Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG -&*& - LÊ BẢO CHUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – 05/2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH Phản biện 1: PGS BÙI QUỐC KHÁNH Phản biện 2: TS NGUYỄN ANH DUY Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 05 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin Học liệu – ĐH Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu – ĐH Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: Cùng với phát triển ngày lớn mạnh ngành công nghiệp, đặc biệt ngành điều khiển tự động, yêu cầu chất lượng loại máy móc ngày cao: Các cấu máy móc đòi hỏi phải đạt độ nhanh, nhạy, xác cao, lượng phải sử dụng có hiệu Hiện nay, có robot công nghiệp có cấu chuyển động với tốc độ 10m/s độ xác tới 10 micron Cơ cấu chung cho thiết bị sử dụng động cấu truyền động khí Tuy nhiên vấn đề phát sinh chế lực ma sát, phản lực khí, độ bền học cấu Hơn nữa, có ma sát, phần lượng bị cấu này, rõ ràng điều gây lãng phí mặt kinh tế vừa làm giảm hiệu mặt truyền lượng Động tuyến tính (Linear Motor) thức công nhận từ năm 1970, nhiên chúng không sử dụng rộng rãi khó khăn mà chúng mang lại: Khó điều khiển chất lượng thấp Tuy nhiên, với phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn công suất vi xử lý có khả xử lý mạnh mẽ, khó khăn khắc phục Động tuyến tính xem công nghệ Với ưu điểm mình, động tuyến tính (và cấu tuyến tính) xem giải pháp cho vấn đề nêu Một số ưu điểm bật động tuyến tính: - Tốc độ cao - Độ xác cao Footer Page of 126 Header Page of 126 - Đáp ứng nhanh - Độ bền học cao (Do có cọ xát cấu học, chuyển động quay ) Các hệ truyền động sử dụng động tuyến tính ứng dụng nhiều lĩnh vực: Vận chuyển (tàu cao tốc), công nghệ rôbốt gia công vật liệu, thiết bị nâng, thiết bị nén bơm, thiết bị phóng tên lửa, loại cửa trượt, Mục đích, ý nghĩa đề tài:  Việc xây dựng thành công điều khiển tốc độ bước đầu để tiến tới việc xây dựng điều khiển đầy đủ (điều khiển dòng điện, điều khiển vị trí ) cho động tuyến tính không đồng  Lĩnh vực truyền động sử dụng động tuyến tính coi lĩnh vực giới, vậy, nghiên cứu thực nắm bắt xu hệ truyền động đại Điều có ý nghĩa thực tế phát triển ngành công nghiệp nước ta Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 3.1 Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu hệ truyền động điện điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô hệ thống 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu đề tài xây dựng điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng sử dụng điều khiển PID điều khiển trượt Phương pháp nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu theo bước sau đây: Footer Page of 126 Header Page of 126 4.1 Nghiên cứu lý thuyết: Ở phương pháp người nghiên cứu tìm hiểu tài liệu hỗ trợ có liên quan đến đề tài Qua người thực đưa nhận định rút nội dung cần trình bày luận văn Bên cạnh việc rút nhận định, phương pháp nghiên cứu lý thuyết giúp cho người nghiên cứu hiểu cách thức thực mô môi trường Matlab/Simulink 4.2 Nghiên cứu hệ thống, kiểm nghiệm: Sau tiến hành xây dựng mô hệ thống, so sánh, đối chiếu kết công trình trước Nếu kết thu không hợp lý cần kiểm tra lại lý thuyết để điều chỉnh lại trình mô nhằm thu kết xác Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Việc xây dựng thành công điều khiển tốc độ bước đầu để tiến tới việc xây dựng điều khiển đầy đủ (điều khiển dòng điện, điều khiển vị trí )cho động tuyến tính không đồng Lĩnh vực truyền động sử dụng động tuyến tính coi lĩnh vực giới, vậy, nghiên cứu thực nắm bắt xu hệ truyền động đại Điều có ý nghĩa thực tế phát triển ngành công nghiệp nước ta Bố cục đề tài: MỞ ĐẦU Chương 1: ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Chương 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT Chương 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH: 1.1.1 Khái niệm: 1.1.2 Sự tương đồng mạch từ mạch điện 1.1.3 Nguyên lý hoạt động động tuyến tính 1.1.4 Động tuyến tính pha 1.2 CÁC DẠNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH: 1.2.1 Động tuyến tính đồng 1.2.2 Động tuyến tính không đồng 1.2.3 Một số đặc điểm động tuyến tính không đồng Mô tả toán học động tuyến tính không đồng Mô hình thay động tuyến tính không đồng hệ tọa độ d-q với hiệu ứng đầu cuối [5,7]: Hình 1.15 Mô hình thay động tuyến tính không đồng theo trục d Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 1.16 Mô hình thay động tuyến tính không đồng theo trục q Hệ phương trình điện áp hệ tọa độ d-q [5]: Vds = Rsids + Rrf(Q).(ids + idr) + p Vqs = Rsids + p qs + ve qr - vs qs ds Vdr = Rridr +Rrf(Q).(ids + idr) + p Vqr = Rriqr + p ds + (vs-vr) dr dr – (vs – vr) qr =0 =0 Hệ phương trình từ thông hệ tọa độ d-q [5]: ds = qs = Llsiqs + Lm(iqs + iqr) dr = qr Llsids + Lm(1 - f(Q))(ids + idr) Llridr + Lm(1 - f(Q))(ids+idr) = Llriqr + Lm(ids + idr) Trong đó: Q: Hệ số đặc trưng cho hiệu ứng cuối động tuyến tính không đồng bộ: Footer Page of 126 Header Page of 126 f(Q) hàm biểu diễn theo Q thể theo phương trình: Phương trình tính toán lực điện từ: Với P số đôi cực Hình 1.21 Mô hình động tuyến tính Simulink Tiến hành mô ta thu kết sau: Hình 1.22 Tốc độ tuyến tính bỏ qua hiệu ứng cuối Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 1.23 Lực điện từ bỏ qua hiệu ứng cuối Hình 1.24 Từ thông rotor xét đến hiệu ứng cuối Hình 1.27 Tốc độ tuyến tính có hiệu ứng cuối Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Hình 1.28 Lực điện từ có hiệu ứng cuối Hình 1.30 Đồ thị biểu diễn giá trị f(Q) 1.3 CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH: Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 10 Nguyên lý điều chế dạng sóng sau: Vtri VcontrolA VcontrolB VcontrolC Hình 2.6 Điện áp điều khiển điện áp cưa b Phương pháp điều chế vector không gian 2.3.2 Phương pháp điều chế trực tiếp momen (DTC: Direct Torque Control) 2.4 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRÊN MATLAB/SIMULINK: Thực mô với chỉnh lưu không điều khiển nghịch lưu sử dụng IGBT Tín hiệu điều khiển đưa vào khối phát xung PWM điện áp đặt Uref Hình 2.15 Mô hình biến đổi công suất Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 11 Hình 2.16 Khối phát xung PWM Kết mô với Uref = 220 V: Hình 2.18 Điện áp pha Ua, Ub, Uc Hình 2.19 Điện áp dây Uab, Ubc, Uca Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1 LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID: 3.1.1 Cơ vòng điều khiển: 3.1.2 Lý thuyết điều khiển PID: a Khâu tỉ lệ b Độ trượt c Khâu tích phân d Khâu vi phân 3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID: 3.2.1 Điều chỉnh tham số theo phương pháp ZieglerNichols a Phương pháp Ziegler-Nichols thứ b Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 3.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR) a Yêu cầu tối ưu theo nhiễu hệ kín độ điều chỉnh b Yêu cầu tối ưu theo nhiễu hệ kín có độ điều chỉnh không vượt 20% c Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước (giảm sai lệch tĩnh) hệ kín độ điều chỉnh d Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước (giảm sai lệch tĩnh) hệ kín có độ điều chỉnh không vượt 20% 3.2.3 Mô điều khiển PID điều khiển động tuyến tính không đồng Sơ đồ nguyên lý: Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 13 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển PID điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Trong đó, tính điện áp xây dựng dựa giả thiết bỏ qua điện trở từ hóa, sụt áp stator tính điện trở stator Sức điện động stator Es sinh từ thông khe hở nhỏ điện áp stator lượng Iđm.Rs : Es=Uđm – Iđm.Rs Trên thực tế, sụt áp stator cần phải tính thêm sụt áp từ kháng Xs Es=Uđm – Iđm.(Rs + jXs) Các thông số điều khiển PID xác định phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai Mô Matlab/Simulink: Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 14 Hình 3.8 Mô điều khiển PID điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Hình 3.9 Khối PWM Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 15 Hình 3.10 Khối tính toán Us (Us cal) Hình 3.11 Khối phát xung PWM Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 16 Kết mô phỏng: Hình 3.13 Đáp ứng đầu với tốc độ đặt vref=8 m/s Hình 3.14 Đáp ứng đầu với tốc độ đặt vref thay đổi từ 8-10 m/s Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 17 Hình 3.15 Đáp ứng đầu với tốc độ đặt vref =8 m/s có ngoại lực tác động thời điểm 1,5s Nhận xét: Bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động theo tốc độ đặt, đáp ứng nhanh với thay đổi 3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ: 3.3.1 Lý thuyết điều khiển trượt: 3.3.2 Thiết kế điều khiển trượt điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Định nghĩa mặt trượt: Theo phương trình mô tả động học động tuyến tính không đồng công thức (1.9), suy ra: Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 18 Ta có: Trong trình trượt trạng thái ổn định: s(vr)=0, , trình điều khiển định nghĩa: Trong trình hội tụ, cần đảm bảo điều kiện cần phải kiểm tra Thay (3.10) vào phương trình đạo hàm mặt trượt (3.8) cho ta: Quá trình điều khiển định nghĩa sau: Để đảm bảo điều kiện ổn định hệ thống , cần chọn hệ số kiqs dương đủ 3.3.3 Thiết kế điều khiển trượt điều khiển dòng điện động tuyến tính không đồng Quá trình xây dựng điều khiển dòng điện tương tự điều khiển tốc độ Ta có: Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 19 Trong suốt trình trượt trạng thái hệ thống ổn định: , , Bộ điều khiển định nghĩa sau: Trong suốt trình trượt, điều kiện cần phải kiểm tra Thay (3.19) (3.20) vào phương trình đạo hàm mặt trượt , ta được: Quá trình điều khiển rời rạc định nghĩa sau: Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 20 3.3.4 Mô điều khiển trượt điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Matlab/Simulink: Sơ đồ nguyên lý: Hình 3.20 Nguyên lý xây dựng điều khiển trượt điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 21 Hình 3.21 Mô hình điều khiển trượt điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Matlab/Simulink Kết mô Matlab/Simulink: Hình 3.22 Đáp ứng tốc độ với Vref =8 m/s Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 22 Hình 3.23 Đáp ứng tốc độ Vref thay đổi từ 8-10 m/s Hình 3.24 Lực điện từ với Vref =8 m/s Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 23 Hình 3.25 Hàm f(Q) Nhận xét: Bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng xác, cho đáp ứng nhanh với thay đổi So với điều khiển PID điều khiển trượt có đáp ứng nhanh hơn, độ vọt lố nhỏ Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN: Việc nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động điều khiển tốc độ cho động tuyến tính không đồng thật cần thiết công nghệ động tuyến tính nước ta chưa phát triển, công trình nghiên cứu động tuyến tính Trong phạm vi luận văn, người nghiên cứu thực công việc sau: Thấy khác động tuyến tính động quay cổ điển Mô hình hóa động tuyến tính không đồng mô Matlab/Simulink Xây dựng điều khiển tốc độ cho động tuyến tính không đồng bộ điều khiển PID điều khiển trượt KIẾN NGHỊ: Đây đề tài mang tính nghiên cứu, việc áp dụng vào thực tế nhiều khó khăn thiếu mô hình thử nghiệm, điều kiện ngành tự động hóa nước ta Vì người nghiên cứu đề nghị trang bị mô hình thực tế để áp dụng nghiên cứu lên sản phẩm thật, góp phần phát triển cho công nghệ truyền động điện Footer Page 26 of 126 ... hoạt động động tuyến tính 1.1.4 Động tuyến tính pha 1.2 CÁC DẠNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH: 1.2.1 Động tuyến tính đồng 1.2.2 Động tuyến tính không đồng 1.2.3 Một số đặc điểm động tuyến tính không đồng. .. KHIỂN TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ: 3.3.1 Lý thuyết điều khiển trượt: 3.3.2 Thiết kế điều khiển trượt điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Định nghĩa mặt trượt:... 3.3.4 Mô điều khiển trượt điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng Matlab/Simulink: Sơ đồ nguyên lý: Hình 3.20 Nguyên lý xây dựng điều khiển trượt điều khiển tốc độ động tuyến tính không đồng