)

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

dx 
 
dt 
FA 



v 1,3,5

(1.8)

x


Ffmv sin t cos v

(1.9)

FB 

2 
2 


Ffmv sin  t 
 cosv  x 

3 
3 


v 1,3,5

(1.10)

FC 

4

Ffmv sin  t 
3

v 1,3,5

(1.11)





4 


 cosv  x 

3 



ds
v
dt

(1.12)

Sức từ động tổng ba pha trong khe hở không khí giữa phần cố định và phần
chuyển động sẽ là:
F(3)  FA  FB  FC 




Ffmv sin  t  v


v  6 k 1



(1.13)


x


(1.14)

Ở đây ta chỉ xét sóng cơ bản của từ trƣờng ba pha:
F

3
 

Ffm sin  t  x 
2
 


3
2

Trongđó Ffm 

3 2 w. k dq
.I

p

(1.15)
(1.16)

W: Số vòng dây của một pha
Kdq : Hệ số dây quấn sóng cơ bản
Từ trƣờng chuyển động tịnh tiến F sẽ tƣơng tác với từ trƣờng nam châm
vĩnh cửu FNC , do nam châm vĩnh cửu đƣợc đặt ở phần cố định, phản lực sẽ
làm phần động (gồm lõi thép và dây quấn) chuyển động tịnh tiến theo chiều
ngƣợc với chiều chuyển động của từ trƣờng F với tốc độ chuyển động là:
dx 
 
dt 

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

(1.17)




6

Chiều chuyển động
của F
Chiều chuyển
động của phần
động

F

t 0
t



4
x

2



o



Hình 1- 4. Chiều chuyển động của từ trường và của phần động
Về mặt năng lƣợng: Động cơ đã biến đổi điện năng thành cơ năng.
1.1.4. Xác định vận tốc tối ƣu cho động cơ.
Chọn thời gian ngắn nhất ứng với thời gian dịch chuyển S trên cơ sở tính
chọn vận tốc tối ƣu cho động cơ.
B

V

C

A





t

D
t1

t2

t3

Hình 1-5. Vận tốc tối ưu cho động cơ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

tg  a

(1.18)
(1.19)

amin  amax

Chon amax từ biến tần ƣớng với  max
S  v.t  S ABCD

(1.20)

S  amt12  amt1t 2 1.8

(1.21)

Hàm mục tiêu: F  2t1  t2  min

(1.22)

Rằng buộc: t1,t2  0

(1.23)

S  amt12  amt1t2 (*)

(1.24)

S 0

(1.25)

Giải bài toán tối ƣu:
Từ F  2t1  t2  t2  F  2t1

(1.26)

Thay (*) suy ra S  am12  amt1  F  2t1 

(1.27)

S  amt12  Famt1  2amt12

= Famt1  amt12
s  amt12
s
F
 t1 
amt1
amt1
F  t1 

s
amt1

(1.28)
(1.29)
(1.30)
(1.31)

Tìm t1 để Fmin
a
dF
s
s
1
 0  t12 m  t1tu  
2
dt1
amt1
s
am

t1  0  t1tu 

s
am

(1.32)
(1.33)

Suy ra vận tốc tối ƣu:
vtu  amt1  am

s
 am s
am

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

( 1.34)




8

Thời gian tối ƣu:
s
am
s
s

Fm  2t1  t2  2.

2
am
am
s
s.
am

(1.35)

tg  a

(1.36)

s  am

amin  amax

Chọn amax từ biểu tƣợng ứng với  max
s  vt  s ABCD

(1.37)


s  amt12 
S  a t  at1t2  t2 

at1 


(1.38)

2
m 1

1.1.5. Đặc điểm của động cơ tuyến tính chuyển động thẳng.
Hệ thống chuyển động thẳng có thể đƣợc thực hiện bằng hai cách trực tiếp
hoặc gián tiếp, trong đó động cơ tuyến tính sẽ đƣợc sử dụng trong hệ chuyển
động thẳng trực tiếp.

Hình 1- 6. Hệ thống truyền động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại
ĐB_KTCV
- Động cơ tuyến tính ngày càng đƣợc quan tâm nhất là trong lĩnh vực truyền
động tịnh tiến do có các ƣu điểm sau đây:
+ Động cơ có kết cấu đơn giản, rễ chế tạo.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

+ 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.
+ Có khả năng chuyển động tịnh tiến với tốc độ cao.
+ Thời gian đáp ứng nhanh: tốc độ đáp ứng của thiết bị truyền động
động cơ truyền động thẳng lớn hơn rất nhiều lần so với các bộ truyền cơ khí.
+ Ít gây ồn khi làm việc, bảo dƣỡng cũng dễ dàng hơn, tuổi thọ trung

bình dài hơn.
1.2. Phạm vi ứng dụng động cơ tuyến tính trong các máy CNC.
Hiện nay động cơ tuyến tính chủ yếu đƣợc sử dụng trong các cơ cấu
truyền động tịnh tiến trong các phƣơng tiện giao thông nhƣ đầu máy xe điện,
tàu điện ngầm có thể kể ra một số ứng dụng điển hình:
• Tàu điện nhanh sân bay JFK Newyork (2003)
• Tuyến metro 4 Quảng Châu (2005)
• Tàu điện nhanh sân bay Bắc Kinh (2008)
• Green Line Yokohama (2008)
• Đặc biệt tàu điện từ sử dụng động cơ truyền động thẳng giữa sân bay
và trung tâm Thƣợng Hải có tốc độ 500 km/giờ. Tàu điện từ HSST Limo line
ở Aichi Nhật bản năm 2005.
• Trong một số lĩnh vực gia công kim loại, truyền động cần trục, thang
máy, máy nén, thiết bị khoan lỗ giếng dầu sử dụng động cơ truyền động thẳng.
• Trong quân sự hệ thống phóng máy bay điện từ bằng động cơ truyền
động thẳng thay cho cơ cấu phóng bằng khí nén kinh điển.
• Việc điều khiển tự động máy công cụ kỹ thuật số CNC, điều khiển tay
máy Robot, máy nâng hạ, điều khiển các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS...
yêu cầu cao về độ chính xác vị trí, tốc độ và tác động nhanh. Động cơ tuyến
tính trong hệ thống này có khả năng cạnh tranh với hệ thống servo.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

Động cơ tuyến tính có giá thành còn cao hơn động cơ quay thông dụng.
Tuy nhiên gần đây, giá thành đã giảm đáng kể bởi vì số lƣợng động cơ tuyến
tính đƣợc chế tạo tăng nhiều. Nhiều nhà sản xuất đã đầu tƣ mạnh mẽ vào dây

chuyền công nghệ, các trang thiết bị hiện đại cho sản xuất động cơ tuyến tính.
Các hệ truyền động dùng động cơ tuyến tính phát triển rất nhanh. Những cải
tiến vẫn tiếp tục diễn ra trên toàn bộ dải công suất của sản phẩm.
1.2.1. Máy tiện T616.

Trong máy tiện T616 đã sử dụng động cơ tuyến tính để chuyển động dao
của máy.
- Xe dao: Là một bộ phận của máy dùng để gá kẹp dao và đảm bảo cho
dao chuyển động theo các chiều khác nhau.
+ Chuyển động tịnh tiến của dao có thể thực hiện bằng tay hoặc cơ khí.
+ Chuyển động cơ khí của xe dao nhờ có trục trơn và vít me.
- Xe dao gồm:
+ Bàn trƣợt chuyển động dọc theo chiều băng trƣợt của máy.
+ Hộp xe dao: Trong bố trí cơ cấu biến chuyển động quay của trục trơn
và vít me thành chuyển động tịnh tiến của dao.
+ Bàn trƣợt ngang, bàn trƣợt dọc, ổ dao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

1.2.2. Máy phay X62w

- Chuyển động chạy dao. Đây là chuyển động tạo nên đƣờng chuẩn trên
bề mặt gia công, nó là chuyển động cơ bản nhằm duy trì quá trình cắt gọt.
Chuyển động chạy dao gồm 3 chuyển động tịnh tiến

sd , sn, sd . Các

chuyển động này thực hiện đƣợc nhờ chuyển động của động cơ chạy dao
thông qua hộp chạy dao đến các trục vít me dọc ngang và đứng.
- Chuyển động chạy dao nhanh. Để giảm thời gian phụ nhằm tăng năng
suất gia công, thực hiện quá trình đó ta bố trí xích chạy dao nhanh đi từ động
cơ chạy dao nhanh qua các cặp bánh răng đơn đến các vít me chạy dao mà
không cần đi qua phần điều chỉnh của hộp chạy dao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

1.2.3. Máy bào ngang B665:

- Đầu máy ( đầu trƣợt) chuyển động tịnh tiến qua lại trên rãnh trƣợt của
thân máy. Tạo ra lực cắt, trên đầu trƣợt có đầu kẹp dao.
Đầu kẹp dao dùng để kẹp chặt dao trong quá trình gia công. Đầu dao có
nhiệm vụ tịnh tiến lên xuống để điều chỉnh chiều sâu cắt t sau mỗi lát cắt
(trong gia công mặt phẳng nằm ngang), tạo ra bƣớc tiến dao S trong gia công
mặt phẳng thẳng đứng và mặt phẳng nghiêng.
- Bàn máy: Dùng để gá đặt chi tiết gia công thông qua đồ gá, hay gá đặt
trực tiếp trên bàn máy. Bàn máy dịch chuyển tịnh tiến ngang sang trái hoặc
sang phải tạo ra bƣớc tiến dao S ( trong gia công mặt phẳng nằm ngang) và
điều chỉnh chiều sâu cắt t sau mỗi lát cắt trong gia công mặt phẳng thẳng
đứng và mặt phẳng nghiêng.
Chuyển động tịnh tiến lên xuống để điều chỉnh chiều cao khi kích thƣớc

chi tiết gia công thay đổi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

1.2.4. Máy mài phẳng:

- Thân máy: là chi tiết cơ sở của máy, yêu cầu cơ bản với thân máy là
phải đảm bảo độ chính xác yêu cầu cho tất cả các cụm lắp trên đó trong suốt
thời gian dài làm việc. Trên thân máy ngƣời ta lắp bản máy chữ T và dẫn
động tạo chuyển động tịnh tiến khứ hồi của bàn….
Bàn máy có hình dạng chữ nhật và chuyển động tịnh tiến khứ hồi.Trên
các máy mài phẳng bàn máy dùng để gá chi tiết gia công trực tiếp trên bàn
máy hoặc đồ gá.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




14

1.2.5. Máy bào giƣờng:

Chi tiết gia công đƣợc kẹp chặt trên bàn máy 2 chuyển động tịnh tiến
qua lại. dao cắt 3 đƣợc kẹp chặt trên bàn dao đứng 4, bàn dao 4 đƣợc kẹp chặt

trên xà ngang 5 cố định khi gia công. Trong quá trình làm việc bàn máy di
chuyển qua lại theo chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm 2 hành trình thuận
và ngƣợc. Ở hành trình thuận, thực hiện gia công chi tiết, nên gọi là hành
trình cắt gọt, Ơ hành trình ngƣợc bàn máy chạy về vị trí ban đầu không cắt
gọt, nên gọi là hành trình không tải, cứ sau khi kết thúc hành trình ngƣợc thì
bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang một khoảng gọi là lƣợng ăn dao S.
Chuyển động tịnh tiến qua lại gọi là chuyển động chính. Dịch chuyển của ban
dao sau mỗi một hành trình kép là chuyển động ăn dao. Chuyển động phụ là
di chuyển nhanh của xà, bàn dao, nâng đầu dao trong hành trình không tải.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




15

Hình 1-7. Đồ thi tốc độ trong một chu kỳ của máy bào giường
1.3. Điều khiển vị trí, tốc độ.
Trong bài luận văn ta nghiên cứu ‟Ứng dụng phƣơng pháp
Backstepping để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC‟
Trong các ngành công nghiệp hiện nay đối với những máy móc thƣờng sử
dụng các loại động cơ thông thƣờng nhƣ động cơ đồng bộ, động cơ không
đồng bộ, động cơ một pha hay động cơ ba pha. Những động cơ đó với tốc độ
làm việc và khả năng ứng dụng vào thực tế để cho các máy móc bình thƣờng
hoạt động thì hiệu quả và độ chính xác còn hạn chế. Để những máy móc làm
việc một cách chính xác và hiệu quả đảm bảo về chất lƣợng, ta thay thế các
động cơ đó bằng động cơ tuyến tính để điều khiển vị trí, tốc độ của các máy
sử dụng phƣơng pháp điều khiển backstepping để điều khiển động cơ chuyển
động tịnh tiến.

Ta có bài toán
Ta có hàm mục tiêu: F  2t1  t2  min
 t1, t 2  0

Rằng buộc :  s=a m t12 +a m t1t 2 *
s  0


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN