Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ

Header Page 1 of 258.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
-------&*&-------

LÊ BẢO CHUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN
TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ
Chuyên ngành: Tự Động Hóa
Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – 05/2013

Footer Page 1 of 258.


Header Page 2 of 258.
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Phản biện 1:

PGS. BÙI QUỐC KHÁNH

Phản biện 2:

TS. NGUYỄN ANH DUY

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 05 năm
2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin Học liệu – ĐH Đà Nẵng.
- Trung tâm Học liệu – ĐH Đà Nẵng.

Footer Page 2 of 258.


Header Page 3 of 258.

1
MỞ ĐẦU

1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các ngành
công nghiệp, đặc biệt là ngành điều khiển tự động, yêu cầu chất
lượng đối với các loại máy móc ngày càng cao: Các cơ cấu máy
móc đòi hỏi phải đạt độ nhanh, nhạy, chính xác cao, năng lượng
phải được sử dụng có hiệu quả.
Hiện nay, đã có những robot công nghiệp có những cơ cấu có
thể chuyển động với tốc độ 10m/s và độ chính xác tới 10 micron.
Cơ cấu chung cho những thiết bị này là sử dụng động cơ và các cơ
cấu truyền động cơ khí. Tuy nhiên vấn đề phát sinh đối với cơ chế
này là lực ma sát, các phản lực cơ khí, độ bền cơ học của các cơ

cấu...Hơn nữa, do có ma sát, một phần năng lượng đã bị mất đi trên
các cơ cấu này, rõ ràng điều này ngoài gây ra sự lãng phí về mặt
kinh tế vừa làm giảm hiệu quả về mặt truyền năng lượng.
Động cơ tuyến tính (Linear Motor) chính thức được công
nhận từ những năm 1970, tuy nhiên chúng không được sử dụng
rộng rãi bởi vì những khó khăn mà chúng mang lại: Khó điều khiển
và chất lượng thấp. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của
công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và các bộ vi xử lý
có khả năng xử lý mạnh mẽ, những khó khăn đó đã được khắc phục.
Động cơ tuyến tính hiện đang được xem là công nghệ mới.
Với những ưu điểm của mình, động cơ tuyến tính (và các cơ
cấu tuyến tính) đang được xem là 1 trong những giải pháp cho
những vấn đề đã nêu ở trên. Một số ưu điểm nổi bật của động cơ
tuyến tính:
- Tốc độ cao.
- Độ chính xác cao.

Footer Page 3 of 258.


Header Page 4 of 258.

2

- Đáp ứng nhanh.
- Độ bền cơ học cao (Do ít có sự cọ xát các cơ cấu cơ học,
các chuyển động quay...) .
Các hệ truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực: Vận chuyển (tàu cao tốc), công nghệ
rôbốt và gia công vật liệu, các thiết bị nâng, các thiết bị nén và bơm,

thiết bị phóng tên lửa, các loại cửa trượt,...
2. Mục đích, ý nghĩa của đề tài:

 Việc xây dựng thành công bộ điều khiển tốc độ là bước
đầu để tiến tới việc xây dựng bộ điều khiển đầy đủ (điều khiển dòng
điện, điều khiển vị trí...) cho động cơ tuyến tính không đồng bộ.

 Lĩnh vực truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được
coi là một lĩnh vực mới trên thế giới, vì vậy, nghiên cứu về nó cũng
là thực hiện nắm bắt xu thế mới của các hệ truyền động hiện đại.
Điều này càng có ý nghĩa trong thực tế phát triển các ngành công
nghiệp ở nước ta.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
3.1. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động điện điều khiển tốc
độ động cơ tuyến tính không đồng bộ.
Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống
3.2. Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là xây dựng bộ điều khiển tốc
độ động cơ tuyến tính không đồng bộ sử dụng bộ điều khiển PID và
bộ điều khiển trượt.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Đề tài được nghiên cứu theo các bước sau đây:

Footer Page 4 of 258.


Header Page 5 of 258.

3

4.1. Nghiên cứu lý thuyết:
Ở phương pháp này người nghiên cứu tìm hiểu các tài liệu hỗ
trợ có liên quan đến đề tài. Qua đó người thực hiện đưa ra những
nhận định và rút ra được nội dung cần trình bày trong luận văn. Bên
cạnh việc rút ra những nhận định, phương pháp nghiên cứu lý
thuyết còn giúp cho người nghiên cứu hiểu được cách thức thực
hiện mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink.
4.2. Nghiên cứu hệ thống, kiểm nghiệm:
Sau khi tiến hành xây dựng và mô phỏng hệ thống, so sánh,
đối chiếu kết quả của các công trình đi trước. Nếu kết quả thu được
không hợp lý cần kiểm tra lại lý thuyết để điều chỉnh lại quá trình
mô phỏng nhằm thu được kết quả chính xác.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Việc xây dựng thành công bộ điều khiển tốc độ là bước đầu
để tiến tới việc xây dựng bộ điều khiển đầy đủ (điều khiển dòng
điện, điều khiển vị trí...)cho động cơ tuyến tính không đồng bộ.
Lĩnh vực truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được coi là
một lĩnh vực mới trên thế giới, vì vậy, nghiên cứu về nó cũng là
thực hiện nắm bắt xu thế mới của các hệ truyền động hiện đại. Điều
này càng có ý nghĩa trong thực tế phát triển các ngành công nghiệp
ở nước ta
6. Bố cục đề tài:
MỞ ĐẦU
Chương 1: ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
Chương 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
Chương 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN
TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ.

Footer Page 5 of 258.

Header Page 6 of 258.

4

CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH:
1.1.1. Khái niệm:
1.1.2. Sự tương đồng giữa mạch từ và mạch điện
1.1.3. Nguyên lý hoạt động động cơ tuyến tính
1.1.4. Động cơ tuyến tính 3 pha
1.2. CÁC DẠNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH:
1.2.1. Động cơ tuyến tính đồng bộ
1.2.2. Động cơ tuyến tính không đồng bộ
1.2.3. Một số đặc điểm động cơ tuyến tính không đồng bộ
Mô tả toán học động cơ tuyến tính không đồng bộ
Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng bộ trên hệ
tọa độ d-q với hiệu ứng đầu cuối [5,7]:

Hình 1.15. Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng
bộ theo trục d

Footer Page 6 of 258.


Header Page 7 of 258.

5

Hình 1.16. Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng
bộ theo trục q
Hệ phương trình điện áp trên hệ tọa độ d-q [5]:
Vds = Rsids + Rrf(Q).(ids + idr) + p
Vqs = Rsids + p

qs

+ ve

qr

- vs

qs

ds

Vdr = Rridr +Rrf(Q).(ids + idr) + p
Vqr = Rriqr + p

ds

+ (vs-vr)

dr

dr

– (vs – vr)

qr

=0

=0

Hệ phương trình từ thông trên hệ tọa độ d-q [5]:
ds =

qs

= Llsiqs + Lm(iqs + iqr)

dr =

qr

Llsids + Lm(1 - f(Q))(ids + idr)

Llridr + Lm(1 - f(Q))(ids+idr)

= Llriqr + Lm(ids + idr)

Trong đó:
Q: Hệ số đặc trưng cho hiệu ứng cuối của động cơ tuyến tính
không đồng bộ:

Footer Page 7 of 258.

Header Page 8 of 258.

6

f(Q) là một hàm biểu diễn theo Q được thể hiện theo phương
trình:

Phương trình tính toán lực điện từ:

Với P là số đôi cực.

Hình 1.21. Mô hình động cơ tuyến tính trên Simulink
Tiến hành mô phỏng ta thu được kết quả như sau:

Hình 1.22. Tốc độ tuyến tính khi bỏ qua hiệu ứng cuối

Footer Page 8 of 258.


Header Page 9 of 258.

7

Hình 1.23. Lực điện từ khi bỏ qua hiệu ứng cuối

Hình 1.24. Từ thông rotor khi xét đến hiệu ứng cuối

Hình 1.27. Tốc độ tuyến tính khi có hiệu ứng cuối

Footer Page 9 of 258.


Header Page 10 of 258.

8

Hình 1.28. Lực điện từ khi có hiệu ứng cuối

Hình 1.30. Đồ thị biểu diễn giá trị f(Q)
1.3. CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH:

Footer Page 10 of 258.


Header Page 11 of 258.

9

CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
2.1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN
2.2. PHÂN LOẠI BIẾN TẦN
2.2.1. Biến tần trực tiếp
2.2.2. Biến tần gián tiếp
a. Khối chỉnh lưu
b. Bộ lọc
c. Bộ nghịch lưu
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.3.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
a. Phương pháp điều chế SPWM

Nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM ba pha:
Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như Hình 2.5. Để tạo
ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin
mẫu:

Hình 2.5. Nghịch lưu áp 3 pha.

Footer Page 11 of 258.


Header Page 12 of 258.

10

Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau:
Vtri

VcontrolA

VcontrolB

VcontrolC

Hình 2.6. Điện áp điều khiển và điện áp răng cưa
b. Phương pháp điều chế vector không gian
2.3.2.

Phương pháp điều chế trực tiếp momen (DTC:
Direct Torque Control)

2.4. MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRÊN
MATLAB/SIMULINK:
Thực hiện mô phỏng với bộ chỉnh lưu không điều khiển và
nghịch lưu sử dụng IGBT. Tín hiệu điều khiển đưa vào khối phát
xung PWM là điện áp đặt Uref

Hình 2.15. Mô hình bộ biến đổi công suất

Footer Page 12 of 258.


Header Page 13 of 258.

11

Hình 2.16. Khối phát xung PWM
Kết quả mô phỏng với Uref = 220 V:

Hình 2.18. Điện áp pha Ua, Ub, Uc

Hình 2.19. Điện áp dây Uab, Ubc, Uca

Footer Page 13 of 258.


Header Page 14 of 258.

12

CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ
3.1. LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID:
3.1.1. Cơ bản về vòng điều khiển:
3.1.2. Lý thuyết điều khiển PID:
a. Khâu tỉ lệ
b. Độ trượt
c. Khâu tích phân
d. Khâu vi phân
3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID:
3.2.1. Điều chỉnh tham số theo phương pháp ZieglerNichols
a. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
b. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai
3.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR)
a. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá
điều chỉnh.
b. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh
không vượt quá 20%
c. Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước (giảm sai lệch tĩnh)
và hệ kín không có độ quá điều chỉnh.
d. Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước (giảm sai lệch tĩnh)
và hệ kín có độ quá điều chỉnh không vượt quá 20%.
3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển PID điều khiển động cơ
tuyến tính không đồng bộ.
Sơ đồ nguyên lý:

Footer Page 14 of 258.


Header Page 15 of 258.

13

Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ
động cơ tuyến tính không đồng bộ
Trong đó, bộ tính điện áp được xây dựng dựa trên giả thiết bỏ
qua điện trở từ hóa, sụt áp trên stator chỉ tính trên điện trở stator.
Sức điện động stator Es sinh ra bởi từ thông khe hở sẽ nhỏ hơn điện
áp stator một lượng bằng Iđm.Rs :
Es=Uđm – Iđm.Rs
Trên thực tế, sụt áp trên stator cần phải tính thêm sụt áp trên
từ kháng Xs
Es=Uđm – Iđm.(Rs + jXs)
Các thông số trong bộ điều khiển PID được xác định bằng
phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai.
Mô phỏng trên Matlab/Simulink:

Footer Page 15 of 258.


Header Page 16 of 258.

14

Hình 3.8. Mô phỏng bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ
động cơ tuyến tính không đồng bộ

Hình 3.9. Khối PWM

Footer Page 16 of 258.

Header Page 17 of 258.

15

Hình 3.10. Khối tính toán Us (Us cal)

Hình 3.11. Khối phát xung PWM

Footer Page 17 of 258.


Header Page 18 of 258.

16

Kết quả mô phỏng:

Hình 3.13. Đáp ứng đầu ra với tốc độ đặt vref=8 m/s

Hình 3.14. Đáp ứng đầu ra với tốc độ đặt vref thay đổi từ 8-10
m/s

Footer Page 18 of 258.


Header Page 19 of 258.

17

Hình 3.15. Đáp ứng đầu ra với tốc độ đặt vref =8 m/s và có
ngoại lực tác động tại thời điểm 1,5s
Nhận xét: Bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ của động cơ
theo đúng tốc độ đặt, đáp ứng khá nhanh với thay đổi.
3.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ:
3.3.1. Lý thuyết điều khiển trượt:
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động
cơ tuyến tính không đồng bộ
Định nghĩa mặt trượt:

Theo phương trình mô tả động học của động cơ tuyến tính
không đồng bộ trong công thức (1.9), suy ra:

Footer Page 19 of 258.


Header Page 20 of 258.

18

Ta có:

Trong quá trình trượt và tại trạng thái ổn định: s(vr)=0,
, quá trình điều khiển có thể được định nghĩa:

và

Trong quá trình hội tụ, cần đảm bảo điều kiện
cần phải được kiểm tra. Thay (3.10) vào phương

trình đạo hàm của mặt trượt (3.8) cho ta:

Quá trình điều khiển có thể định nghĩa như sau:

Để

đảm

bảo

điều

kiện

ổn

định

của

hệ

thống

, chỉ cần chọn hệ số kiqs dương là đủ.
3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển trượt điều khiển dòng điện
động cơ tuyến tính không đồng bộ
Quá trình xây dựng bộ điều khiển dòng điện tương tự như đối
với bộ điều khiển tốc độ. Ta có:

Footer Page 20 of 258.


Header Page 21 of 258.

19

Trong suốt quá trình trượt và tại trạng thái hệ thống ổn định:
,

,

và

. Bộ điều khiển có

thể định nghĩa như sau:

Trong suốt quá trình trượt, điều kiện

và

cần phải được kiểm tra. Thay (3.19) và (3.20) vào phương trình đạo
hàm của mặt trượt

và

, ta được:

Quá trình điều khiển rời rạc được định nghĩa như sau:

Footer Page 21 of 258.


Header Page 22 of 258.

20

3.3.4. Mô phỏng bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ
động cơ tuyến tính không đồng bộ trên Matlab/Simulink:
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3.20. Nguyên lý xây dựng bộ điều khiển trượt điều khiển
tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ

Footer Page 22 of 258.


Header Page 23 of 258.

21

Hình 3.21. Mô hình bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ
động cơ tuyến tính không đồng bộ trên Matlab/Simulink
Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink:

Hình 3.22. Đáp ứng tốc độ với Vref =8 m/s

Footer Page 23 of 258.

Header Page 24 of 258.

22

Hình 3.23. Đáp ứng tốc độ khi Vref thay đổi từ 8-10 m/s

Hình 3.24. Lực điện từ với Vref =8 m/s

Footer Page 24 of 258.


Header Page 25 of 258.

23

Hình 3.25. Hàm f(Q)
Nhận xét:
Bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính
không đồng bộ chính xác, cho đáp ứng nhanh với thay đổi.
So với bộ điều khiển PID thì bộ điều khiển trượt có đáp ứng
nhanh hơn, độ vọt lố cũng nhỏ hơn

Footer Page 25 of 258.