Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN MẠNH TIẾN

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH
HÓA CHÍNH XÁC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN
TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

MỤC LỤC

Trang

Mục lục………………………………………………………………….……………….i
Lời cam đoan:………………………………………………………...…………..…...…iv
Lời cảm ơn:………………………………………………………………….……....…..v
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt……………………………...………………..….…...vi
Mục lục hình vẽ ………….………………………………………………………….….ix

MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………..........1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ
PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ

TUYẾN TÍNH TRONG CÁC

MÁYCNC…………………………………….........................................................41.
1. CẤU TẠO………………………………………………………………...….4
1.1.1. Phân loại……………...………………………………………..………….4
1.1.2. Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu (ĐCCTĐBKTV…........4
1.2. Nguyên lý làm việc………………………………………………………...5
1.2.1. Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng……..,…………………….......7
1.2.2. Xác định vận tốc tối ưu cho động cơ……………………………….….....8
1.3. Phạm vi ứng dụng của ðộng cõ tuyến tính với các máy công cụCNC…....9
1.3.1. Máy tiện…………………………………………..……………….......…9
1.3.2. Máy phay ………………….………………………………...……….....11
1.3.4. Máy mài……………………………..…………………….…………....16
1.4. Kết luận…………………………………………………………………......22
CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB –
KTVC…………………………………………………………………………....23
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 (ĐCCTĐB-KTVC) …………..23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii
2.1.2. Nguyên lý làm việc……………………………………………….…...23

2.1.3. Hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC………………...24
2.2. Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC………………………………25
2.2.1. Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha……………..……..25
2.2.2. Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC………………………30
2.2.3. Mô hình toán học động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu
(ĐCCT-ĐBKTVC)…………………………………………………………….…33
2.2.4. Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối….....34
2.4. Kết luận chương 2…………………………………………………………36
CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA
CHÍNH XÁC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CHO ĐỘNG CƠ TUYẾN
TÍNH………………………………………………………………..…38
3.1. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác (phương pháp
phi tuyến)…………………………………………………………….….....38
3.2. Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hóa chính
xác…………………………………………………………………….…...39
3.3. Tổng hợp các bộ điều khiển PI (Mạch vòng dòng điện, mạch vòng vận
tốc)…………………………………………………………………………..……44
3.3.1. Tổng hợp mạch vòng ĐC vector dòng điện……………………..…....44
3.3.2. Tổng hợp vòng ĐC vận tốc ……………………………………….…45
3.4. Kết luận chương 3…………………………………………….…….….…..47
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ KÊT
LUẬN………………………………………………………………………..…...48
4.1. Sơ đồ và tham số mô phỏng……….………………………..…………...….48
4.1.1.Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển TTHCX.…………………….……..48
4.1.2. Sơ đồ simulink khối điều khiển TTHCX………………………….…...48
4.1.3. Các thông số mô phỏng:……………………………..…..………..….....49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

iv
4.2. Kết quả mô phỏng…….………………………………………………….….49
4.2.1. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển TTHCX và PI thường.…………..49
4.2.2 Nhận xét kết quả mô phỏng……………………………………………..57
4.3. Hệ thống thí nghiệm và kết quả……………………………………….…….58
4.3.1.Thiết bị thí nghiệm…………………………………………………..…..58
4.3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển trong sơ đồ thí nghiệm………….……....60
4.3.3. Kết quả thí nghiệm………………………………………….………......66
4.4. Kết luận chương 4………………………………………………………..….71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………..…………….…….72
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………..…………………….…73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v
LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Mạnh Tiến
Sinh ngày: 28 tháng 08 năm 1981
Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công
nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang côn tác tại: Trường Cao Đẳng Công Nghệ Và Kinh Tế Công Nghiệp.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu
trong luận văn là trung thực. Những kết luận trong luận văn chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ
nguồn gốc.

Tác giả luận văn

Trần Mạnh Tiến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của nhà trường, các khoa, các phòng ban, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Cao Xuân Tuyển đã tận
tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm Thí nghiệm,
phòng thí nghiệm Khoa Điện - Trường Đại Học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên
đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể
luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ
các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa
hơn trong thực tế.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

Lsd, Lsq

H

Điện cảm dọc trục và ngang trục của stato

m

Kg

Khối lượng của bộ phận sơ cấp (stator)

us ,is

V, A

Vector điện áp, dòng stator

Rs

Ω

v , ve

m/s

Fm ,Ffc

N

Điện trở stator
Vận tốc cơ, điện
Lực đẩydo động cơ sinh ra, lực cảndo
ma sát.

isd , isq
usd , usq
τ

A
V

mm

p
ψp

Dòng điện trục d,q
Điện áp trục d,q
Bước cực
Số đôi cực

Wb

Từ thông cực từ

Ω e, Ω m

Rad/s

Vận tốc góc điện, cơ

xp ,x

mm

Vị trí đỉnh cực, vị trí tương đối giữa phần
sơ cấp và thứ cấp của động cơ tuyến tính

Jm, Jl, Js, Jp

Kgm2

Mômen quán tính của động cơ, tải, trục
truyền chuyển động, trục vít vô tận.

T fc

Rad/s2

Hệ số ma sát Coulomb

B m ,Bl

1/s

Hệ số ma sát nhớt của động cơ, tải

T trans(θ)

Nm

Mômen truyền từ động cơ đến tải

Tfcm,T fcl,T fcp

Nm

Mômen ma sát tại vị trí động cơ, tải, trục
vít vô tận

Tpos(θ m),T pos(θ l) Nm

Thành phầnmômen bất định gây ra đối
với động cơ, tải

Fpos (x)

N

Фg

Wb

R

A.vòng/Wb

Nhiễu lực đẩy tác động lên động cơ
Từ thông khe hở không khí
Từ trở khe hở không khí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii
Fabc(x,t)

A.vòng

Sức từ động của mỗi pha (phụ thuộc vị
trí và thời gian)

F(xt)

A.vòng

Sức từ động tổng được tạo bởi thành
phần sơ cấp trong máy điện.
Hệ số dây quấn của sóng hài bậc ν

kωlν
l*

m

Chiều dài của p bước cực

l/3

m

Khoảng cách giữa trục dây quấn của 2
pha khác nhau

Lsa ,Фsa ,

H, Wb,

Điện cảm tự cảm, từ thông móc vòng qua

ψsa ,Bsa

Tesla

1 vòng dây, từ thông móc vòng qua 1
pha, mật độ từ thông do dòng điện chảy
qua pha a sinh ra

B,Bp

Wb/m2

Mật độ từ thông nói chung, mật độ từ

(Tesla)

thông do thành phần nam châm vĩnh cửu
của bộ phận thứ cấp trong ĐCTT sinh ra

Bsm , Bpm

Wb/m2

Mật độ từ thông tại vị trí đạt giá trị lớn

(Tesla)

nhất do thành phần sơ cấp và thứ cấp
sinh ra

ψ

Wb

p

Từ thông do nam châm vĩnh cửu của bộ
phận thứ cấp trong ĐCTT sinh ra
Số vòng dây của mỗi pha

N

fs

Tần số mạch điện stator

ird , irq , isd , isq

Các thành phần dòng rotor, stator thuộc hệ

tọa độ dq

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ix

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

TTHCX

Tuyến tính hoá chính xác

ĐB-KTVC

Đồng bộ - kích thích vĩnh cửu

ĐCD

Điều chỉnh dòng

ĐC, ĐK

Động cơ, điều khiển

TKTT

Tách kênh trực tiếp

PHTT

Phản hồi trạng thái

TĐTT

Tọa độ trạng thái

VĐK

Vi điều khiển

SVM

Điều chế vectơ không gian

MIMO

Multiinput – multioutput

ĐCTT

Động cơ tuyến tính

T4R

Tựa từ thông rotor

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




x

MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Từ trường là nam châm vĩnh cửu xếp liên tiếp nhau
Hình 1.2 Mạch từ gồm 36 rãnh
Hình 1.3 Dây quấn động cơ
Hình 1.4 Chiều chuyển động của từ trường và của phần động
Hình 1.5 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC
Hình 1.6 Hình ảnh ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn
Hình 1.7 Vận tốc tối ýu cho ðộng cõ
Hình 1.8 Máy tiện TAKISAWA TNR200-CNC
Hình 1.9 Máy phay CNC

Hình 1.10 Máy bào giường

Hình 1.11 Nguyên lý máy bào giường
Hình 1.12 Đồ thị tốc độ cho một chu kỳ
Hình 1.13 Máy mài tròn ngoài
Hình 1.14 Máy mài tròn trong
Hình 1.15 Máy mài phẳng
Hình 1.16 Máy bào phẳng CNC
Hình 2.1 Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha
Hình 2.2 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ 
Hình 2.3 Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq
Hình 2.4 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V
Hình 2.5 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại KĐB.
Hình 2.6 (a. Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b. Mạch từ tương đương mô tả ảnh
hưởng của hiệu ứng đầu cuối)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xi
Bảng 2.1 So sánh phần chuyển động và cố định của động cơ (ĐB-KTVC) và (ĐCCT
ĐB-KTVC)
Bảng 2.2 So sánh nguyên lý làm việc của động cơ (ĐB-KTVC) và (ĐCCT ĐB-KTVC)
Bảng 2.3 Bảng mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2 loại
động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính.
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC 3 pha sử dụng TTHCX
Hình 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác
Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc vòng ĐC dòng điện
Hình 3.4 Sơ đồ hai vòng ĐC thay thế tương
Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ĐC vận tốc ĐC TT

Hình 3.6 Sơ đồ thay thế (cấu trúc ở hình 3.4) khi thiết kế khâu ĐC tốc độ quay ĐCTT
Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển là tuyến tính hóa chính xác
Hình 4.2 Sơ đồ Simulink khối điều khiển vận tốc PI
Hình 4.3 Vận tốc đặt
Hình 4.4 Dòng điện pha động cơ với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển
vận tốc là PI
Hình 4.5 Dòng điện pha động cơ với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là
PI
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 là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.7 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ
điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.8 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) với bộ
điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.9 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) với bộ
điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.10 Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ
điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.11 Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển
vận tốc là PI.
Hình 4.12 Điện áp một chiều trung gian với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ
điều khiển vận tốc là PI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xii
Hình 4.13 Điện áp một chiều trung gian với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận
tốc là PI

Hình 4.14 Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều
khiển vận tốc là PI
Hình 4.15 Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận
tốc là PI
Hình 4.16 Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận
tốc là PI
Hình 4.17 Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.18 Vận tốc đặt
Hình 4.9. Dòng điện pha với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc
là PI
Hình 4.20. Dòng điện pha với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.21 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ
điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.22 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ
điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.23 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến2,2(s) với bộ
điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.24 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến2,2(s) với bộ
điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.25 Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ
điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.26 Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng và bộ điều
khiển vận tốc là PI
Hình 4.27 Điện áp một chiều trung gian với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều
khiển vận tốc là PI
Hình 4.28 Điện áp một chiều trung gian với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận
tốc là PI
Hình 4.29 Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều
khiển vận tốc là PI
Hình 4.30 Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận

tốc là PI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xiii
Hình 4.31 Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận
tốc là PI
Hình 4.32 Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI
Hình 4.33 Hình ảnh tổng thể về thí nghiệm
Hình 4.34 Hình ảnh mạch điều khiển
Hình 4.35 Hình ảnh bộ nguồn
Hình 4.36 Hình ảnh máy biến tần số
Hình 4.37 Hình ảnh máy điện sóng
Hình 4.38 Hình ảnh động cơ tuyến tính
Hình 4.39 Hệ thống vi điều khiển
Hình 4.40Hệ thống xác định vị trí ban đầu của động cơ
Hình 4.41 Hệ rơ le đầu ra của hệ vi điều khiển kết nối với PLC
Hình 4.42 Sơ đồ mạch điện của hệ thống thí nghiệm
Hình 4.43 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển trong hệ thống thí nghiệm
Hình 4.44 Sơ đồ chi tiết của biến tần nguồn áp có dòng điều khiển được
Hình 4.45 Nguyên lý điều khiển Hystereris một pha.
Hình 4.46 Sơ đồ điều khiển Hystereris dòng một pha, iR là dòng điện đặt
Hình 4.47 Sơ đồ chức năng điều khiển trễ Hystereris dòng 3 pha.
Hình 4.48 Bộ so sánh của sơ đồ điều khiển trễ Hystereris
Hình 4.49 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1hZ
Hình 4.50 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt ở 1hZ
Hình 4.51 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt giảm từ 2hZ xuống 1Hz
Hình 4.52 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt từ 2Hz giảm về 0Hz

Hình 4.53 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1 Hz
Hình 4.54 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt ở 1Hz
Hình 4.55 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ 1Hz tăng lên 2 Hz
Hình 4.56 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ 2Hz giảm xuống 1Hz
Hình 4.57 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ xuống 1Hz về 0
Hình 4.58 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1 Hz
Hình 4.59 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt 1 Hz
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xiv
Hình 4.60 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 1Hz đến 2 Hz
Hình 4.61 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt giảm từ 2 Hz đến 1 Hz
Hình 4.62 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt giảm từ 1 Hz về 0

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1
MỞ ĐẦU
Trong thực tế sản xuất hiện nay, chuyển động thẳng 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 thẳng có chất lượng cao. Ngoài ra những chuyển động
thẳng này còn tồn tại nhiều trong các thiết bị khác như Robot công nghiệp hay

máy móc phục vụ ngành công nghiệp bán dẫn,… và nó còn xuất hiện ở cả
những lĩnh vực tưởng chừng xa lạ như ngành giao thông vận tải với tàu đệm
từ trường ở các nước phát triển (Đức, Nhật,..).
Cho đến nay việc tạo ra các chuyển động thẳng hầu hết được thực hiện
một cách gián tiếp thông qua các động cơ quay tròn với những ưu thế như 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 như 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 lượng cũng như ảnh hưởng đến chất lượng
chuyển động của hệ thống. Việc sử dụng loại động cơ có khả năng tạo chuyển
động thẳng trực tiếp (động cơ tuyến tính) cho phép loại bỏ những nhược điểm
nói trên và những nghiên cứu về loại động cơ này hy vọng sẽ phần nào khắc
phục được những đặc điểm đó.
Luận văn có nhiệm vụ đặt ra “Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến
tính hóa chính xác để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy
CNC” với mục tiêu Thiết kế bộ điều khiển vị trí cho động cơ tuyến tính ứng
dụng trong các máy CNC.
Điều khiển động cơ tuyến tính đóng vai trò là một thiết bị chấp hành được
sử dụng trong hệ chuyển động thẳng trực tiếp (đảm bảo chiếm ưu thế so với
hệ chuyển động thẳng gián tiếp) đạt được 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
được sử dụng phổ biến trong nền công nghiệp nước ta. Trên thế giới, mặc dù

ĐCTT đã có từ rất lâu (năm 1895) nhưng phương án sử dụng nó trong hệ
thống chuyển động thẳng chỉ được quan tâm khi xuất hiện những phương
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 nước 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
thẳng.
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
phương pháp điều khiển phi tuyến vận dụng vào ĐCTT loại ĐB - KTVC và
đưa ra phương pháp chọn thời gian ngắn nhất ứng với khoảng dịch chuyển s
trên cơ sở tính chọn vận tốc tối ưu cho động cơ. Về thực nghiệm, luận văn đã
xây dựng được một mô hình thí nghiệm kiểm chứng những lý thuyết đã đề
xuất.
Bản luận văn có bố cục như sau:
Chương 1. Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc và phạm vi ứng
dụng của động cơ tuyến tính trong các máy CNC.
Chương 2. Mô tả toán học động cơ tuyến tính.
Chương 3. Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác
thiết kế bộ điều khiển vị trí cho động cơ tuyến tính.
Chương 4. Kết quả mô phỏng, thực nghiệm và kết luận. Toàn bộ các kết
quả mô phỏng MATLAB & Simulink. Đặc biệt để thêm tính khách quan, mô
hình đối tượng động cơ, biến tần, lưới điện sẽ sử dụng của hãng PLECS, một
bộ phần mềm thêm vào Simulink để mô phỏng các hệ thống điện và thực
nghiệm được trình bày trong chương này với những thuyết minh kèm theo.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3
Cuối cùng là Kết luận và kiến nghị.
Liên quan đến chủ đề ĐCTT còn nhiều vấn đề phức tạp, đòi hỏi nhiều
công sức với sự tham gia của nhiều người, trong nỗ lực đưa ĐCTT ứng dụng
vào thực tế. Đề tài nghiên cứu đã tạo ra cơ sở ban đầu cho những bước phát
triển tiếp theo sau này.
Bản luận văn được viết với sự cảm thông, giúp đỡ to lớn của gia đình.
Tác giả luận văn cũng xin bày tỏ tấm lòng cảm ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn
tận tình cũng như sự động viên chân thành của thầy giáo hướng TS. Cao Xuân
Tuyển trong suốt quá trình, từ lúc hình thành ý tưởng đến các bước thực hiện
cụ thể của đề tài nghiên cứu này. Xin cảm ơn Phòng sau đại học, phòng thí
nghiệm, khoa điện của Trường Đại Học KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI
NGUYÊN đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài luận văn này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ PHẠM VI
ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC

1.1. CẤU TẠO
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 bước.
+ 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 cửu ba pha.
1.1.2. Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu (ĐCCT-ĐBKTVC)
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
*Dây quấn
2p = 12
Z = 36



Z 36

3
2 p 12



p.360 6.360

 600
Z
36

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

(1.1)
(1.2)



6


M=3

120





120
2
60

(1.3)

   .q





B

A







(1.4)









C





X

Hình 1.3 Dây quấn động cơ

Z



Y

1.2. 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  2I sin  t 

3 


(1.6)

4 


iC  2I sin  t 

3 


(1.7)

Dòng các pha sẽ sinh ra các sức từ động pha tương ứng có dạng đập
mạch:
dx 
 
dt 

FA 



v 1,3,5

(1.8)
Ffmv sin t cos v


x


(1.9)

FB 

2

Ffmv sin  t 
3

v 1,3,5

2 


 cosv  x 

3 



(1.10)

FC 

4

Ffmv sin  t 
3

v 1,3,5

4 



 cosv  x 

3 



(1.11)





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7
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 trường ba pha:
F

3


Ffm sin  t 
2


3
2

Trongđó Ffm 


x


(1.15)

3 2 w. k dq
.I

p

(1.16)

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

(1.17)
Chiều chuyển động
của F

t 0

Chiều chuyển
động của phần
động

F

o





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

t
2


4
x




8
Hình 1.4 Chiều chuyển động của từ trường và của phần động
Về mặt năng lượng: Động cơ đã biến đổi điện năng thành cơ năng.
1.2.1. Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng.
Hệ thống chuyển động thẳng có thể được thực hiện bằng hai cách trực
tiếp hoặc gián tiếp, trong đó ĐCTT sẽ được sử dụng trong hệ chuyển động

thẳng trực tiếp (hình 1-5)còn hệ thống chuyển động thẳng gián tiếp được xây
dựng dựa trên động cơ quay (hình 1.6).

Hình 1.5 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC

Nam châm vĩnh cửu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9
Hình 1.6 Hình ảnh ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10
1.2.2. Xác định vận tốc tối ưu cho động cơ
Chọn thời gian ngăn nhất ứng với thời gian dịch chuyển s trên cơ sở
tính chọn vận tốc tối ưu cho động cơ

Hình 1.7 Vận tốc tối ưu cho động cơ
tg α = a

(1.18)

amin ÷ amax

(1.19)

chọn amax từ biến tần ứng với αmax
S = v.t = SABCD

(1.20)

S = am t12 + am t1t2(1.8)

(1.21)

Hàm mục tiêu: F = 2t1+ t2 → min

(1.22)

Ràng buộc: t1,t2 ≥ 0

(1.23)

S = am t12 + am t1t2 (*)

(1.24)

S≥0

(1.25)

Giải bài toán tối ưu

Từ F = 2t1+ t2 suy ra t2 = F - 2t1

(1.26)

Thay vào (*) suy ra S = am t12 + am t1 (F - 2t1)

(1.27)

S = am t12 + F am t1 - 2 am t12

(1.28)

= F am t1 - am t12
F

(1.29)

s  amt12
s
 t1 
amt1
amt1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

(1.30)

11
F  t1 

s
amt1

(1.31)

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

(1.32)

s
am

(1.33)

s
 am s

am

(1.34)

t1  0  t1tu 

Suy ra vận tốc tối ưu:
vtu  am .t1  am

Thời gian tối ưu:
s
am
s
s
Fm  2t1  t2  2.

 2.
am
am
s
s.
am
s  am

tg  a
amin  amax

(1.35)

(1.36)

Chọn amax từ biến tương ứng với αmax
S  v.t  S ABCD

s  amt12 
S  amt12  at1t2  t2 

at1 


(1.37)
(1.38)

1.3. Phạm vi ứng dụng của động cơ tuyến tính với các máy công cụ CNC
1.3.1. Máy tiện
Máy tiện là một loại máy cắt gọt kim loại, nguyên lý làm việc chung như
sau:
+ Vật liệu gia công tròn(chuyển động chính)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN