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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
i




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
PHỊNG ĐÀO TẠO

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




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 Cơng nghiệp Thái Ngun.
Hiện đang cơng tác tại : Tập đồn Than – Khống sản Việt Nam
Tơi 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

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




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 hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Cao Xuân Tuyển đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hồn 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 cịn ít, cho nên đề tài khơng 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 tơi được hồn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2019
Tác giả luận văn

Lê Cao Hạnh

MỤC LỤ

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




C
DANH MỤC HÌNH VẼ.........................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................xi
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH....................................3
1.1. Lịch sử phát triển của đơ ̣ng cơ tuyến tính......................................................3
Từ

3

1.2. Cấu tạo và phân loại đô ̣ng cơ tuyến tính.........................................................3
1.3. Nguyên lý làm viê ̣c của đơ ̣ng cơ tún tính đồng bộ ba pha kích thích vĩnh
cửu dạng phẳng đơn...............................................................................................7
1.5. Nguyên tắc chung điều khiển chung đơ ̣ng cơ tún tính ba pha kích thích
vĩnh cửu..................................................................................................................8
1.5.1. Nguyên lý điều khiển vô hướng................................................................8
1.5.2. Nguyên lý điều khiển vector.....................................................................9
1.6. Ứng dụng động cơ tuyến tính..........................................................................9
Chương 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÉP...............12
2.1. Nhận xét........................................................................................................12
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).......................12
2.2.1. So sánh về cấu tạo...................................................................................12
2.2.2. So sánh về nguyên lý làm việc................................................................13
2.2.3. So sánh về hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC.............13
2.2.4. So sánh về các đại lượng vật lý...............................................................13
2.3.

Mơ hình tốn học đối tượng MĐĐB-KTVC..............................................14

2.3.1.

Biểu diễn vector khơng gian các đại lượng 3 pha................................14

2.3.2.

Mơ hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC...................................18

2.3.3. Mơ hình tốn học động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu
(ĐCCT-ĐBKTVC)...........................................................................................20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
v




2.3.4. Mơ hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối..............23
2.4 Kết luận chương 2..........................................................................................25
Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ĐỘNG CƠ
TUYẾN TÍNH KÉP TRONG HỆ CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ............................26
3.1 Các phương pháp điều khiển:.........................................................................26

3.1.1 Dùng bộ điều khiển chung:......................................................................26
3.1.2. Phương án dùng 2 bộ điều khiển riêng biệt.............................................27
3.2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho động cơ tuyến tính kép trong hệ truyền
động vị trí.............................................................................................................27
3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov..................27
3.2.2 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở Backstepping..................31
3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển vị trí thích nghi phi tuyến backstepping cho động
cơ tuyến tính kép...............................................................................................36
3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển vị trí trên cơ sở bộ điều khiển PID...................46
3.3.1 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển PI........................................................47
3.3.2. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển PID....................................................49
3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện.............................................................51
3.3.4 Thiết kế bộ điều khiển vận tốc.................................................................53
Chương 4: MƠ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN................................57
4.1. Mơ phỏng......................................................................................................57
4.1.1 Các tham số của hệ thống mô phỏng........................................................57
4.1.2 Kết quả mơ phỏng và bình luận................................................................58
4.2. Thí nghiệm....................................................................................................63
4.2. 1. Hệ thống thí nghiệm sử dụng DSP cho động cơ tuyến tính đơn.............63
4.2.2 Kết quả thí nghiệm và bình luận.............................................................65
4.3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................69
4.3.1. Kết luận...................................................................................................69
4.3.2. Kiến nghị.................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................70
PHỤ LỤC...............................................................................................................74
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ngun lý chủn đởi từ đô ̣ng cơ quay sang đô ̣ng cơ tuyến tính
Hình 1.2. Phân loại đô ̣ng cơ tuyến tính
Hình 1.3. Đô ̣ng cơ tuyến tính có stator dạng răng lược
Hình 1.4. Đô ̣ng cơ tuyến tính có stator dài
Hình 1.5. Đô ̣ng cơ tuyến tính có stator ngắn
Hình 1.6. Đô ̣ng cơ tuyến tính 1 trục
Hình 1.7. Đô ̣ng 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 cơng 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 khơng gian dịng stator từ các đại lượng pha
Hình 2.2. Biểu diễn dịng điện stator dưới dạng vector khơng gian trên hệ tọa độ 
Hình 2.3. Vector dịng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq
Hình 2.4. Chuyển hệ tọa độ cho vector khơng gian bất kỳ V
Hình 2.5 Mơ hình động cơ tuyến tính đơn dạng phẳng ba pha kích thích vĩnh cửu
Hình 2.6 Mơ 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 ha khỏi nim n nh Lyapunov
Hình 3.4 Sơ đồ khối cho hƯ (3.5)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

vii




Hình 3.5 Thêm vào và bớt đi thành phần mong muốn của
Hình 3.6 Backstep qua khâu tích phân
Hỡnh 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 dịng 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 thơng 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 thơng 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 thơng thường cho PMLM
Hình 4.16 Quỹ đạo thực với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
viii




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 mơ phỏng tồn hệ thống
Hình5.2 Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 5.3. Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển dịng phi tuyến backstepping thành phần
dịng ird
Hình 5.4 Bộ điều khiển vị trí trong hệ thống điều khiển thích nghi phi tuyến
backstepping
Hình 5.5. Sơ đồ mơ phỏng các luật điều khiển thích nghi
Hình 5.6. Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển vận tốc trong hệ thống điều khiển thích
nghi phi tuyến backstepping
Hình 5.7. Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển thành phần dòng i rq trong hệ thống điều
khiển thích nghi phi tuyến backstepping
Hình 5.8 Sơ đồ mơ phỏng khâu điều chế véc tơ khơng gian
Hình 5.9. Sơ đồ mô phỏng hệ thống mạch động lực của hệ thống điều khiển vị trí
Hinh5.10. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển PID
Hình 5.11. Sơ đồ mơ phỏng bộ điều chỉnh PI cho mạch vòng dòng điện và vận tốc
Hình 5.12. Sơ đồ mơ phỏng bộ điều chỉnh cho mạch vịng vị trí trong hệ thống điều
khiển PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN
ix




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 trịn 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

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




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

V
S

5
6
7

τ
p
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

m
F, Fc

13
14
15
16
17



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

REC
NLNA
SVPWM

theo phần động [2]
Bộ chỉnh lưu
nghịch lưu nguồn áp
Điều chế vec tơ không gian

2
3
4

Rr

s

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

8
9
10
11
12

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
xi




5
6
7
8
9
10
11
12

BĐK
DSP
CPU
PID
IGBT
PC
ĐB-KTVC
ĐCTT

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
Dịng 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 thơng thấp

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




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 cơng 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. Ngồi 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 cơng
nghiệp bán dẫn,… và nó cịn 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 trịn với những ưu thế như bền vững,
khơng 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 mơ tả tốn 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 mơ hình thí nghiệm, mơ 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. Mơ tả tốn 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 mơ phỏng, thực nghiệm và kết luận. Toàn bộ các kết quả
mơ 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, địi hỏi nhiều cơng 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 lịng 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, phịng 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 đô ̣ng cơ tuyến tính
Từ năm 1840, Charles Wheastone đã mô tả đô ̣ng cơ điê ̣n tuyến tính (còn gọi
là đô ̣ng cơ truyền đô ̣ng thẳng) ở Viê ̣n Hoàng Gia London, tuy nhiên đô ̣ng cơ này
chưa được triển khai trong thực tế. Năm 1905 Alfred Zehden ở Frankfurt-am-Main
đã mô tả đô ̣ng cơ điê ̣n tuyến tính trong truyền đô ̣ng tàu thủy, thang máy. Năm 1935
kỹ sư người Đức Hermann Kemper đã xây dựng mô hình đô ̣ng cơ tuyến tính. Mãi
đến năm 1947, Eric Laithwaite, mô ̣t kỹ sư điê ̣n người Anh, đã sử dụng đô ̣ng cơ điê ̣n
tuyến tính trong hê ̣ thống truyền đô ̣ng máy dê ̣t công nghiê ̣p. Nghiên cứu của
Laithwaite đã nhâ ̣n được sự quan tâm của các nhà khoa học. Công trình này được
Viê ̣n nghiên cứu Hoàng Gia Anh công nhâ ̣n vào những năm 60 của thế kỷ XX với

tên gọi: Máy điê ̣n của tương lai.
1.2. Cấu tạo và phân loại đô ̣ng cơ tuyến tính
Để hiểu rõ hơn về động cơ tuyến tính ta có thể hình dung ra một động cơ quay
trịn bất kỳ nào, khi tăng bán kính của động cơ đến vơ 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 đô ̣ng cơ quay sang đô ̣ng 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, đô ̣ng cơ tuyến tính được chia thành 2 loại chính: dạng
phẳng và dạng ống.
Theo nguồn kích thích, đô ̣ng cơ tuyến tính có thể chia thành 4 loại chính: Đô ̣ng
cơ mô ̣t chiều tuyến tính, đô ̣ng cơ đồng bô ̣ tuyến tính, đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ tuyến

tính, đô ̣ng cơ bước tuyến tính.

Hình 1.2. Phân loại đô ̣ng cơ tuyến tính
Ngoài ra, thực tế cho thấy tùy theo những ứng dụng cụ thể mà đô ̣ng cơ tuyến tính
còn được phân loại như sau:
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




- Đô ̣ng cơ có stator dạng răng lược.

Hình 1.3. Đô ̣ng cơ tuyến tính có stator dạng răng lược
- Đô ̣ng 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. Đơ ̣ng cơ tuyến tính có stator dài
- Đô ̣ng 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. Đô ̣ng cơ tuyến tính có stator ngắn
Dựa vào số trục di chuyển, đô ̣ng 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. Đô ̣ng cơ tuyến tính 1 trục
- Loại 2 trục.

Hình 1.7. Đô ̣ng 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 trịn 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

ĐCTT ĐB-KTVC

Bơ ̣ phâ ̣n
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

Phần chuyển
động

Phần cố định

Nam châm vĩnh cửu cực ẩn hoặc cực lồi
gắn trên lõi thép có dạng khối trụ trịn
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 trịn, 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 viêc̣ của đô ̣ng 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 trịn
thơng 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 trịn 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 trịn 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
trong máy

Từ
Từ trường ba pha quay tròn

trường

ba

pha

chuyển động tịnh tiến

(chuyển động thẳng)
Tác nhân gây Mô men do tương tác giữa từ trường Lực đẩy phần động do
chuyển động

quay tròn stator với từ trường nam châm tương

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

tác

giữa

từ




trường ba pha chuyển
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 mơ 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 khơng, điều này khơng 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 đô ̣ng 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 khơng đổi (với mục đích duy trì từ thơng
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 khơng đổi sẽ gặp khó khăn khi phụ
tải thay đổi vì sụt áp trên Stator phụ thuộc vào dịng 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 vơ 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
thơng,…) 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 vơ
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 cơng nghệ động cơ tuyến tính
được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực, cụ thể:
-Trong cơng 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 cơng 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 u cầu có độ chính xác cao, gia cơng chính xác các bề mặt chi
tiết phức tạp, chủ yếu ứng dụng trong các chuyển động robot, các máy gia cơng cơ
khí có độ chính xác cao.
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 2: MƠ HÌNH TỐN 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 mơ
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 mơ hình tốn học của UPMLM gồm hai mơ hình tốn học của một động
cơ đơn ghép lại với tải chung là 2Ft . Do đó trước hết ta đi xây dựng mơ hình tốn
học cho động cơ tuyến tính đơn ba pha kích thích vĩnh cửu. Để xây dựng mơ hình
tốn 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 mơ hình tốn
học của động cơ quay đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu, ta suy ra mơ hình tốn
học của động cơ tuyến tính đơn dạng phẳng ba pha kích thích vĩnh cửu. Mơ hình
tốn học của động cơ tuyến tính kép gồm hai mơ hình tốn 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 trịn, 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 Cơng nghệ thông tin – ĐHTN