Đang tải... (xem toàn văn)
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ANH THẮNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN – 202[.]
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ANH THẮNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN – 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ANH THẮNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÍ THÁI NGUYÊN – 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Anh Thắng Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng động tuyến tính cho hệ thống giảm chấn tích cực Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số SV:…………………… Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 23/09/2020 với nội dung sau: Đã sửa chữa lỗi tả, in ấn công thức tương ứng với chương Đã xem lại kết luận chương chỉnh sửa hạn chế Thái Nguyên, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG i năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Anh Thắng Sinh ngày 14 tháng 10 năm 1992 Học viên lớp cao học khoá 21 - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác : Phân xưởng Cơ điện, Xí nghiệp Cơ khí, Nhà máy Z131 Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng động tuyến tính cho hệ giảm chấn tích cực” thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn nghiên cứu với tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Thái Nguyên, ngày 25 tháng 08 năm 2020 Học viên Trần Anh Thắng ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng động tuyến tính cho hệ giảm chấn tích cực” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Chí tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập để hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, nhiên điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, giáo bạn bè đồng nghiệp cho luận văn tơi hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 25 tháng 08 năm 2020 Tác giả luận văn Trần Anh Thắng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC .iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii LỜI NÓI ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung luận văn CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH .3 1.1 Giới thiệu động tuyến tính 1.1.1.Giới thiệu chung động tuyến tính 1.1.2.Cấu tạo động tuyến tính .3 1.1.3 Nguyên lý làm việc động tuyến tính 1.2 Xây dựng mơ hình động tuyến tính 1.2.1 Công cụ xây dựng mơ hình 1.2.2 Xây dựng mơ hình điện áp lực cho động tuyến tính dạng ống 10 1.3 Kết luận chương 15 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG MƠ HÌNH GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 17 2.1 Hệ thống giảm chấn 17 2.2.1 Giới thiệu chung 17 2.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn 20 2.1.3 Các yêu cầu hệ thống đánh giá chất lượng giảm chấn .25 2.2 Xây dựng mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực 27 2.3.Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính .32 2.4.Kết luận chương 33 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GIẢM CHẤN 34 TÍCH CỰC 34 iv 3.1 Cấu trúc điều khiển tổng quát .34 3.2.Thiết kế điều khiển lực dòng cho động tuyến tính 34 3.2.1 Thiết kế điều khiển dòng 35 3.2.2.Thiết kế điều khiển lực .37 3.3 Thuật toán điều khiển hệ giảm chấn 38 3.4 Một số kết điều khiển hệ thống .44 3.5 Kết luận chương .50 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Cấu tạo động tuyến tính [2] Hình 1-2 Mơ hình chuyển đổi động quay sang động truyền động thẳng[1] Hình 1-3 Các dạng cấu tạo động chuyển động thẳng [1] Hình 1-4 Sơ đồ khối mơ hình động tuyến tính Hình 1-5 Mơ hình động tuyến tính xây dựng Matlab/Simulink 13 Hình 1-6 Sơ đồ mơ động tuyến tính với khâu chuyển đổi hệ tọa độ dq 14 Hình 1-7 Đáp ứng độ dịch chuyển rotor lực đẩy 14 Hình 1-8 Các trạng thái động 15 Hình 2.1 Mơ hình hệ thống giảm chấn điển hình 18 Hình 2.2 Nhiễu mặt đường dạng kiện có biên độ 0.05m, thời gian tồn 1s .19 Hình 2.3 Minh họa dao động hệ thống giảm chấn với nhiễu mặt đường có dạng kiện Hình 2.1 19 Hình 2.4 Phân loại hệ thống giảm: a) giảm chấn thụ động, b) giảm chấn bán tích cực, d) giảm chấn tích cực 20 Hình 2.5 Hệ thống giảm chấn tích cực hãng xe BMW sản xuất năm 2009 24 Hình 2.6 Mặt cong mô tả thay đổi mức độ thoải mái theo mức độ an toàn phụ thuộc vào tham số cs ds hệ thống giảm chấn [5] 26 Hình 2.7 Hệ thống giảm chấn tích cực thiết kế đề tài 27 Hình 2.8 So sánh mơ hình lý thuyết mơ hình thực tế 30 Hình 2.9 File simulink so sánh đáp ứng mơ hình giảm chấm đáp ứng hệ giảm chấn thực tế 30 Hình 2.10 Kích thích từ mặt đường z r , dz r / dt thực nghiệm với tốc độ 0.3m/s 31 Hình 2.11 Kết so sánh mơ hình lý thuyết mơ hình thực tế dao động khối treo khối tải .31 Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ thống giảm chấn tích cực 33 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực ứng dụng động tuyến tính 34 Hình 3.2 Sơ đồ mơ simulink điều khiển lực điều khiển dòng cho động cơ35 vi Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển dịng cho động 35 Hình 3.4 Đáp ứng dịng điện id iq 36 Hình 3.5 Bộ điều khiển lực 37 Hình 3.6 Đáp ứng lực Fe với giá trị đặt 200N 37 Hình 3.7 Đáp ứng lực Fe với giá trị đặt thay đổi 38 Hình 3.8 Sơ đồ mơ thuật tốn điều khiển hệ giảm chấn 40 Hình 3.9 Kết mơ tác động điều khiển LQR trường hợp dao động có dạng xung vng 41 Hình 3.10 Lực Fe (t ) lực tải động Fdyn (t ) 42 Hình 3.11 Kết mơ tác động điều khiển LQR trường hợp dao động có ngẫu nhiên 43 Hình 3.12 Lực Fe (t ) lực tải động Fdyn (t ) 44 Hình 3.13 Sơ đồ mô simulink điều khiển hệ thống 44 Hình 3.14 Trạng thái hệ thống giảm chấn dao động xung vuông 45 Hình 3.15 Trạng thái dịch chuyển rotor .45 Hình 3.16 Trạng thái động tuyến tính .46 Hình 3.17 Lực cần dập tắt dao động điều khiển LQR tính tốn lực động tuyến tính tạo 47 Hình 3.18 Trạng thái hệ thống giảm chấn dao động n .48 Hình 3.19 Trạng thái dịch chuyển rotor .48 Hình 3.20 Lực cần dập tắt dao động điều khiển LQR tính tốn lực động tuyến tính tạo 49 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tham số vật lý động tuyến tính .13 Bảng 2.1 Tần số dao động tỷ số giảm chấn khối treo khối tải theo tham số 20 Bảng 2.2 Phân loại hệ thống giảm chấn, giới hạn lực dải vận hành, yêu cầu nguồn lượng [4] 24 viii LỜI NĨI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Động tuyến tính (rotory linear motor) động tính tạo chuyển động thẳng trực tiếp có ưu điểm lực điện từ tạo trực tiếp mà khơng có cần sử dụng cấu truyền khí, ma sát thấm, độ xác cao, tuổi thọ dài, cho phép tạo hệ thống giảm chấn tích cực điều khiển thuật toán điều khiển cho phép dập tắt dao động hệ thống cách có hiệu Động tuyến tính có khả tạo chuyển động dịch chuyển có vận tốc lên đến khoảng 200m/phút, gia tốc lớn lực lên đến kN Việc ứng dụng động tuyến tính triển khai nhiều lĩnh vực ví dụ điều khiển tự động máy công cụ kỹ thuật số CNC, điều khiển tay máy Robot, máy nâng hạ, điều khiển hệ thống sản xuất linh hoạt FMS… yêu cầu cao độ xác vị trí, tốc độ tác động nhanh Trong hệ thống giảm chấn, động tuyến tính bắt đầu ứng dụng năm gần Việc ứng dụng động tuyến tính hệ thống giảm chấn mang lại hiệu kích thước, vấn đề bảo dưỡng đặc biệt linh hoạt việc điều chỉnh lực vị trí nhằm thực thuật toán điều khiển giảm chấn phức tạp Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung Ứng dụng động tuyến tính vào hệ thống giảm chấn tích cực nhằm tạo lực giảm chấn dập tắt dao động - Mục tiêu cụ thể Xây dựng mơ hình động tuyến tính, quan hệ điện áp lực đẩy vị trí trục động Xây dựng mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực Ứng dụng dụng động tuyến tính điều khiển lực dập tắt giao động hệ thống giảm chấn tích cực - Các kết luận văn Mơ hình động tuyến tính Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính Thuật tốn điều khiển lực giảm chấn tích cực Nội dung luận văn Luận văn gồm 04 chương với bố cục sau: Chương 1: Mơ hình động tuyến tính Chương 2: Ứng dụng động tuyến tính mơ hình giảm chấn tích cực Chương 3: Thuật tốn điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực Phần cuối kết luận chung luận văn CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1.1 Giới thiệu động tuyến tính 1.1.1.Giới thiệu chung động tuyến tính Động truyền động thẳng (cịn gọi động tuyến tính) chất động xoay chiều quay thông dụng Tuy nhiên chúng thiết kế để tạo nên chuyển động tịnh tiến Động truyền động thẳng phát triển nhiều ứng dụng Từ năm 1840 Charles Wheastone mô tả động truyền động thẳng Viện Hoàng Gia London, nhiên động chưa triển khai thực tế Năm 1905 Alfred Zehden Frankfurt-am-Main mô tả động có truyền động thẳng truyền động tàu điện, thang máy Năm 1935 kỹ sư Đức Hermann Kemper xây dựng mơ hình động truyền động thẳng Mãi đến năm 1947, Eric Laithwaite, kỹ sư điện người Anh, sử dụng động truyền động thẳng hệ thống truyền động máy dệt công nghiệp Nghiên cứu Laithwaite quan tâm nhà khoa học Cơng trình Viện nghiên cứu Hồng gia Anh công nhận vào năm 60 kỷ XX với tên gọi: Máy điện tương lai Động tuyến tính sử dụng rộng rãi công nghiệp, dân dụng, quân nhiều ứng dụng cần kiểm soát lực, chiều vị trí Các ưu điểm chủ yếu động tuyến tính sau: Động tuyến tính tạo lực đẩy trực tiếp, khơng địi hỏi cần thiết bị chuyển đổi hộp số loại bỏ khâu chuyển đổi trung gian, đơn giản hóa tồn thiết bị hệ thống để đảm bảo độ tin cậy hoạt động, chi phí sản xuất thấp dễ dàng bảo trì Động tuyến tính khơng phải chịu lực ly tâm động quay, đó, tốc độ tuyến tính mặt lý thuyết khơng giới hạn Động tuyến tính tạo lực đẩy tuyến tính trực tiếp lượng điện, giảm đáng kể tổn thất lượng, không gây tiếng ồn v.v 1.1.2.Cấu tạo động tuyến tính Cấu tạo động tuyến tính mơ tả hình 1-1, stator bao gồm cuộn dây tương ứng cho ba pha A,B C Các cuộn dây để bao roto tạo khe hở đủ nhỏ để roto chuyển động Đường kính cuộn dây thông thường từ 40 đến 70 mm Các cuộn dây xếp nối thứ tự pha Cuộn dây pha đảo ngược hướng thể dấu nháy đơn (ví dụ A’) Mỗi cuộn dây khoảng 200 vòng, tiết diện dậy lựa chọn để dòng điện lớn cỡ 8A Hình 1-1 Cấu tạo động tuyến tính [2] Rotor động bao gồm miếng đệm nhôm sử dụng cặp nam châm để ghép nam chân lại với Điều làm giảm cường độ từ thơng tăng khoảng cách nam châm, khơng khó gắn nam châm lại lực từ tạo cực nam châm đối lập Miếng đệm nhôm có độ dày 6.35mm, đường kính ngồi 58mm, đường kính 40mm Các nam châm miếng đệm nhôm gắn lại lớp bọc Các nam châm miếng đệm gắn ống với hướng NS-NS-SN-SN Các nam truyền lực từ cuộn dây Hình 1-1 Tồn phần tạo nên kích cỡ phần chuyển động roto có đường kính 64mm chiều dài 108mm Khi dán cuộn dây với nhau, lớp đệm để lại khoảng cách cuộn dây cho dây dẫn từ Các miếng đệm cắt cho đường kính lớn đường kính cuộn dây đường kính ngồi nhỏ đường kính ngồi cuộn dây Điều cho phép ống đồng trượt tự qua cuộn dây để lại phía ngồi cuộn dây có vị trí thích hợp Có miếng đệm sử dụng, bề mặt miếng đệm tạo xước để tăng độ bám dính 1.1.3 Nguyên lý làm việc động tuyến tính Nếu thực trải dài động quay tròn ta động truyền động thẳng (Xem Hình 1-1) Nguyên lý làm việc động truyền động thẳng giống động quay thông dụng dựa tượng cảm ứng điện từ Lực Lorentz động truyền động thẳng lực đẩy tác động lên phần động theo phương tịnh tiến thay việc sinh mômen quay máy điện quay thông thường Khi cho dòng điện xoay chiều vào dây quấn phần sơ cấp làm xuất từ trường chạy khe hở phần sơ thứ cấp Từ trường quét qua dẫn phần thứ cấp làm xuất chúng sức điện động cảm ứng Do dây quấn thứ cấp ngắn mạch nên sinh dòng điện ứng Từ trường chạy tác dụng với dòng điện phần ứng sinh lực điện từ có xu hướng kéo phần thứ cấp chạy chiều từ trường Vì thứ cấp cố định nên tạo phản lực có tác dụng đẩy phần sơ cấp chạy theo chiều ngược với từ trường[1] Về cấu tạo động truyền động thẳng có loại: Loại stato ngắn (Hình 1-2a) Loại stator dài (Hình 1-2b) Loại stator lược (Hình 1-2c) Trong loại loại stato ngắn sử dụng nhiều Phần tĩnh (stato) khơng cịn ý nghĩa mà phần lấy lượng vào phần sơ cấp phần ứng phần thứ cấp Cuộn dây nối với nguồn điện thường đặt phần sơ cấp Động truyền động thẳng đồng sử dụng mạch từ nam châm vĩnh cửu Phổ biến động truyền động thẳng khơng đồng Hình 1-2 Mơ hình chuyển đổi động quay sang động truyền động thẳng[1] Hình 1-3 Các dạng cấu tạo động chuyển động thẳng [1] 1.2 Xây dựng mơ hình động tuyến tính Động tuyến tính sử (LBM) dụng điện áp pha để điều khiển roto chuyển động sinh lực Để điêu khiển động LBM ta cần xây dựng mơ hình động dựa vào phương trình động học mơ tả động ua ub uc Mơ hình động tuyến tính (LBM) Fe,, x Hình 1-4 Sơ đồ khối mơ hình động tuyến tính 1.2.1 Cơng cụ xây dựng mơ hình Phép chuyển hệ trục tọa độ Điện áp cấp vào pha sinh dòng điện pha tương ứng, dòng điện pha sinh để đẩy roto chuyển động Ta có phương trình quan hệ lực dịng điện qua pha (0.1) đó, C số chia định nghĩa qua phép biến đổi hình học phức tạp Để đơn giản, C lấy theo kinh nghiệm, có đơn vị A/N dịng điện iA , iB , iC dòng điện tương ứng cuộn dây, g1 tần số dao động sóng điều hịa bản, g1 = 2p / l , với l bước từ động Độ dịch chuyển tương stator ký hiệu z , fzd lực đẩy mong muốn Sau khai triển ba phương trình, ta thu biểu thức (1.2) : (0.2) Trong phương trình (1.2) có C chưa biết Để tìm giá trị thích hợp cho C ta dùng thí nghiệm Giá trị dòng pha điều chỉnh lệch 1200 Lực đầu đo tải số điểm từ vị trí cân Vì C tỷ lệ thuận với dịng điện, nên giá trị quan trọng Nếu giá trị C khơng xác gây sai số điều khiển Do đó, C lấy giá trị trung bình qua lần đo thực nghiệm Mối quan hệ dòng điện lực đẩy Lực nam châm dòng điện cuộn dây với vị trí tính cách sử dụng phương trình lực Lorentz (0.3) Do tính đối xứng hệ tọa độ trụ, từ thông giảm: (0.4) Thay vào ta được: (0.5) Với giả thiết nam châm sử dụng đặt trung tâm trục cuộn dây nên bỏ qua thành phần lực r , thành phần lực z (0.6) Mật độ dịng điện J tính cách chia số vịng dây cuộn dây với diện tích mặt cắt ngang cuộn dây Vì vậy, để tìm lực cần xác định thành phần r Đây thành phần tạo nam châm mơ hình hoá mật độ từ M, mật độ từ hoá giả thiết đồng theo trục z : M = Miz Tại khoảng trống khơng có phân bố mật độ dịng điện, theo định luật Ampere có: (0.7) Cường độ từ trường H tính bằng: (0.8) Vì y thành phần vô hướng nên từ thông B tính: (0.9) Từ thơng tổng tính: (0.10) Vì nam châm có cường độ từ thơng khơng có sai khác từ thơng qua nam châm nên = Như vậy, cường độ từ thông cuối bề mặt nam châm, mật độ điện tích bề mặt tính bằng: (0.11) Theo biểu thức (1.10) từ thông vô hướng từ điểm không gian xung quanh nam châm tính: (0.12) Tính lực theo phương z : (0.13) Phương trình (1.13) cho ta biểu thức lực theo phương z - hướng tạo lực tương tác nam châm với cuộn dây Phương trình tổng quát cho nhiều vị trí tương đối nam châm cuộn dây Để tìm lực tổng động cơ, ta tổng hợp lực tương tác cuộn dây với nam châm vĩnh cửu Với giả thiết nam châm có cường độ từ thơng nhau, cuộn dây quấn nên lực tương tác nam châm với cuộn dây thời điểm Vì vậy, tổng lực tính ba lần lực cuộn dây gây nên Tổng lực tác dụng động hàm số dịch chuyển tương đối roto (các nam châm vĩnh cửu) sator (các cuộn dây) 1.2.2 Xây dựng mơ hình điện áp lực cho động tuyến tính dạng ống Để đơn giản, ta giả thiết sau: Điện cảm cuộn dây sator động số Chiều dài roto vô hạn để bỏ qua hiệu ứng đầu cuối Cường độ từ thông nam châm khơng đổi bỏ qua hiệu ứng bão hồ từ Áp dụng định luật Raraday, ta có hệ phương trình mơ tả động cơ: (0.14) Với y a , y b , y c từ thông liên kết cuộn dây pha a, b, c (0.15) Các từ thông y a , y b , y c tính tốn thơng qua từ trường cuộn dây, vị trí rotor chúng có giá trị cực đại y m (0.16) Giả thiết pha động cấu tạo cân bằng, tức điện trở pha nhau, hệ số tự cảm hệ số hỗ cảm pha nhau, hay Ra = Rb = Rc = Rs , La = Lb = Lc = Ls M ab = M ba = M ac = M ca = M cb = M bc = M s 10 (0.17) ... hệ thống giảm chấn tích cực Ứng dụng dụng động tuyến tính điều khiển lực dập tắt giao động hệ thống giảm chấn tích cực - Các kết luận văn Mơ hình động tuyến tính Mơ hình hệ thống giảm chấn. .. động tuyến tính mơ hình giảm chấn tích cực Chương 3: Thuật tốn điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực Phần cuối kết luận chung luận văn CHƯƠNG 1: MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1.1 Giới thiệu động tuyến. .. loại hệ thống giảm chấn 20 2.1.3 Các yêu cầu hệ thống đánh giá chất lượng giảm chấn .25 2.2 Xây dựng mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực 27 2.3.Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực