Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí trên cơ sở sử dụng động cơ tuyến tính (chạy thẳng) kép và phương pháp điều khiển thích nghi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ CAO HẠNH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ
TRÍ TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
(CHẠY THẲNG) KÉP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Thái Nguyên - Năm 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ CAO HẠNH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
(CHẠY THẲNG) KÉP VÀ PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. LÊ THỊ THU HÀ
PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên - Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Lê Cao Hạnh
Sinh ngày 15 tháng 11 năm 1988
Học viên lớp cao học khoá 20 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại : Tập đoàn Than – Khoáng sản Việt Nam
Tôi xin cam đoan luận văn “Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị
trí trên cơ sở sử dụng động cơ tuyến tính (chạy thẳng) kép và phương
pháp điều khiển thích nghi” do thầy giáo PGS.TS Cao Xuân Tuyển hướng
dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc,
xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày…….tháng ….. năm 2019
Học viên

Lê Cao Hạnh


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Cao Xuân Tuyển, luận văn với đề tài “Nâng
cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí trên cơ sở sử dụng động cơ tuyến tính

(chạy thẳng) kép và phương pháp điều khiển thích nghi” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Cao Xuân Tuyển đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp
Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong
suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác
giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2019
Tác giả luận văn

Lê Cao Hạnh


MỤC LỤC

MỤC LỤC........................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU..........................................................................viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................x
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................75
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính
Hình 1.2. Phân loại động cơ tuyến tính
Hình 1.3. Động cơ tuyến tính có stator dạng răng lược
Hình 1.4. Động cơ tuyến tính có stator dài
Hình 1.5. Động cơ tuyến tính có stator ngắn

Hình 1.6. Động cơ tuyến tính 1 trục
Hình 1.7. Động cơ tuyến tính 2 trục
Hình 1.8. Cấu trúc hệ động cơ tuyến tính kiểu chữ U
Hình 1.9. Hegla GmbH's glass cutting machine uses Bosch Rexroth's IndraDyn L
linear motor
Hình 1.10 Tàu hỏa sử dụng công nghệ động cơ tuyến tính.
Hình 1.11 X-Y Robot Control Systems
Hình 1.12 Laser PCB Drilling Machine with LMS47 Linear Motor
Hình 1.13 Máy CNC LX0 5AX 5 Axis Linear Motor CNC Machine
Hình 1.14 Máy phay CNC: Tarus Linear Motor High Speed 5 Axis Mill
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 αβ
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 hình động cơ tuyến tính đơn dạng phẳng ba pha kích thích vĩnh cửu
Hình 2.6 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại KĐB.


Hình 2.7 (a. Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b. Mạch từ tương đương mô tả ảnh
hưởng của hiệu ứng đầu cuối).
Hình 3.1: Sơ đồ dung 1 bộ điều khiển chung
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc cho động cơ tuyến tính kép dùng 2 bộ điều khiển riêng biệt
Hình 3.3 Minh họa khái niệm ổn định Lyapunov
H×nh 3.4 S¬ ®å khèi cho hÖ (3.5)
H×nh 3.5 Thªm vµo vµ bít ®i thµnh phÇn mong muèn cña ξ
H×nh 3.6 Backstep α qua kh©u tÝch ph©n
Hình 3.7Hệ (3.5) sau khi đưa bộ điều khiển tổng hợp theo phương pháp
Backstepping
Hình 3.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển cho từng động cơ tuyến tính đơn
Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí thích nghi phi tuyến Backstepping

Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển thành phần dòng phi tuyến Backstepping ird
Hình 3.11a Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ tuyến tính đơn trên cơ
sở bộ điều khiển vị trí thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 3.11b: Hệ thống điều khiển vị trí trên cơ sở bộ điều khiển PID
Hình 3.12: Sơ đồ khối của hệ thống PI
Hình 3.13: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vị trí
Hình 1.1 Sự dao động của hệ số ma sát
Hình 4.2 Lực cản tác động lên động cơ khi có nhiễu
Hình 4.3.Quỹ đạo đặt
Hình 4.4. Vị trí thực với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 4.5 Sai số vị trí với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 4.6 Quỹ đạo thực với bộ điều khiển PI
Hình 4.7 Sai số vị trí với bộ điều khiển PI thông thường
Hình 4.8 Quỹ đạo thực với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến Backstepping
Hình 4.9 Sai số vị trí với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 4.10 Quỹ đạo thực với bộ điều khiển PI
Hình 4.11 Sai số vị trí với bộ điều khiển PI thông thường


Hình 4. 12 Hệ thống điều khiển sử dụng DSP (LFP- Bộ lọc thông thấp)
Hình 4.13 Hệ thống thí nghiệm sử dụng DSP TMS320F2812 cho PMLM
Hình 4.14 . Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping
cho PMLM
Hình 4.15 Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển PI thông thường cho PMLM
Hình 4.16 Quỹ đạo thực với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 4.17 Sai lệch vị trí với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 4.18 Quỹ đạo thực với bộ điều khiển PI
Hình 4.19 Sai lệch vị trí với bộ điều khiển PI
Hình 5.1. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống
Hình5.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping

Hình 5.3. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng phi tuyến backstepping thành phần
dòng ird
Hình 5.4 Bộ điều khiển vị trí trong hệ thống điều khiển thích nghi phi tuyến
backstepping
Hình 5.5. Sơ đồ mô phỏng các luật điều khiển thích nghi
Hình 5.6. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc trong hệ thống điều khiển thích
nghi phi tuyến backstepping
Hình 5.7. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển thành phần dòng i rq trong hệ thống điều
khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 5.8 Sơ đồ mô phỏng khâu điều chế véc tơ không gian
Hình 5.9. Sơ đồ mô phỏng hệ thống mạch động lực của hệ thống điều khiển vị trí
Hinh5.10. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển PID
Hình 5.11. Sơ đồ mô phỏng bộ điều chỉnh PI cho mạch vòng dòng điện và vận tốc
Hình 5.12. Sơ đồ mô phỏng bộ điều chỉnh cho mạch vòng vị trí trong hệ thống điều
khiển PID


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh về cấu tạo giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐBKTVC) và động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT ĐB-KTVC)
Bảng 1.2. So sánh về nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ ba pha kích thích
vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng
đơn.
Bảng 2.1. Chức năng của cac chân vào ra của FSBB30CH60C



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
1

KÝ HIỆU

Lrd , Lrq

ĐƠN VỊ
H

trục

Lsd , Lsq
2

ird , irq

Ý NGHĨA
Điện cảm phần động dọc trục và ngang

A

Thành phần dòng điện phần động trên

isd , isq

trục d và q của hệ toạ độ (d,q) chuyển
động với vận tốc của phần động (tương
đương với hệ toạ độ quay với tốc độ

3
4
5

6
7

V
S
τ

ψp
urd , urq

m/s
m

rotor)
Vận tốc cơ phần động
Quãng đường dịch chuyển của phần động

m
Wb
V

động cơ
Bước cực của động cơ
Từ thông của một cực từ
Các thành phần điện áp phần động trên

8
9
10
11

12

m
F, Fc

13
14
15
16
17

ξ

Bv
Kc
Tc
Ntia, Ntib, Ntic

STT
1

CHỮ VIẾT TẮT
(d,jq)

Ý NGHĨA
Hệ tọa độ tựa theo cực từ chuyển động tịnh tiến theo

REC
NLNA

phần động [2]
Bộ chỉnh lưu
nghịch lưu nguồn áp

2
3

Rr

ωs

ωn

kg
N
Ω
Rad/s
Rad/s

trục d,q
Khối lượng phần động
Lực điện từ và lực cản động cơ
Điện trở cuộn dây pha phần động
Tốc độ góc mạch stator
tần số chống đập mạch
Hệ số đập mạch
Hệ số ma sát
hệ số của khâu tỷ lệ P
hằng số thời gian của khâu tích phân I
Sức từ động

4
5
6
7
8
9
10
11
12

SVPWM
BĐK
DSP
CPU
PID
IGBT
PC
ĐB-KTVC
ĐCTT

Điều chế vec tơ không gian
Bộ điều khiển
Bộ xử lý tín hiệu số
Khối xử lý trung tâm
Tỉ lệ, tích phân, đạo hàm
Transistor có cực điều khiển cách ly
Máy tính cá nhân
Động cơ đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu

ĐB- động cơ tuyến tính 3 pha kiểu đồng bộ kích thích

13
14
15
16
17

KTVC
(a,b)
CNC
ĐCTT
DC
DSP

vĩnh cửu
Hệ toạ độ cố định với phần động theo tài liệu [2]
Computer Numerical Control
Động cơ tuyến tính
Dòng một chiều
vi xử lý tín hiệu số

18
19
20
21

ADC
PWM
CLF

LFP

Chuyển đổi tương tự ra số
Điều chế độ rộng xung
Hàm điều khiển Lyapunov
Bộ lọc thông thấp



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 “Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí
trên cơ sở sử dụng động cơ tuyến tính (chạy thẳng) kép và phương pháp điều khiển
thích nghi”. 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.
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 mô tả toán học ĐCTT kép, nghiên
cứu thiết kế bộ điều khiển cho ĐCTT kép trong hệ chuyển động vị trí. Về thực
nghiệm, luận văn đã xây dựng được một mô hình thí nghiệm, mô phỏng kiểm chứng
những lý thuyết đã đề xuất.
Bản luận văn có bố cục như sau:
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 1. Tổng quan về động cơ tuyến tính.
Chương 2. Mô tả toán học động cơ tuyến tính kép.
Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ tuyến tính kép trong hệ chuyển
động vị trí.
Chương 4. Kết quả mô phỏng, thực nghiệm và kết luận. Toàn bộ các kết quả
mô phỏng và thực nghiệm được trình bày trong chương này với những thuyết minh
kèm theo.
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 tiếp nối những nghiên cứu đi trước về ĐCTT, tạo nền tảng 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.
Tác giả

Lê Cao Hạnh

2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
1.1. Lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính
Từ năm 1840, Charles Wheastone đã mô tả động cơ điện tuyến tính (còn gọi
là động cơ truyền động thẳng) ở Viện Hoàng Gia London, tuy nhiên động cơ này
chưa được triển khai trong thực tế. Năm 1905 Alfred Zehden ở Frankfurt-am-Main
đã mô tả động cơ điện tuyến tính trong truyền động tàu thủy, thang máy. Năm 1935
kỹ sư người Đức Hermann Kemper đã xây dựng mô hình động cơ tuyến tính. Mãi
đến năm 1947, Eric Laithwaite, một kỹ sư điện người Anh, đã sử dụng động cơ điện
tuyến tính trong hệ thống truyền động máy dệt công nghiệp. Nghiên cứu của
Laithwaite đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Công trình này được
Viện nghiên cứu Hoàng Gia Anh công nhận vào những năm 60 của thế kỷ XX với
tên gọi: Máy điện của tương lai.
1.2. Cấu tạo và phân loại động cơ tuyến tính
Để hiểu rõ hơn về động cơ tuyến tính ta có thể hình dung ra một động cơ quay
tròn bất kỳ nào, khi tăng bán kính của động cơ đến vô cùng, sẽ thu được hình ảnh
rotor và stator song song với nhau (hình 1.1). Trong chuyển động tương đối khi

chọn gốc tọa độ gắn với hệ quy chiếu nào ta sẽ suy ra được chuyển động tương đối
của thành phần còn lại so với gốc tọa độ. Với quan điểm như vậy động cơ tuyến tính
sẽ gồm hai thành phần: Thành phần thứ nhất nhận dòng năng lượng điện đi tới
(phần sơ cấp), thành phần thứ hai là dòng năng lượng đưa ra dưới dạng cơ năng
(phía thứ cấp). Từ quan điểm trên ta có thể thấy với động cơ tuyến tính phần tạo
chuyển động thẳng có thể là phần stator hay phần rotor của máy điện quay truyền
thống, từ đó tạo ra những động cơ tuyến tính tương ứng.

3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 1.1. Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính
Từ nguyên lý cơ bản trên, động cơ tuyến tính được phát triển với cấu tạo khác
nhau tương ứng dựa vào mục đích sử dụng.
Ban đầu động cơ tuyến tính chủ yếu được sử dụng cho hệ thống giao thông vận
tải. Hiện nay động cơ tuyến tính được sử dụng để thay thế một hệ thống sử dụng
động cơ quay và các thiết bị cơ khí để tạo ra một chuyển động tuyến tính (thẳng)
trực tiếp.
Theo cấu trúc hình học, động cơ tuyến tính được chia thành 2 loại chính: dạng
phẳng và dạng ống.
Theo nguồn kích thích, động cơ tuyến tính có thể chia thành 4 loại chính: Động
cơ một chiều tuyến tính, động cơ đồng bộ tuyến tính, động cơ không đồng bộ tuyến
tính, động cơ bước tuyến tính.

Hình 1.2. Phân loại động cơ tuyến tính
Ngoài ra, thực tế cho thấy tùy theo những ứng dụng cụ thể mà động cơ tuyến tính
còn được phân loại như sau:

4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




- Động cơ có stator dạng răng lược.

Hình 1.3. Động cơ tuyến tính có stator dạng răng lược
- Động cơ cơ stator dạng dài: Chiều dài của phần cung cấp thường lớn hơn nhiều
lần phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần kích thích chính
là phần chuyển động.

Hình 1.4. Động cơ tuyến tính có stator dài
- Động cơ có stator dạng ngắn: Chiều dài của phần cung cấp ngắn hơn (hoặc bằng)
phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần cung cấp chính là
phần chuyển động.

Hình 1.7. Động cơ tuyến tính có stator ngắn
Dựa vào số trục di chuyển, động cơ tuyến tính có hai loại:

- Loại 1 trục.
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 1.6. Động cơ tuyến tính 1 trục
- Loại 2 trục.

Hình 1.7. Động cơ tuyến tính 2 trục
Trong số các động cơ tuyến tính ở trên, theo tài liệu [32], lực đẩy của loại
động cơ tuyến tính đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu là lớn nhất, mặt khác, trong
các loại động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu : dạng phẳng đơn, dạng
phẳng có kết cấu răng lược và dạng ống thì dạng phẳng đơn dễ chế tạo hơn, giá
thành rẻ hơn, do đó đề tài sẽ chọn đối tượng là động cơ tuyến tính đồng bộ kích
thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn.
Để hiểu rõ hơn về cấu tạo của động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu
dạng phẳng đơn, bảng 1.1 đưa ra so sánh giữa các phần chuyển động và cố định của
động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng
bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn.
Bảng 1.1. So sánh về cấu tạo giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐBKTVC) và động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT ĐB-KTVC)
Loại ĐC

ĐB-KTVC

6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

ĐCTT ĐB-KTVC




Bộ phận

Phần chuyển
động

Phần cố định

Nam châm vĩnh cửu cực ẩn hoặc cực lồi
gắn trên lõi thép có dạng khối trụ tròn
chuyển động quay quanh một trục.

Mạch từ và dây quấn 3
pha trải phẳng, chuyển
động tịnh tiến (chuyển
động thẳng)
Nam châm vĩnh cửu

Mạch từ có kết cấu hình vành trụ tròn, gồm nhiều cực từ đặt
trong có xẻ rãnh đặt dây quấn 3 pha.

liên tiếp nhau, cực tính

luân phiên nhau.
1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính đồng bộ ba pha kích thích vĩnh
cửu dạng phẳng đơn.
Nguyên lý làm việc tương tự như động cơ 3 pha kích thích vĩnh cửu quay tròn
thông thường, nhưng stator và rotor được trải phẳng và thay cho momen là lực điện
từ đẩy động chuyển động thẳng .
Để hiểu rõ hơn về nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính ba pha đồng bộ
kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn, bảng 1.2 đưa ra so sánh về nguyên lý làm việc
của động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính
đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn.
Bảng 1.2. So sánh về nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ ba pha kích
thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng
phẳng đơn.

Loại ĐC
ĐB-KTVC

ĐCTT ĐB-KTVC

Tiêu chí
So sánh
Dạng từ từ Từ trường ba pha quay tròn

Từ

trong máy

chuyển động tịnh tiến

7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

trường

ba

pha




(chuyển động thẳng)
Lực đẩy phần động do
tương

Tác nhân gây
chuyển động

tác

giữa

từ

Mô men do tương tác giữa từ trường trường ba pha chuyển
quay tròn stator với từ trường nam châm động tịnh tiến (chuyển
vĩnh cử phía rotor.

động thẳng) với từ
trường nam châm vĩnh
cửu phía stator.

8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ tuyến tính kép (động cơ tuyến tính
kiểu chữ U)

Hình 1.8. Cấu trúc hệ động cơ tuyến tính kiểu chữ U
Theo [2], cấu trúc của hệ động cơ tuyến tính kiểu chữ U được mô tả như hình
1, phần tĩnh kiểu chữ U có gắn năm châm vĩnh cửu ở hai bên, ở giữa là lõi thép kép,
trên có đặt hai day quấn ba pha giống hệt nhau và độc lập với nhau.

Ưu điểm:
- Do lực hút điện từ từ hai thanh nam châm vĩnh cửu ở hai bên phần tĩnh lên phần
động bàng nhau về trị số, nhưng ngược chiều nhau, nên tổng lực hút điện từ lên phần
động bằng không, điều này không có ở động cơ tuyến tính đơn, do đó độ chính xác
trong truyền động vị trí của động cơ tuyến tính kép kiểu chữ U được cải thiện
- Do động cơ tuyến tính kép kiểu chữ U gồm hai động cơ tuyến tính đơn ba
pha giống hệt nhau có phần động gắn chặt với nhau nên công suất của loại động cơ
này lớn hơn cả so với các loại động cơ tuyến tính khác.
1.5. Nguyên tắc chung điều khiển chung động cơ tuyến tính ba pha kích thích
vĩnh cửu
Cũng như những phương pháp đã được thực hiện đối với động cơ quay, lúc
này phương pháp điều khiển cho ĐCTT vẫn dựa trên hai hướng chính dựa vào
nguyên lý điều khiển vector và nguyên lý điều khiển vô hướng.
1.5.1. Nguyên lý điều khiển vô hướng
Tài liệu [29] đã chỉ ra các phương pháp đại diện cho hướng nghiên cứu sử
dụng nguyên lý điều khiển vô hướng: U/f không đổi (với mục đích duy trì từ thông
khe hở không đổi giúp tạo ra khả năng sinh mômen mong muốn), điều khiển độ
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




trượt,… Tuy nhiên việc tạo ra từ thông khe hở không đổi sẽ gặp khó khăn khi phụ
tải thay đổi vì sụt áp trên Stator phụ thuộc vào dòng chảy qua nó [29] và điều này
được khắc phục bằng cách điều khiển U/f sao cho từ thông khe hở là hàm của
mômen tải. Các phương pháp dựa trên nguyên lý điều kiển vô hướng có ưu điểm dễ
thực hiện nhưng chúng đều gặp khó khăn trong việc nâng cao chất lượng của hệ
truyền động (đặc biệt ở vùng tốc độ thấp).
1.5.2. Nguyên lý điều khiển vector

Nguyên lý điều khiển vector đã được trình bày trong hệ thống tài liệu
[7,8,9,10]. Đối với ĐCTT, việc vận dụng nguyên lý này cần dựa trên một hệ thống
các vector mô tả một cách tường minh các đại lượng vật lý (dòng điện, điện áp, từ
thông,…) được trình bày tài liệu [2].
Các phương pháp điều khiển dựa trên nguyên tắc điều khiển vector có ưu điểm
là nâng cao được chất lượng của hệ truyền động so với phương pháp điều khiển vô
hướng, do đó đề tài chọn phương pháp điều khiển vector để thực hiện.
1.6. Ứng dụng động cơ tuyến tính
Hiện nay, tại các nước phát triển, giải pháp công nghệ động cơ tuyến tính được
sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực, cụ thể:
-Trong công nghiệp sản xuất kính (theo báo điện tử: “Control engineering
urope” />
Hình 1.9 Hegla GmbH's glass cutting machine uses Bosch Rexroth's IndraDyn L
linear motor
-Trong giao thông vận tải
( theo báo điện tử : />10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 1.10 Tàu hỏa sử dụng công nghệ động cơ tuyến tính.
- X-Y Robot Control Systems
(Theo />
Hình 1.11 X-Y Robot Control Systems
-Trong máy khoan CNC sử dụng động cơ tuyến tính (Theo nguồn tin từ trang
báo điện tử: />
Hình 1.12 Laser PCB Drilling Machine with LMS47 Linear Motor
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

- Sử dụng trong máy CNC: LX0 5AX 5 Axis Linear Motor CNC Machine (theo
trang báo điện tử: />
Hình 1.13 Máy CNC LX0 5AX 5 Axis Linear Motor CNC Machine
-Sử dụng trong máy phay CNC: Tarus Linear Motor High Speed 5 Axis
Mill(theo trang báo điện tử: />
Hình 1.14 Máy phay CNC: Tarus Linear Motor High Speed 5 Axis Mill
Các máy nêu ở trên yêu cầu có độ chính xác cao, gia công chính xác các bề mặt chi
tiết phức tạp, chủ yếu ứng dụng trong các chuyển động robot, các máy gia công cơ
khí có độ chính xác cao.
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÉP
2.1. Nhận xét
Theo nội dung chương 1, cấu trúc của hệ động cơ tuyến tính kiểu chữ U được mô
tả như hình 1.8, phần tĩnh kiểu chữ U có gắn năm châm vĩnh cửu ở hai bên, ở giữa là lõi
thép kép, trên có đặt hai dây quấn ba pha giống hệt nhau và độc lập với nhau.
Xuất phát từ đặc điểm kết cấu của UPMLM, ta thấy động cơ gồm hai động cơ
tuyến tính ba pha nam châm vĩnh cửu giống nhau có phần động được gắn cứng với
nhau, nên mô hình toán học của UPMLM gồm hai mô hình toán học của một động
cơ đơn ghép lại với tải chung là 2Ft . Do đó trước hết ta đi xây dựng mô hình toán
học cho động cơ tuyến tính đơn ba pha kích thích vĩnh cửu. Để xây dựng mô hình
toán học cho động cơ tuyến tính đơn ba pha kích thích vĩnh cửu, trước hết ta so

sánh về cấu tạo , nguyên lý làm việc , hệ toạ độ biểu diễn các đại lượng vật lý và
các đại lượng vật lý của động cơ tuyến tính đơn ba pha kích thích vĩnh cửu dạng
phẳng với động cơ quay đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu, sau đó trên cơ sở mô
hình toán học của động cơ quay đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu, ta suy ra mô
hình toán học của động cơ tuyến tính đơn dạng phẳng ba pha kích thích vĩnh cửu.
Mô hình toán học của động cơ tuyến tính kép gồm hai mô hình toán học của động
cơ tuyến tính đơn với tải chung là 2Ft. Mỗi động cơ đơn chịu tải giống nhau là Ft.
2.2. So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động cơ
chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCT ĐB-KTVC)
2.2.1. So sánh về cấu tạo
ĐB-KTVC
Phần
Nam châm vĩnh cửu cực ẩn hoặc cực lồi gắn
chuyển trên lõi thép có dạng khối trụ tròn hoặc khối
động
trụ đa giác, chuyển động quay quanh một
trục.
Phần
Mạch từ có kết cấu hình vành trụ tròn, trong
cố
có xẻ rãnh đặt dây quấn 3 pha.
định

ĐCCT ĐB-KTVC
Mạch từ và dây quấn 3
pha trải phẳng, chuyển
động tịnh tiến(chuyển
động thẳng)
Nam châm vĩnh cửu gồm
nhiều cực từ đặt liên tiếp

nhau, cực tính luân phiên
nhau.

13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN