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

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TÓM TẮT
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 .................................................................................... v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ vii
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................................................... viii
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. ......Error! Bookmark not
defined.
1.1.1Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính gián tiếp:Error! Bookmark
not defined.
1.1.2 Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính trực tiếp:Error! Bookmark
not defined.
1.1.3 Những nhược điểm còn tồn tại trong hệ thống sử dụng động cơ tuyến
tính: ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của động cơ tuyến tính . Error! Bookmark
not defined.
1.2.1 Vài nét về lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính.... Error! Bookmark
not defined.
1.2.2 Những ứng dụng của động cơ tuyến tính đã được áp dụng trong thực
tiễn....................................................................... Error! Bookmark not defined.
1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính . Error!
Bookmark not defined.
1.3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính . ..........Error! Bookmark not
defined.
1.3.2 Các dạng cấu tạo của động cơ tuyến tính. Error! Bookmark not defined.
1.3.3 Phân loại động cơ tuyến tính.................... Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 2 : ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÍCH THÍCH VĨNH CỬU DẠNG LYSOLENOID
ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG DẠNG POLYSOLENOID. ........................................... 8

2.1 Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid .....................8
2.2 Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid .............................8


iv

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.............................................8
2.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước: .......... Error! Bookmark not defined.
2.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: ....... Error! Bookmark not defined.
2.3.3 Kết luận: ...................................................................................................8
CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH HÓA ĐCTTĐB KTVC POLYSOLENOIDE ..................................... 9

3.1 Biểu diễn các vector không gian của động cơ hai pha tuyến tính đồng
bộ kích thích vĩnh cửu ....................................................................................9
3.2 Mô hình toán học động cơ 2 pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu
............................................................................................................................9
CHƯƠNG 4 . XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
POLYSOLENOID VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. ................................................... 11

4.1. Nguyên lý tựa phẳng và việc vận dụng cho động cơ Polysolenoid....... 11
4.1.1. Cấu trúc điều khiển.................................. Error! Bookmark not defined.
4.1.2 Mô phỏng kiểm chứng .............................. Error! Bookmark not defined.
4.1.3 Nhận xét: ................................................... Error! Bookmark not defined.
4.2 Phương pháp TTHCX và vấn đề áp dụng cho động cơ tuyến tính ĐB –
KTVC .............................................................................................................. 11
4.2.1 Cấu trúc điều khiển................................... Error! Bookmark not defined.

4.2.2 Mô phỏng kiểm chứng ............................. Error! Bookmark not defined.
4.2.3 Nhận xét: ................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KTVC
POLYSOLENOID ................................................................................................................ 12

5.1 Đề xuất cấu trúc bàn thí nghiệm . ........................................................ 12
5.2 Điều chế vetor không gian cho động cơ 2 pha ....................................... 12
5.3 Giới thiệu về card DSPACE1104 ............................................................ 13
5.3.1. Tổng quan về Card DS1104..................... Error! Bookmark not defined.
5.3.2. Thông tin cơ bản về Card DS1104 ........ Error! Bookmark not defined.
5.3.3 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC ............... Error! Bookmark not defined.
5.3.4. Giới thiệu các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế......... Error!
Bookmark not defined.
5.3.5. Cài đặt Card DS1104 .............................. Error! Bookmark not defined.
5.3.5.1. Cài đặt môi trường làm việc của Card DS1104 trên matlab .. Error!
Bookmark not defined.


v

5.3.5.2. Cài đặt các khối điều khiển được sử dụng trong thiết kế .......... Error!
Bookmark not defined.
5.3.6. Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa matlab-simulink và control desk
............................................................................. Error! Bookmark not defined.
5.4 Thiết kế khối driver cho van IGBT ....................................................... 13
5.5 Thiết kế mạch đo. .................................................................................... 13
5.6 Thiết kế mạch Deadtime ......................................................................... 13
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 15

DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Tạo chuyển động thẳng sử dụng đai truyền .. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2 Tạo chuyển động thẳng sử dụng động cơ tuyến tính... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.3 Tạo chuyển động thẳng sử dụng trục vít ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4 Các ứng dụng của động cơ tuyến tính. .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5 Các ứng dụng trong một dây chuyền sử dụng động cơ tuyến tính. ....... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.6: Hình ảnh tầu Transrapid trên đoạn đường chạy thử nghiệm ................. Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.7 Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính. ........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.8 Single-slided linear motor. ............................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9 Double-slided linear motor ............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.10 Polysonenoid linear motor ........................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11: Các biến dạng của động cơ tuyến tính ........ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.12. Động cơ tuyến tính dạng Stator dài dạng phẳng và dạng ống ............ Error!
Bookmark not defined.
Hình 1. 13. Động cơ tuyến tính dạng Stator ngắn dạng phẳng và dạng ống ......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.14 Phân loại động cơ tuyên tính theo nguyên lý làm việc và kết cấu hình học.
....................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.15: So sánh mật độ lực của ĐCTT làm việc theo nguyên lý KĐB và ĐB Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.1 Rotor của động cơ Polysolenoid ......................................................................8
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bên trong ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid ................................8
Hình 3.1 Vector dòng Stator ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2 Hệ tọa độ quay dq trên động cơ tuyến tính .... Error! Bookmark not defined.

vi

Hình 3.3 Vector dòng stator trên hệ trục αβ và hệ trục dq .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.4 Góc lệch giữa 2 trục d và  .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5 Mô hình trạng thái ĐCTT ĐBKTVC trên hệ tọa độ dq ..... Error! Bookmark
not defined.
Hình 4.1 Cấu trúc ĐK động cơ tuyến tính polysolenoid sử dụng phương pháp phẳng 11
Hình 4.7 Kết quả mô phỏng với quỹ đạo đặt x(t)=0.1t.Error! Bookmark not defined.
Hình 4.8. Kết quả mô phỏng với x(t)=0.5sin(2t). .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.9. Cấu trúc của đối tượng phi tuyến sau khi đã TTHCX(chuyển tọa độ trạng
thái) ................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 5.1 Cấu trúc bàn thí nghiệm sử dụng động cơ Polysolenoid ................................12
Hình 5.2. Nghịch lưu 4 nhánh van cho động cơ 2 pha .. Error! Bookmark not defined.
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) .......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.4. Sơ đồ bố trí các vector chuẩn trên không gian vector . Error! Bookmark not
defined.
Hình 5.5. Mẫu xung điều khiển van thuộc các góc phần tư Q1-Q4 ... Error! Bookmark
not defined.
Hình 5.6 Sơ đồ giao tiếp giữa DSP và PC .................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.7: Cài đặt môi trường làm việc cho Card DS1104 .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 5.8 : Hình ảnh về khối DS1104MUX_ADC ........ Error! Bookmark not defined.
Hình 5.9: Hình ảnh về khối DS1104SL_DSP_PWM3.. Error! Bookmark not defined.
Hình 5.10 : Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa matlab-simulink và control desk .... Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.11. Giao diện kết nối ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.12. Cổng kết nối BNC ....................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 5.13. Cổng kết nối Icremental Encoder ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 5.14. Cổng vào ra số và PWM .............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 5.15. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.16. Sơ đồ khối chức năng của IR21531............. Error! Bookmark not defined.
Hình 5.17. Mạch ứng dụng HCPL 3120........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 5.18. Cấu tạo của INA129/128. ............................ Error! Bookmark not defined.
Hình 5.19. Mạch deadtime ............................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 5.20 Cấu trúc tổng thể bàn thí nghiệm. ...............................................................14
Hình 5.21 Mạch Driver của bàn thí nghiệm .................................................................14
Bảng 1.1 So sánh các hệ chuyển động theo [20] (+: tốt; -: xấu) . Error! Bookmark not
defined.
Bảng 1.2 Mật độ lực của ĐCTT làm việc theo các nguyên lý khác nhau. ........... Error!
Bookmark not defined.


vii

Bảng 5.1. Giá trị logic của các vector chuẩn ................. Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.2. Các vector chuẩn cho từng sector ................. Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.3. Thông số cơ bản của IC ................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.4. Thông số của IRG4BC20KD ........................ Error! Bookmark not defined.


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
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.


2

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
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 của một hệ truyền động thẳng
Để tạo ra truyền động thẳng cho các đối tượng công nghệ có hai phương pháp

là phương pháp gián tiếp và phương pháp trực tiếp

Hình 1.1. Tạo chuyển động thẳng sử dụng đai truyền

Hình 1.2. Tạo chuyển động thẳng sử dụng trục vít

Hình 1.3. Tạo chuyển động thẳng sử dụng động cơ tuyến tính


5

1.1.1. Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính gián tiếp
Nguồn động lực được sử dụng ở đây là các động cơ quay tròn. Để tạo ra chuyển
động thẳng đưa tới cơ cấu sản xuất thông qua các phần tử cơ khí trung gian như (đai
truyền, hộp số, trục vít,…) do vậy nó tồn tại những nhược điểm đáng kể
- Kết cấu cơ khí phức tạp do tồn tại các phần tử trung gian, độ chính xác của hệ
thống thấp do sai số tích lũy của các phần tử có trong toàn hệ thống,
- Hiệu suất của hệ thống thấp.
- Khả năng động học của hệ thống thấp do tồn tại những dao động riêng của các
phần tử trung gian.
1.1.2. Phương pháp tạo ra chuyển động tuyến tính trực tiếp:
Ở phương pháp này động cơ tuyến tính được sử dụng để tạo ra chuyển động
thẳng trực tiếp. 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.
- Tăng được giới hạn trên về lực đẩy và gia tốc.
- Ít gây ồn khi làm việc, bảo dưỡng cũng dễ dàng hơn, tuổi thọ trung bình dài
hơn.
1.1.3. Những nhược điểm còn tồn tại trong hệ thống sử dụng động cơ tuyến tính:
- Giải pháp làm mát phức tạp.
- Khó chuẩn hóa (thường được sử dụng trong các máy chuyên dụng) nên hệ
thống có giá thành cao.
1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của động cơ tuyến tính
1.2.1. Vài nét về lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính
1.2.2. Những ứng dụng của động cơ tuyến tính đã được áp dụng trong thực tiễn


6
Các ứng dụng của động cơ
tuyến tính

Công nghiệp bán
dẫn và điện tử

Định vị tấm bán
dẫn, điều chỉnh và
vận chuyển, đặt
microchip lên bảng
mạch in

Robot
Công nghiệp

Hệ thống chuyển

động, phanh hãm.

Kỹ thuật máy tính

Hệ thống giao
thông

Máy quét, máy in.

High-speed
transport: tàu cao
tốc, xe điện nhanh
Metro

Factory transport
systems: hệ thống
khí nén, hệ thống
chuyển động linh
hoạt.

Thiết bị y tế

Máy công cụ

Thiết bị bảo vệ và kiểm
soát hệ thống điện

Máy cắt kính, thiết
bị đo dung tích
phổi, kính hiển vi

có độ chính xác cao

Máy cắt laser, máy
đo phối hợp đa
trục….

Máy cắt cao áp, thiết
bị đóng cắt đường dây
phân phối tự động

Hệ thống định
lượng: đóng gói,
sắp xếp, phân loại.

Hệ thống nâng hạ:
Thang máy, cầu
trục.

Hình 1.4. Các ứng dụng của động cơ tuyến tính

Hình 1.5. Các ứng dụng trong một dây chuyền sử dụng động cơ tuyến tính
Các động cơ tuyến tính khi được kết hợp vào modul, chúng được kết hợp một
cách nhanh chóng để tạo thành một hệ thống chuyển động đa trục. Việc can thiệp vào


7

dây chuyền cũng như tùy chỉnh quá trình công nghệ sẽ trở nên đơn giản hơn khi các
động cơ được kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm.
Ngoài những ứng dụng trong các hệ thống máy móc trong công nghiệp động cơ

tuyến tính được quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực giao thông vận tải tại các nước phát
triển. 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 đệm từ sử dụng động cơ truyền động thẳng giữa sân bay và trung
tâm Thượng Hải có tốc độ 500 km/giờ. Tàu đệm từ HSST Limo line ở Aichi Nhật bản
năm 2005.

Hình 1.6. Hình ảnh tầu Transrapid trên đoạn đường chạy thử nghiệm
1.3. Cấu tạo, nguyên lý làm việc và cách phân loại động cơ tuyến tính


8

CHƯƠNG 2. ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÍCH THÍCH VĨNH CỬU DẠNG
LYSOLENOID ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG DẠNG POLYSOLENOID
2.1. Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid

Hình 2.1. Rotor của động cơ Polysolenoid
Rotor động cơ quay(a)
Rotor được cắt và trải ra từ (a)
Rotor được cuộn lại từ (b)

Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bên trong ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid
2.2. Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid
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
2.3.3. Kết luận

9

CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA ĐCTTĐB KTVC POLYSOLENOIDE

3.1. Biểu diễn các vector không gian của động cơ hai pha tuyến tính đồng bộ kích
thích vĩnh cửu
3.2. Mô hình toán học động cơ 2 pha tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Phương trình điện áp stator
d s
us  Rs .is 
(3.8)
dt
ψs gồm 2 thành phần là ψsd và ψsq :


ψsd  Lsd .isd  ψ p
(3.9)

ψ

L
.
i

sq sq
 sq
Suy ra :

disd

usd  Rs .isd  Lsd dt  s .Lsq .isq
(3.10)

di
sq
u  R .i  L
 s .Lsd .isd  s . p
s sq
sq
 sq
dt
 disd
Rs
1
2. .v Lsq
 dt   L .isd  L .usd   . L .isq
sd

sd
sd

(3.11)
 disq   Rs .i  1 .u  2. .v . Lsd .i  2. .v . p
sq
sq
sd
 dt
Lsq

Lsq
 Lsq
 Lsq

3.3. Thiết lập phương trình tính lực đẩy của động cơ
Năng lượng đưa vào 2 pha của 2 cuộn dây stator:
pin  u A .iA  uB .iB  usd .isd  usq .isq (3.12)

 usd .isd  usq .isq  Rs .isd 2  Lsd .isd

di 2. .v
disd
 Rs .isq 2  Lsq .isq sq 
isq [( Lsd  Lsq )isd + p ]
dt
dt


Dễ thấy thành phần cuối đặc trưng cho năng lượng điện từ đi vào 2 pha của động cơ.

pdt 

2. .v
isq [( Lsd  Lsq )isd + p ]


(3.13)

Với ĐCTT 2 pha p đôi cực,ta có :

F  p.

pdt
2. .v
 p.
isq [(Lsd  Lsq )isd + p ]
v
.v

(3.14)


10

Hay

F p

2.



isq [(Lsd  Lsq )isd + p ]

(3.15)

Vậy ta có phương trình động học của ĐCTT trong hệ dq :

 disd
Rs

1
2. .v Lsq
 dt   L .isd  L .usd   . L .isq
sd
sd
sd

 disq
R
1
2 .v Lsd
2 .v  p
  s .isq  .usq 
. .isd 
.

dt
Lsq
Lsq
 Lsq
 Lsq (3.16)


2.
mx  p  isq [(Lsd  Lsq )isd + p ]  Fc

 dx  v
 dt
 disd
Rs

1
2. .v Lsq
 dt   L .isd  L .usd   . L .isq
sd
sd
sd

 disq
R
1
2 .v Lsd
2 .v  p
  s .isq  .usq 
. .isd 
.

L
dt
L
L


Lsq
sq
sq
sq


2.
i [(L  Lsq )isd + p ]

F  p
 sq sd



11

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
POLYSOLENOID VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.

4.1 Nguyên lý tựa phẳng và việc vận dụng cho động cơ Polysolenoid.
+

-

Bù bất
định

Thiết
lập quỹ
đạo

Xử lý
sai lệch
vị trí

Xử lý
sai lệch
Tốc độ

tα

usa

dq
Xử lý sai
lệch dòng

αβ

usβ

tβ
SVM

Hạn chế
Tính

Tính
Tính

ZOH

abc

ZOH

Ước lượng
Tải

Động cơ tuyến tính
ĐB-KTVC

ZOH

ZOH

Hình 4.1 Cấu trúc ĐK động cơ tuyến tính polysolenoid sử dụng phương pháp phẳng

4.2. Phương pháp TTHCX và vấn đề áp dụng cho động cơ tuyến tính ĐB – KTVC
xref

x

Điều khiển
Vị trí

vc
v

Điều
chỉnh Vận
tốc

Điều chỉnh
dòng

v

isd

isdr = 0

isqr

isd

w

TTH
CX

usd
usq

isq

isd

^

Fc

dq

SVM

Ước
lượng tải

x

v

tβ

usβ

isq
isd

tα

usα

αβ
dq

2~

isα
isβ

θ

isq
Tính toán θ

d/dt

Đo vị trí

Hình 4.10. Cấu trúc ĐK động cơ tuyến tính ĐB – KTVC sử dụng TTHCX