Luận văn thạc sĩ nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí trên cơ sở sử dụng động cơ tuyến tính (chạy thẳng)

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
1




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
2




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
3




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

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




MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ngun lý chuyển đởi 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 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

αβ

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 họa khái niệm ởn định Lyapunov
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
5




Hình 3.4 Sơ đồ khối cho hệ (3.5)
Hình 3.5 Thêm vào và bớt đi thành phần mong muốn của
Hình 3.6 Backstep α qua kh©u tÝch ph©n
Hình 3.7Hệ (3.5) sau khi đưa bộ điều khiển tởng 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 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 thơng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
6




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
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 dịng 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 mơ 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 vịng dịng 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 Công nghệ thông tin – ĐHTN
7




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
8




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT
1

KÝ HIỆU

Lrd , Lrq

ĐƠN VỊ
H

Ý NGHĨA
Điện cảm phần động dọc trục và ngang
trục

Thành phần dòng điện phần động trên 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 rotor)
Vận tốc cơ phần động
Quãng đường dịch chuyển của phần động
động cơ
Bước cực của động cơ
Từ thông của một cực từ

Lsd , Lsq
2

ird , irq
isd , isq

A

3
4

V
S

m/s
m

5
6

ψp

τ

m
Wb

7

urd , urq

V

8
9
10

m
F, Fc
Rr

kg
N
Ω

Các thành phần điện áp phần động trên
trục d,q
Khối lượng phần động
Lực điện từ và lực cản động cơ
Điện trở cuộn dây pha phần động

11

ωs

Rad/s

Tốc độ góc mạch stator

12

ωn

Rad/s

13

ξ

tần số chống đập mạch
Hệ số đập mạch

14
15
16
17

Bv
Kc
Tc
Ntia, Ntib, Ntic

Hệ số ma sát
hệ số của khâu tỷ lệ P
hằng số thời gian của khâu tích phân I
Sức từ động

STT
1

CHỮ VIẾT TẮT
(d,jq)

2
3
4

5
6

REC
NLNA
SVPWM
BĐK
DSP

Ý NGHĨA
Hệ tọa độ tựa theo cực từ chuyển động tịnh tiến theo
phần động [2]
Bộ chỉnh lưu
nghịch lưu nguồn áp
Điều chế vec tơ khơng gian
Bộ điều khiển
Bộ xử lý tín hiệu số

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN
9




7
8
9
10
11
12

CPU
PID
IGBT
PC
ĐB-KTVC
ĐCTT ĐB-KTVC

13
14
15
16
17

(a,b)
CNC
ĐCTT
DC
DSP

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
động cơ tuyến tính 3 pha kiểu đồng bộ kích thích 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 đởi 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
10




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 đởi 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, tởn 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:
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Chương 1. Tởng 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

12
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 mơ tả động cơ điện tuyến tính (cịn gọi
là động cơ truyền động thẳng) ở Viện Hồng 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 mơ 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. Cơng trình này được
Viện nghiên cứu Hồng Gia Anh cơng 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
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.

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




Hình 1.1. Ngun lý chuyển đởi 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 khơng đồng bộ tuyến
tính, động cơ bước tuyến tính.

Hình 1.2. Phân loại động cơ tuyến tính
Ngồi ra, thực tế cho thấy tùy theo những ứng dụng cụ thể mà động cơ tuyến tính
cịn được phân loại như sau:
14
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.
15
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 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

Bộ phận
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Phần chuyển
động

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

Phần cố định

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 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 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

17
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.

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 không, 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 động cơ tuyến tính ba pha kích thích
vĩnh cửu

18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




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 thơng

khe hở khơng đởi giúp tạo ra khả năng sinh mômen mong muốn), điều khiển độ
trượt,… Tuy nhiên việc tạo ra từ thông khe hở khơng đởi sẽ gặp khó khăn khi phụ
tải thay đởi 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 công nghệ động cơ tuyến tính được
sử dụng rất phở biến trong nhiều lĩnh vực, cụ thể:
-Trong cơng nghiệp sản xuất kính (theo báo điện tử: “Control engineering
urope” />
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 : />

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
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




-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
- 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: />
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 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.
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
22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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
ĐCCT ĐB-KTVC

ĐB-KTVC
Phần
Nam châm vĩnh cửu cực ẩn hoặc cực lồi gắn

chuyển trên lõi thép có dạng khối trụ trịn 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

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.

2.2.2. So sánh về nguyên lý làm việc
ĐB-KTVC
Cảm ứng điện từ.

ĐCCT ĐB-KTVC
Cảm ứng điện từ.

Từ trường quay tròn.

Từ trường chuyển động tịnh tiến (chuyển động

Mô men làm quay rô to

thẳng).
Lực do tương tác giữa từ trường nam châm và

….trong các cuộn dây của động cơ.
2.2.3. So sánh về hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC
ĐB-KTVC
ĐCCT ĐB-KTVC
Hệ tọa độ quay quanh một tâm o cố Theo tài liệu (Luận văn tiến sĩ – tác giả
định

Đào Phương Nam) hệ tọa độ có tâm o
chuyển động tịnh tiến gắn với bộ phận
chuyển động của động cơ.

2.2.4. So sánh về các đại lượng vật lý
Bảng 2.1 Bảng mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2
loại động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính.
23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Động cơ

Động cơ tuyến tính ĐB -

Động cơ ĐB - KTVC

Đại lượng vật lý
KTVC
Nguyên tắc hình thành Là như nhau bởi góc lệch về điện giữa các cuộn dây là
i s ,ψ s , u s

các vector

i

Vector dòng điện
ψ

2π
3
s

Dịch chuyển thẳng với Quay
ve = pv

s

Momen lực đẩy
Điểm gốc của các Vector

ve = pv

vận

tốc

với

vận

tốc

ωe = pωm

tốc độ
Dịch chuyển thẳng với Quay

Vector từ thơng

với

ωe = pωm

tốc độ
Lực đẩy
Momen
Vị trí điểm gốc là khác Tất cả các vector có

nhau
chung 1 gốc
Kết luận: Trên cơ sở các phương trình tốn học ĐCĐB-KTVC ta sẽ suy ra các
phương trình tốn học mơ tả ĐCCT-ĐBKTVC, với việc thay thế các đại lượng vật
lý như sau:
θe = p

π
π
x= x
τp
τ

(2.1)
ωe = p

π
π
v= v
τp
τ

(2.2)
Trong đó, τp – là bước cực của động cơ
τ = τp/zp
zp – là số đôi cực
2.3.

Mơ hình tốn học đối tượng MĐĐB-KTVC

Vì động cơ chạy thẳng KTVC có cấu trúc tương tự như động cơ đồng bộ KTVC,
do đó trước hết luận văn sẽ trình bày mơ hình tốn học của động cơ ĐB-KTVC sau
đó chuyển về động cơ chạy thẳng KTVC
2.3.1. Biểu diễn vector khơng gian các đại lượng 3 pha
24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Với các loại máy điện xoay chiều ba pha nói chung, MĐKĐBNK nói riêng ta
đều có ba dịng điện hình sin cùng biên độ, tần số, lệch pha nhau 120 o điện chảy vào
stator qua ba cực tương ứng với pha u, v, w. Gọi ba dịng đó là

isu isv isw

,

,

. Ba dịng

này thỏa mãn phương trình:

isu (t ) + isv (t ) + isw (t ) = 0
(2.3)
Trên mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang) của máy điện, ta thiết lập một hệ tọa
độ phức có trục thực đi qua trục cuộn dây pha u. Trên hệ tọa độ đó, ta định nghĩa
một vector khơng gian dịng stator như sau (hình 2.1):
i s (t ) =

o
o
2
isu (t ) + isv (t )e j120 + isw (t )e j 240  = i s e jω st

3

(2.4)

Im
o

e j120

i s (t)

v

2

u
w
o

1

2

3

3

isw (t)e j240

o

Re

isu (t)
2
3

o

isv (t)e j120

e j240

Hình 2.1. Xây dựng vector khơng gian dịng stator từ các đại lượng pha
is(t) là một vector có module khơng đởi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc
độ góc

ω s = 2π f s

và tạo với trục thực một góc pha

γ = ωst

với

fs

là tần số mạch stator.

Dễ dàng chứng minh được rằng dòng điện của từng pha là hình chiếu của
vector dịng stator lên trục của cuộn dây pha tương ứng. Đối với các đại lượng stator

khác của máy điện như điện áp stator, từ thơng stator ta đều có thể xây dựng các
vector khơng gian tương ứng như đối với dịng điện stator kể trên. Tởng qt thì
một đại lượng stator bất kỳ x xác định một vector không gian như sau:

25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN