Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Poloysolenoid (NCKH)

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
TUYẾN TÍNH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ POLYSOLENOID
Mã số: ĐH2015-TN02-05

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hồng Quang

Thái Nguyên, 2017


ii

NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
ThS. Nguyễn Hồng Quang – Khoa Điện – Trường ĐHKT Công nghiệp.
PGS.TS Nguyễn Như Hiển - Khoa Điện – Trường ĐHKT Công nghiệp.

ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp.
Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.


iii

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU ................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... viii
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................................................................... ix
MỞ ĐẦU................................................................................................................................ 1

1.Tính khoa học và cấp thiết của đề tài..........................................................1
2.Mục tiêu của đề tài ........................................................................................2
3.Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ......................................2
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH ...................................................... 4

1.1 Những đặc điểm của một hệ truyền động thẳng. ......................................4
1.1.1Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính gián tiếp: .........................5
1.1.2 Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính trực tiếp: .........................5
1.1.3 Những nhược điểm còn tồn tại trong hệ thống sử dụng động cơ tuyến
tính: ....................................................................................................................5
1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của động cơ tuyến tính ...........................6
1.2.1 Vài nét về lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính..............................6
1.2.2 Những ứng dụng của động cơ tuyến tính đã được áp dụng trong thực
tiễn......................................................................................................................7
1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính .........9
1.3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính . ..........................................9
1.3.2 Các dạng cấu tạo của động cơ tuyến tính. ........................................... 10
1.3.3 Phân loại động cơ tuyến tính................................................................ 11
CHƯƠNG 2 : ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÍCH THÍCH VĨNH CỬU DẠNG LYSOLENOID
ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG DẠNG POLYSOLENOID. ......................................... 14

2.1 Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid .................. 14
2.2 Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid .......................... 15
2.3 Khái quát về tình hình nghiên cứu về điều khiển truyền động tuyến tính
dạng Polysolenoid ở trong nước và trên thế giới.......................................... 15

2.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước: ...................................................... 15
2.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: ................................................... 15
2.3.3 Kết luận: ................................................................................................ 16
CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA ĐCTTĐB KTVC POLYSOLENOIDE ................................... 17


iv

3.1 Biểu diễn các vector không gian của động cơ hai pha tuyến tính đồng bộ
kích thích vĩnh cửu ....................................................................................... 17
3.2 Mô hình toán học động cơ 2 pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu
......................................................................................................................... 20
CHƯƠNG 4 . XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
POLYSOLENOID VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. ................................................... 23

4.1. Nguyên lý tựa phẳng và việc vận dụng cho động cơ Polysolenoid....... 23
4.1.1. Cấu trúc điều khiển.............................................................................. 25
4.1.2 Mô phỏng kiểm chứng .......................................................................... 29
4.1.3 Nhận xét: ............................................................................................... 31
4.2 Phương pháp TTHCX và vấn đề áp dụng cho động cơ tuyến tính ĐB –
KTVC .............................................................................................................. 32
4.2.1 Cấu trúc điều khiển............................................................................... 33
4.2.2 Mô phỏng kiểm chứng ......................................................................... 37
4.2.3 Nhận xét: ............................................................................................... 38
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KTVC
POLYSOLENOID ................................................................................................................ 40

5.1 Đề xuất cấu trúc bàn thí nghiệm . ........................................................ 40
5.2 Điều chế vetor không gian cho động cơ 2 pha ....................................... 40
5.3 Giới thiệu về card DSPACE1104 ............................................................ 45

5.3.1. Tổng quan về Card DS1104................................................................. 45
5.3.2. Thông tin cơ bản về Card DS1104 ...................................................... 46
5.3.3 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC ........................................................... 46
5.3.4. Giới thiệu các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế.............. 47
5.3.5. Cài đặt Card DS1104 .......................................................................... 48
5.3.5.1. Cài đặt môi trường làm việc của Card DS1104 trên matlab ....... 48
5.3.5.2. Cài đặt các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế ............... 49
5.3.6. Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa matlab-simulink và control desk... 51
5.4 Thiết kế khối driver cho van IGBT ....................................................... 53
5.5 Thiết kế mạch đo. .................................................................................... 57
5.6 Thiết kế mạch Deadtime ......................................................................... 58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 62


v
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 64


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Tạo chuyển động thẳng sử dụng đai truyền ....................................................4
Hình 1.2 Tạo chuyển động thẳng sử dụng động cơ tuyến tính.......................................4
Hình 1.3 Tạo chuyển động thẳng sử dụng trục vít .........................................................4
Hình 1.4 Các ứng dụng của động cơ tuyến tính. ............................................................7
Hình 1.5 Các ứng dụng trong một dây chuyền sử dụng động cơ tuyến tính. .................8
Hình 1.6 Hình ảnh tầu Transrapid trên đoạn đường chạy thử nghiệm ...........................9
Hình 1.7 Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính. ..................9

Hình 1.8 Single-slided linear motor. ............................................................................10
Hình 1.9 Double-slided linear motor .............................................................................10
Hình 1.10 Polysonenoid linear motor ...........................................................................11
Hình 1.11 Các biến dạng của động cơ tuyến tính.........................................................11
Hình 1.12 Động cơ tuyến tính dạng Stator dài dạng phẳng và dạng ống .....................12
Hình 1. 13 Động cơ tuyến tính dạng Stator ngắn dạng phẳng và dạng ống .................12
Hình 1.14 Phân loại động cơ tuyên tính theo nguyên lý làm việc và kết cấu hình học.12
Hình 1.15 So sánh mật độ lực của ĐCTT làm việc theo nguyên lý KĐB và ĐB .........13
Hình 2.1 Rotor của động cơ Polysolenoid ....................................................................14
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bên trong ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid ..............................14
Hình 3.1 Vector dòng Stator .........................................................................................18
Hình 3.2 Hệ tọa độ quay dq trên động cơ tuyến tính ....................................................19
Hình 3.3 Vector dòng stator trên hệ trục αβ và hệ trục dq ............................................19
Hình 3.4 Góc lệch giữa 2 trục d và  ..........................................................................19
Hình 3.5 Mô hình trạng thái ĐCTT ĐBKTVC trên hệ tọa độ dq ................................22
Hình 4.1 Cấu trúc ĐK động cơ tuyến tính polysolenoid sử dụng phương pháp phẳng 28
Hình 4.7 Kết quả mô phỏng với quỹ đạo đặt x(t)=0.1t. ...............................................30
Hình 4.8. Kết quả mô phỏng với x(t)=0.5sin(2t). ..........................................................31
Hình 4.9. Cấu trúc của đối tượng phi tuyến sau khi đã TTHCX(chuyển tọa độ trạng
thái) ................................................................................................................................32
Hình 5.1 Cấu trúc bàn thí nghiệm sử dụng động cơ Polysolenoid ................................40
Hình 5.2. Nghịch lưu 4 nhánh van cho động cơ 2 pha ..................................................41
Hình 5.3. Nghịch lưu đơn có thể chế tạo được 4 trạng thái logic, ứng với 4 vector điện
áp chuẩn : u1 (logic 10: hình a), u2 (logic 01: hình b), u0,u3 (logic 00,11) là 2 vector
có module bằng 0 (hình c,d) ..........................................................................................41
Hình 5.4. Sơ đồ bố trí các vector chuẩn trên không gian vector ...................................43
Hình 5.5. Mẫu xung điều khiển van thuộc các góc phần tư Q1-Q4 ..............................44
Hình 5.6 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC ....................................................................47
Hình 5.7: Cài đặt môi trường làm việc cho Card DS1104 ............................................49
Hình 5.8 : Hình ảnh về khối DS1104MUX_ADC ........................................................49

Hình 5.9: Hình ảnh về khối DS1104SL_DSP_PWM3..................................................50
Hình 5.10 : Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa matlab-simulink và control desk ............51
Hình 5.11. Giao diện kết nối .........................................................................................52


vii

Hình 5.12. Cổng kết nối BNC .......................................................................................52
Hình 5.13. Cổng kết nối Icremental Encoder ................................................................53
Hình 5.14. Cổng vào ra số và PWM ..............................................................................53
Hình 5.15. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. .....................................................................53
Hình 5.16. Sơ đồ khối chức năng của IR21531.............................................................54
Hình 5.17. Mạch ứng dụng HCPL 3120........................................................................55
Hình 5.18. Cấu tạo của INA129/128. ............................................................................58
Hình 5.19. Mạch deadtime ............................................................................................58
Hình 5.20 Cấu trúc tổng thể bàn thí nghiệm. ...............................................................60
Hình 5.21 Mạch Driver của bàn thí nghiệm .................................................................60
Bảng 1.1 So sánh các hệ chuyển động theo [20] (+: tốt; -: xấu) .....................................6
Bảng 1.2 Mật độ lực của ĐCTT làm việc theo các nguyên lý khác nhau. ...................13
Bảng 5.1. Giá trị logic của các vector chuẩn .................................................................42
Bảng 5.2. Các vector chuẩn cho từng sector .................................................................43
Bảng 5.3. Thông số cơ bản của IC ................................................................................54
Bảng 5.4. Thông số của IRG4BC20KD ........................................................................59


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

Lsd, Lsq

H

điện cảm stator dọc trục và ngang trục

M

kg

khối lượng rotor

us, is

V, A

ifs ,iss

A

v, ve

m/s

Rs

Ω

điện trở stator

isα, isβ

A

Thành phần dòng stator trục α, trục β

isd, isq

A

dòng điện trục dq

usd, usq

V

điện áp trục dq

uss, ufs

V

Vector us : Trên hệ tọa độ dq, αβ



mm

vector điện áp stator, dòng điện stator
vector is : Trên hệ tọa độ dq, αβ
vận tốc cơ, vận tốc điện

bước cực
số đôi cực

p
υs

rad

góc pha từ thông

Ψs, Ψp

Wb

từ thông stator và rotor

x, x0

mm

vị trí và vị trí ban đầu động cơ tuyến tính

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

ĐCTT

Động cơ tuyến tính

ĐBKTVC

Đồng bộ kích thích vĩnh cửu

T4 R

Tựa theo từ thông rotor

FOC

Điều khiển tựa từ thông rotor

SVM

Điều chế vector không gian

TTHCX

Tuyến tính hoá chính xác

ĐB-KTVC

Đồng bộ - kích thích vĩnh cửu

ĐCD

Điều chỉnh dòng

ĐC, ĐK

Điều chỉnh, điều khiển

TKTT

Tách kênh trực tiếp

PHTT

Phản hồi trạng thái

VĐK

Vi điều khiển

MIMO

Multi input – multi output


ix

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung
- Tên đề tài: Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ

Poloysolenoid.
-

Mã số: ĐH2015-TN02-05
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Hồng Quang
Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.

-

Thời gian thực hiện: từ tháng 01/năm 2015 đến tháng 12/năm 2016.

2. Mục tiêu
Mô hình hóa động cơ tuyến tính. Đề xuất 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.
Đề xuất phương pháp điều khiển phi tuyến cho cấu trúc điều khiển tách kênh trực
tiếp. Vận dụng các phương pháp điều khiển cho ĐCTT nhằm nâng cao chất lượng
động học cũng như động lực học.
Mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính. Đề xuất cấu trúc và xây dựng bàn
thí nghiệm sử dụng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết với động cơ
Polysolenoid.
3. Tính mới và sáng tạo
- Với nguồn tham khảo là các bài báo và luận văn được lưu trữ tại thư viện quốc
gia Việt Nam thì chưa có công trình nào trong nước nghiên cứu về điều khiển truyền
động tuyến tính dạng Polysolenoid được thực hiện.
- Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về các phương pháp điều khiển cho động cơ tuyến
tính dạng Polysolenoid. Xây dựng được mô toán học và đề xuất các phương pháp điều
khiển phi tuyến cho động cơ Polysolenoid. Các kết quả được cụ thể trong các công bố
bài báo trên tạp chí quốc tế. Đề xuất cấu trúc và xây dựng thành công bàn thí nghiệm
sử dụng động cơ tuyến tính Polysolenoid.
4. Kết quả nghiên cứu

- Đã xây dựng được mô tả toán học cho động cơ Polysolenoid
- Nghiên cứu và phát triển thuật toán điều khiển cho hệ phi tuyến nhiều vào nhiều
ra có ảnh hưởng xen kênh lớn.
- Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ Polysolenoid.
-

Mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính.


x

-

Xây dựng bàn thí nghiệm thiết bị thực.

-

Tiến hành thí nghiệm trên thiết bị thực để chứng minh tính đúng đắn của thuật
toán điều khiển.

5. Sản phẩm
5.1 . Sản phẩm khoa học
(1) Quang NH, Nam DP, Ty NT, Hung NM, Hien NN, Tan VD (2016), “Flatness
Based Control Structure for Polysolenoid Permanent Stimulation Linear
Motors”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering
(SSRG-IJEEE), Volume 03 Issue 12, pp. 57-63.
(2) Quang NH, Nam DP, Hung NM, Hien NN, Ty NT, Chi NP (2017), “Design an

Exact Linearization Controller for Permanent Stimulation Synchronous Linear
Motor Polysolenoid”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics

Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 04 Issue 1, pp. 7-12.
5.2 . Sản phẩm đào tạo
Sản phẩm đào tạo gồm 2 luận văn thạc sĩ và 2 đồ án tốt nghiệp sinh viên. Cụ thể
như sau:
(1) Phan Trọng Đạt (2015), Thiết kế bộ điều khiển cho hệ truyền động tuyến tính sử
dụng động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, Đề tài luận văn
thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
(2) Nguyễn Ngọc Liêm (2016), Thiết kế điều khiển tách kênh cho truyền động
tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, Đề tài luận văn thạc sĩ ngành
Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
(3) Trần Phúc Huy (2016), Mô hình hóa mô phỏng động cơ Polysolenoid, Đồ án tốt
nghiệp ngành Tự Động Hóa.
(4) Triệu Đình Thắng (2016), Xây dựng nguyên lý bàn thí nghiệm động cơ
Polysolenoid, Đồ án tốt nghiệp ngành Tự Động Hóa.
5.3 . Sản phẩm ứng dụng
- Chương trình mô phỏng hệ thống.
- Thuật toán điều khiển.
- Bàn thí nghiệm sử dụng động cơ tuyến tính dạng Polysolenoid.
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại
của kết quả nghiên cứu
- Kết quả của đề tài là hệ thống thiết bị thí nghiệm thực dùng làm bàn thí nghiệm
cho môn học điện tử công suất, truyền động điện tại trường đại học kỹ thuật
công nghiệp.


xi

-

Kết quả của đề tài là tài liệu hữu ích cho học viên cao học, sinh viên ngành kỹ

thuật điều khiển và tự động hóa, kỹ thuật điện, điện tử.

-

Hướng phát triển của đề tài được dùng để hướng dẫn tối thiểu 04 đề tài cho học
viên cao học.

-

Trên cơ sở của hệ thống thiết bị thí nghiệm đã có kết hợp với các phương pháp điều
khiển phi tuyến khác có thể cụ thể thành các công bố khoa học quốc tế tiếp theo.
Xác nhận của tổ chức chủ trì
KT. HIỆU TRƯỞNG
PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS.TS. Vũ Ngọc Pi

Chủ nhiệm đề tài

Nguyễn Hồng Quang


xii

RESEARCH RESULTS
1. General information
-

Project title: “ Research on a linear motion control system using Polysolenoid
motors”.

-

Code number: ĐH2015-TN02-05
Project director: M.Sc. Nguyen Hong Quang
Organization: TNU- Thai Nguyen University of Technology
Duration: from January 2015 to December 2016

2. Objectives
- Modeling linear motors. Proposing a coordinate transformation method using
mathematical description in order to utilize a direct channel separation (decoupling) in
control structure.
- Introducing a nonlinear control method for the structure of direct channel
separation. Applying these methods to linear motors aims at improving the quality of
the kinetics and the dynamics.
- Undertaking simulations and verifications on computers.
- Designing system and experimental test bench to validate results obtained
from theoretical research with Polysolenoid motors.
3. Creativeness and innovativeness
- With bibliography of research work in Vietnam National Library, the study on
linear motion controllers using Poloysolenoid motors has not been mentioned yet.
- An overview of studies on control measures for linear motors with
Polysolenoid type is written in this project. Mathematical models and non-linear
control methods for Polysolenoid motor is proposed. The results are collected and
published in international journals. Design and implementation of an experimental
table useing linear Polysolenoid motor is done.

4. Research results
- Constructing mathematical model of Polysolenoid motors.
- Studying and developing a control algorithm of nonlinear MIMO system with

huge coupling effects.


xiii

- Designing controllers for Polysolenoid motors.
- Simulating and checking results on the computer.
- Building a real experimental test bench.
- Undertaking experiments on the real system to verify workability of the
control algorithm.
5. Products

5.1. Scientific product
(1) Quang NH, Nam DP, Ty NT, Hung NM, Hien NN, Tan VD (2016), “Flatness

Based Control Structure for Polysolenoid Permanent Stimulation Linear
Motors”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering
(SSRG-IJEEE), Volume 03 Issue 12, pp. 57-63.
(2) Quang NH, Nam DP, Hung NM, Hien NN, Ty NT, Chi NP (2017), “Design an
Exact Linearization Controller for Permanent Stimulation Synchronous Linear
Motor Polysolenoid”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics
Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 04 Issue 1, pp. 7-12.
5.2. Academic product
Academic products include two master theses and two final projects of students,
as follows:
(1) Phan Trong Đat (2015), Design of controller for linear drive system using
Polysolenoid linear motor, Thesis topic in Automation and control engineering.
(2) Nguyen Ngoc Liem (2016), Decoupling control design for the drive system
using Polysolenoid linear motor, Thesis topic in Automation and control
engineering.

(3) Tran Phuc Huy (2016), Modelling and simulation of Polysolenoid linear motor,
Final project in Automation and control engineering.
(4) Trieu Đinh Thang (2016), Building of Polysolenoid linear motor experimental
system, Final project in Automation and control engineering.
5.3. Applied product

- A stimulation system.
- A controlling algorithm.
- An experimental test bench.


xiv

6. Transfer alternatives, applications, impacts and benefits of research results
- The result of this project is an experimental system used for some courses
such as power electronics and electric drive systems.
- The project contents are useful postgraduates, undergraduates majoring in
control engineering and automation, electrical and electronics engineering.
- The development orientation of the project is to have at least 04 master thesis topics.
- A combination between the installed experimental system and other nonlinear
control methods would lead to other future international publications.


1

MỞ ĐẦU
Truyền động điện có vai trò vô cùng quan trọng trong tất cả các nghành công
nghiệp, chúng tạo thành các thành phần cốt lõi của máy móc ở các nhà máy. Các hệ
thống truyền động điện với nhiệm vụ tham gia thực hiện các công đoạn của quá trình
công nghệ. Trong đó phần tử trung tâm không thể thiếu được trong các hệ thống

truyền động điện chính là động cơ điện. Các loại động cơ được sử dụng trong hệ thống
truyền động điện rất đa dạng có thể được kể ra ở đây như động cơ một chiều (ĐCMC),
động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), động cơ bước, động cơ servo,… Với sự phát triển
của khoa học công nghệ các dây chuyền công nghệ lắp ráp tự động ngày càng trở nên
linh hoạt, yêu cầu cao về độ chính xác vị trí, tốc độ và tác động nhanh. Sự xuất hiện
của tay máy Robot, máy nâng hạ, máy công cụ kỹ thuật số CNC trong các dây chuyền
đã trở thành một điều tất yếu. Chính điều đó đã thúc đẩy truyền động điện phải quan
tâm tới một dạng chuyển động mới không còn bó buộc trong chuyển động quay tròn
truyền thống nữa đó chính là truyền động thẳng. Động cơ Polysolenoid là động cơ
tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu với kết cấu hình ống. Việc nghiên cứu nó
không thể tách rời được với những tính chất cơ bản của động cơ tuyến tính đã được
nghiên cứu phát triển.
1. Tính khoa học và cấp thiết của đề tài
Chuyển động tuyến tính là một dạng chuyển động được gặp nhiều trong đời
sống và công nghiệp. Ở dải công suất lớn chúng hiện diện trong cơ cấu truyền động
dùng trong các phương tiện giao thông như tàu điện. Trong dải công suất trung bình và
nhỏ nó được ứng dụng trong 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
yêu cầu cao về độ chính xác vị trí, tốc độ và tác động nhanh.
Khi sử dụng động cơ tuyến tính hệ thống sẽ khắc phục được những nhược điểm
của phương pháp tạo chuyển động tuyến tính gián tiếp. Được thể hiện trong những mặt
sau: Đơn giản về mặt kết cấu cơ khí do loại bỏ được các phần tử trung gian do đó giảm
được chi phí bảo dưỡng vận hành. Hiệu suất của hệ thống được nâng cao do vậy độ
chính xác của hệ cũng nâng lên. Đặc tính động học của hệ được nâng cao, loại được
các dao động riêng của các phần tử trung gian.
Động cơ tuyến tính đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới song
tại Việt Nam vấn đề này mới được đề cấp tới trong một vài năm gần đây. Để vận dụng
được động cơ tuyến tính trong thực tiễn công nghiệp thì việc tìm hiểu nguyên lý làm
việc, nắm vững được kỹ thuật vận hành là điều cần được trang bị cho những người làm
về truyền động điện và tự động hóa.

Với các hệ thống động cơ tuyến tính được thương mại hóa thì tổng thể của một
hệ thống được chia làm 3 phần: động cơ, driver, phần mềm điều khiển. Trong tổng thể


2

phân bố về chi phí thì phần driver và phần mềm điều khiển chiếm đến 60% giá thành
của một hệ thống (động cơ thường được trợ giá với chi phí tương đối sát giá trị sử
dụng). Các hệ thống thương mại có tính chất đóng, khi sử dụng các sản phẩm driver
thương mại có sẵn thì người làm nghiên cứu cũng như sinh viên không thể cài đặt
được các thuật toán điều khiển động cơ của mình, không thể kiểm tra được đáp ứng
của các mạch vòng điều khiển cũng như thay đổi được chế độ vận hành.
Mục tiêu được đặt ra của đề tài “Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến
tính sử dụng động cơ polysolenoid” là xây dựng được hệ thống driver và làm chủ
phần mềm điều khiển của một hệ thống thí nghiệm động cơ tuyến tính với mục đích
thay thế phần driver và phần mềm điều khiển của hãng.
Về mặt khoa học: Ý nghĩa của đề tài đem lại sẽ loại bỏ được những hạn chế
trong driver thương mại làm chủ công nghệ có thể can thiệp sâu vào cấu trúc điều
khiển. Điều đó giúp cho những người nghiên cứu, sinh viên nắm bắt được cấu trúc
điều khiển cũng như có thể nghiên cứu phát triển và triển khai các cấu trúc điều khiển.
Về mặt kinh tế: Làm giảm giá thành của một hệ thống sử dụng động cơ tuyến
tính khi đưa vào sản xuất. Dễ dàng sửa chữa, nâng cấp cho hệ thống.
2. Mục tiêu của đề tài
Mô hình hóa động cơ Polysolenoid
Nghiên cứu và phát triển thuật toán điều khiển cho hệ phi tuyến nhiều vào nhiều
ra có ảnh hưởng xen kênh lớn.
Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ Polysolenoid
Mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính.
Xây dựng mô hình thực bàn thí nghiệm .
Tiến hành vận hành bàn thí nghiệm, áp dụng các thuật toán điều khiển.

3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
Động cơ Polysolenoid kích thích vĩnh cửu và các hệ thống chuyển động tuyến tính
sử dụng ĐCTT Polysolenoid .
-

Phạm vi nghiên cứu:

Phân tích và làm rõ ưu nhược điểm của hệ tạo chuyển động tuyến tính gián tiếp và
trực tiếp từ đó lựa chọn phương pháp trực tiếp làm phương án truyền động.
Xây dựng mô tả toán học cho động cơ Polysolenoid kích thích vĩnh cửu


3

Phân tích các phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ thống truyền động
tuyến tính sử dụng động cơ Polysolenoid kích thích vĩnh cửu.
Tiến hành thực nghiệm trên thiết bị thực.
-

Phương pháp nghiên cứu:

Từ những nghiên cứu về các phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính, phân tích
tìm ra ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó đánh giá được phương pháp điều
khiển phù hợp nhất với đặc điểm riêng của động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu
dạng Polysolenoid.
Nghiên cứu trong tài liệu (từ các sách, bài báo, tạp chí khoa học...). Thừa kế, tham
khảo các kết quả nghiên cứu gần và có liên quan.
Tham gia các diễn đàn, hội thảo khoa học trong và ngoài nước, trao đổi các ý tưởng
và kết quả nghiên cứu với các nhà khoa học trong và ngoài nước.

Thử nghiệm trên mô hình hoá bằng máy tính và trên thiết bị thực tế.


4

CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
1.1. Những đặc điểm c���t. Cấu trúc bàn thí nghiệm của đề tài được đề xuất như sau.

Hình 5.1 Cấu trúc bàn thí nghiệm sử dụng động cơ Polysolenoid
5.2 Điều chế vetor không gian cho động cơ 2 pha
Có một vài phương án đã được sử dụng cho điều chế điện áp cho động cơ 2 pha,
thực chất là điều chế 2 vector điện áp lệch nhau 90 độ điện, trong đề tài này đã thử
nghiệm phương án dùng mạch nghịch lưu 4 nhánh van.


41
+

V1

V3

V5

V7

V2

V4

V6

V8

-

1+

1-

2+

2-

Hình 5.2. Nghịch lưu 4 nhánh van cho động cơ 2 pha
Bước 1: Xác định các vector chuẩn
Để điều khiển 2 nghịch lưu 1 pha như đã phân tích ở trên ta sử dụng phương
pháp điều chế vector điện áp đơn cực (Unipolar Vector Modulation). Ta định nghĩa
trạng thái logic của hai điểm A, B (hai cực của cuộn dây sơ cấp biến thế) là 1 khi
chúng được nối với thế năng dương, là 0 khi chúng được nối với thế năng âm của
mạch DC. Khi ấy, một nghịch lưu đơn với 2 nhánh van có thể tạo được 22=4 trạng thái
lôgic với các dạng sơ đồ mạch minh họa ở hình 5.3.
b)
+

+

UDC

A

B

UDC

Trạng thái logic
của mạch:10

A

B
Trạng thái logic
của mạch:01

-

-

c)

d)
+

UDC

+

A

B

UDC

Trạng thái logic
của mạch:11

-

A

B
Trạng thái logic
của mạch:00

-

Hình 5.3. Nghịch lưu đơn có thể chế tạo được 4 trạng thái logic, ứng với 4 vector điện
áp chuẩn : u1 (logic 10: hình a), u2 (logic 01: hình b), u0,u3 (logic 00,11) là 2 vector
có module bằng 0 (hình c,d)


42

Do đó với 2 mạch nghịch lưu như vậy, ta có thể điều chế được tối đa 4x4=16
vector chuẩn.
Bảng 5.1 Giá trị logic của các vector chuẩn
A

B

C

D

uα=uAB

uβ=uCD

V1

0

0

0

0

0

0

V2

1

1

0

0

0

0

V3

1

1

1

1

0

0

V4

0

0

1

1

0

0

V5

1

0

1

1

Udc

0

V6

1

0

0

0

Udc

0

V7

0

1

1

1

- Udc

0

V8

0

1

0

0

- Udc

0

V9

0

0

1

0

0

Udc

V10

1

1

1

0

0

Udc

V11

0

0

0

1

0

- Udc

V12

1

1

0

1

0

- Udc

V13

1

0

1

0

Udc/2

Udc/2

V14

1

0

0

1

Udc/2

- Udc/2

V15

0

1

1

0

- Udc/2

Udc/2

V16

0

1

0

1

- Udc/2

- Udc/2

Trong 16 vector trên, ta chỉ sử dụng 5 vector được bôi đen phía trên. Việc lựa
chọn 5 vector trên dựa trên nguyên tắc tối thiểu số lần thay đổi trạng thái logic của các
cực cuộn dây.


43

up

us
us u
t

u0

Hình 5.4. Sơ đồ bố trí các vector chuẩn trên không gian vector
Bước 2 : Xác định vị trí của 1 vector bất kỳ và tính tỉ số điều biến
Từ hình vẽ ta có thể thấy với một vector bất kỳ

u0  u  ju  e j0 u0

sẽ xác

định được sector ( với các vector biên chuẩn được lựa chọn theo bảng) chứa nó dựa
vào góc

0 .
Bảng 5.2 Các vector chuẩn cho từng sector

Quarter

ABCD

u1

u2

u1

u2

u0

Q1

1000

1110

1100

Udc

Udc

Q2

0100

1110

1100

-Udc

Udc

Q3

0100

1101

1100

-Udc

-Udc

Q4

1000

1101

1100

Udc

-Udc

Tỉ số điều biến được tính như sau:


44


u0 cos(0 )

d1 
U dc


u0 sin( 0 )

(5.1)
d 2 
U
dc

d  1  d  d
1
2
 0



Tương ứng ta có thời gian điều chế từng nhánh van là:


u0 cos(0 )
Tpuls
T1 
U
dc


u0 sin(0 )
Tpuls (5.2)

T2 
U dc

T  T  T  T
puls
1
2
 0

Trong đó Tpuls là chu kỳ điều chế PWM
Sơ đồ mô tả xung tác động đến các van nghịch lưu khi vector điều chế nằm trong từng
góc phần tư:

Hình 5.5 Mẫu xung điều khiển van thuộc các góc phần tư Q1-Q4


45

5.3 Giới thiệu về card DSPACE1104
5.3.1. Tổng quan về Card DS1104
DS1104 là Card điều khiển số do hãng dSPACE sản xuất dựa trên bộ xử lý tín
hiệu số DSP (Digital Signal Processor) dấu phẩy động (floating-point) thế hệ thứ ba,
họ TMS320Cxx của hãng Texas Instruments (Mỹ). DS1104 được thiết kế đặc biệt để
phát triển các bộ điều khiển số đa biến tốc độ cao và mô phỏng thời gian thực. Bộ xử
lý tín hiệu số được bổ sung thêm một loạt thiết bị ngoại vi thường được sử dụng trong
các hệ thống điều khiển số. Các bộ biến đổi tương tự-số và số-tương tự, một bộ xử lý
tín hiệu số dựa trên các hệ con vào ra số và các giao diện cảm biến so lệch
(incremental sensor) làm cho Card DS1104 trở thành một giải pháp bo mạch đơn lý
tưởng, có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tế.
DS1104 là Card được thiết kế theo chuẩn PC/AT, do đó nó có thể cắm vào máy

tính qua cổng mở rộng ISA. Nó cũng có thể gắn vào hộp mở rộng dSPACE giao tiếp
với máy tính. Nghiên cứu và khai thác Card này có thể ứng dụng trong các lĩnh vực:
-

Điều khiển Robot.

-

Điều khiển các cơ cấu chấp hành bằng điện và thuỷ lực.

-

Điều khiển servo các truyền động ổ đĩa (disk drive).

-

Điều khiển truyền động điện.

-

Điều khiển các phương tiện cơ giới.

-

Điều khiển trấn động tích cực.

-

Điều khiển trong các máy CNC

Nó cũng rất thích hợp cho các tác vụ có liên quan đến xử lý tín hiệu số nói chung.
Bằng cách sử dụng Card DS1104 kết nối với máy tính và phần mềm Matlab, Control
Desk để tạo ra hệ điều khiển thực với các chức năng: tổng hợp tín hiệu (số, tương tự);
bộ điều khiển số (PID, các bộ điều khiển thông minh); biến đổi tín hiệu điều khiển
tương thích với các bộ biển đổi năng lượng thông dụng (xung điện áp, chỉnh lưu có
điều khiển, nghịch lưu). Đây là hệ điều khiển thời gian thực được xây dựng thuận tiện
nhất cùng với các bộ biến đổi công suất và đối tượng điều khiển đã được xác định.


46

5.3.2 Thông tin cơ bản về Card DS1104
Bộ xử lý chính: MPC8240, PowerPC 603e core, 250MHZ, 32 kByte internal
cache.
Timer: Một bộ timer tính mẫu, một đếm lùi 32 bit, 4 bộ timer 32 bit dùng
chung, 64 bit cho do thời gian.
Bộ nhớ: 32 Mbyte RAM DRAM, SDRAM, 8 Mbyte bộ nhớ Flash cho các ứng
dụng.
Các ngắt điều khiển: Các ngắt bởi timer, giao tiếp nối tiếp, DSP tớ, encoder
đếm tăng, ADC, PC chủ, 4 đầu vào từ bên ngoài, ngắt PWM.
Đầu vào tương tự: 4 kênh ADC 16 bit, dải điện áp đầu vào +/- 10V, thời gian
trích mẫu 2us. 4 kênh ADC 12 bit, dải điện áp đầu vào +/- 10V, thời gian trích mầu
800ns.
Đầu ra tương tự: 8 kênh DAC 16 bit, dải điện áp đầu ra +/- 10V, thời gian ổn
định max 10us.
Encoder đếm tăng: 2 đầu vào số (TTL hoặc RS422), độ phân giải 24 bit, tần số
xung max đầu vào 1.65 MHz, nguồn sensor 5V/0.5A.
Vào/ra số: vào ra số 20 bit, dòng ra 5Ma.
Giao tiếp: RS232, RS485, RS422, DSP tớ, DSP TMS320F240, RAM 4kWord,
3 pha đầu ra PWM, 4 đầu ra đơn PWM.

5.3.3 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC
Sơ đồ giao tiếp này cho ta biết đầy đủ thông tin về Card DS1104 cũng như cách
ghép nối giữa Card DS1104 và PC.


47

PCI BUS

PC

DS1104
PWM
1 x 3Phase
4 x 1Phase
32 Mbytes
SDRAM

PCI Interface
Interrupt Control Units
Timers
Memory Controller
Power PC 603e

8 MB Flash
Memory

TMS320F240
DSP

4 Capture
inputs

Dual Port
RAM

Serial
Peripherial
Interface

24 Bit I/O Bus
Digital I/O
14 Bits

ADC
4 ch. 16 bit
4 ch. 16 bit

DAC
8 Channels
16 bit

Incremental
encoder
2 channels

Digital I/O
20 Bits

Serial interface

RS232/RS485
RS422

Hình 5.6 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC
5.3.4 Giới thiệu các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế
a. ADC
DS1104 có hai loại ADC (Analog to Digital Converter-Bộ chuyển đổi tương
tự/số):
Hai bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 16-bit có tần số lấy mẫu là 500 KHz.
Hai bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 12 bit có tần số lấy mẫu là 1250 KHz.
Điện áp đầu vào là ±10V, tất cả các đường trở về đều phải nối đất. Để tránh các
vòng lặp đất (ground loops) nên sử dụng các đường trở về riêng biệt cho tất cả các cảm
biến và điểm đất của các cảm biến nên được cách ly với nhau.