NGHIÊN cứu hệ điều KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH sử DỤNG ĐỘNG cơ POLYSOLENOID

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ POLYSOLENOID Mã số: ĐH2015-TN02-05 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hồng Quang Thái Nguyên, 2017 ii NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ThS Nguyễn Hồng Quang – Khoa Điện – Trường ĐHKT Công nghiệp PGS.TS Nguyễn Như Hiển - Khoa Điện – Trường ĐHKT Công nghiệp ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ix MỞ ĐẦU 1.Tính khoa học cấp thiết đề tài 2.Mục tiêu đề tài 3.Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1.1 Những đặc điểm hệ truyền động thẳng 1.1.1Phương pháp tạo chuyển động tuyến tính gián tiếp: 1.1.2 Phương pháp tạo chuyển động tuyến tính trực tiếp: 1.1.3 Những nhược điểm tồn hệ thống sử dụng động tuyến tính: 1.2 Lịch sử phát triển ứng dụng động tuyến tính 1.2.1 Vài nét lịch sử phát triển động tuyến tính 1.2.2 Những ứng dụng động tuyến tính áp dụng thực tiễn 1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc cách phân loại động tuyến tính 1.3.1 Nguyên lý làm việc động tuyến tính 1.3.2 Các dạng cấu tạo động tuyến tính 10 1.3.3 Phân loại động tuyến tính 11 CHƯƠNG : ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KÍCH THÍCH VĨNH CỬU DẠNG LYSOLENOID ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG DẠNG POLYSOLENOID 14 2.1 Động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid 14 2.2 Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid 15 2.3 Khái quát tình hình nghiên cứu điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid nước giới 15 2.3.1 Tình hình nghiên cứu nước: 15 2.3.2 Tình hình nghiên cứu giới: 15 2.3.3 Kết luận: 16 CHƯƠNG : MƠ HÌNH HĨA ĐCTTĐB KTVC POLYSOLENOIDE 17 iv 3.1 Biểu diễn vector khơng gian động hai pha tuyến tính đồng kích thích vĩnh cửu 17 3.2 Mô hình tốn học động pha tuyến tính đồng kích thích vĩnh cửu 20 CHƯƠNG XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH POLYSOLENOID VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 23 4.1 Nguyên lý tựa phẳng việc vận dụng cho động Polysolenoid 23 4.1.1 Cấu trúc điều khiển 25 4.1.2 Mô kiểm chứng 29 4.1.3 Nhận xét: 31 4.2 Phương pháp TTHCX vấn đề áp dụng cho động tuyến tính ĐB – KTVC 32 4.2.1 Cấu trúc điều khiển 33 4.2.2 Mô kiểm chứng 37 4.2.3 Nhận xét: 38 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KTVC POLYSOLENOID 40 5.1 Đề xuất cấu trúc bàn thí nghiệm 40 5.2 Điều chế vetor không gian cho động pha 40 5.3 Giới thiệu card DSPACE1104 45 5.3.1 Tổng quan Card DS1104 45 5.3.2 Thông tin Card DS1104 46 5.3.3 Sơ đồ giao tiếp DSP PC 46 5.3.4 Giới thiệu khối điều khiển sử dụng thiết kế 47 5.3.5 Cài đặt Card DS1104 48 5.3.5.1 Cài đặt môi trường làm việc Card DS1104 matlab 48 5.3.5.2 Cài đặt khối điều khiển sử dụng thiết kế 49 5.3.6 Lưu đồ thuật toán giao tiếp matlab-simulink control desk 51 5.4 Thiết kế khối driver cho van IGBT 53 5.5 Thiết kế mạch đo 57 5.6 Thiết kế mạch Deadtime 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 v PHỤ LỤC 64 vi DANH MỤC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU Hình 1.1 Tạo chuyển động thẳng sử dụng đai truyền Hình 1.2 Tạo chuyển động thẳng sử dụng động tuyến tính .4 Hình 1.3 Tạo chuyển động thẳng sử dụng trục vít Hình 1.4 Các ứng dụng động tuyến tính Hình 1.5 Các ứng dụng dây chuyền sử dụng động tuyến tính .8 Hình 1.6 Hình ảnh tầu Transrapid đoạn đường chạy thử nghiệm Hình 1.7 Nguyên lý chuyển đổi từ động quay sang động tuyến tính Hình 1.8 Single-slided linear motor 10 Hình 1.9 Double-slided linear motor .10 Hình 1.10 Polysonenoid linear motor 11 Hình 1.11 Các biến dạng động tuyến tính .11 Hình 1.12 Động tuyến tính dạng Stator dài dạng phẳng dạng ống .12 Hình 13 Động tuyến tính dạng Stator ngắn dạng phẳng dạng ống 12 Hình 1.14 Phân loại động tuyên tính theo nguyên lý làm việc kết cấu hình học.12 Hình 1.15 So sánh mật độ lực ĐCTT làm việc theo nguyên lý KĐB ĐB 13 Hình 2.1 Rotor động Polysolenoid 14 Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bên ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid 14 Hình 3.1 Vector dịng Stator 18 Hình 3.2 Hệ tọa độ quay dq động tuyến tính 19 Hình 3.3 Vector dòng stator hệ trục αβ hệ trục dq 19 Hình 3.4 Góc lệch trục d  19 Hình 3.5 Mô hình trạng thái ĐCTT ĐBKTVC hệ tọa độ dq 22 Hình 4.1 Cấu trúc ĐK động tuyến tính polysolenoid sử dụng phương pháp phẳng 28 Hình 4.7 Kết mơ với quỹ đạo đặt x(t)=0.1t 30 Hình 4.8 Kết mô với x(t)=0.5sin(2t) 31 Hình 4.9 Cấu trúc đối tượng phi tuyến sau TTHCX(chuyển tọa độ trạng thái) 32 Hình 5.1 Cấu trúc bàn thí nghiệm sử dụng động Polysolenoid 40 Hình 5.2 Nghịch lưu nhánh van cho động pha 41 Hình 5.3 Nghịch lưu đơn chế tạo trạng thái logic, ứng với vector điện áp chuẩn : u1 (logic 10: hình a), u2 (logic 01: hình b), u0,u3 (logic 00,11) vector có module (hình c,d) 41 Hình 5.4 Sơ đồ bố trí vector chuẩn không gian vector 43 Hình 5.5 Mẫu xung điều khiển van thuộc các góc phần tư Q1-Q4 44 Hình 5.6 Sơ đồ giao tiếp DSP PC 47 Hình 5.7: Cài đặt môi trường làm việc cho Card DS1104 49 Hình 5.8 : Hình ảnh khối DS1104MUX_ADC 49 Hình 5.9: Hình ảnh khối DS1104SL_DSP_PWM3 50 Hình 5.10 : Lưu đồ thuật toán giao tiếp matlab-simulink control desk 51 Hình 5.11 Giao diện kết nối 52 vii Hình 5.12 Cổng kết nối BNC .52 Hình 5.13 Cổng kết nối Icremental Encoder 53 Hình 5.14 Cổng vào số PWM 53 Hình 5.15 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 53 Hình 5.16 Sơ đồ khối chức IR21531 54 Hình 5.17 Mạch ứng dụng HCPL 3120 55 Hình 5.18 Cấu tạo INA129/128 58 Hình 5.19 Mạch deadtime 58 Hình 5.20 Cấu trúc tổng thể bàn thí nghiệm 60 Hình 5.21 Mạch Driver bàn thí nghiệm 60 Bảng 1.1 So sánh hệ chuyển động theo [20] (+: tốt; -: xấu) .6 Bảng 1.2 Mật độ lực ĐCTT làm việc theo nguyên lý khác .13 Bảng 5.1 Giá trị logic vector chuẩn 42 Bảng 5.2 Các vector chuẩn cho sector 43 Bảng 5.3 Thông số IC 54 Bảng 5.4 Thông số IRG4BC20KD 59 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Lsd, Lsq H điện cảm stator dọc trục ngang trục M kg khối lượng rotor us, is V, A ifs ,iss A v, ve m/s Rs Ω điện trở stator isα, isβ A Thành phần dòng stator trục α, trục β isd, isq A dòng điện trục dq usd, usq V điện áp trục dq uss, ufs V Vector us : Trên hệ tọa độ dq, αβ  mm vector điện áp stator, dòng điện stator vector is : Trên hệ tọa độ dq, αβ vận tốc cơ, vận tốc điện bước cực số đôi cực p υs rad góc pha từ thơng Ψs, Ψp Wb từ thơng stator rotor x, x0 mm vị trí vị trí ban đầu động tuyến tính Chữ viết tắt Ý nghĩa ĐCTT Động tuyến tính ĐBKTVC Đồng kích thích vĩnh cửu T4 R Tựa theo từ thơng rotor FOC Điều khiển tựa từ thông rotor SVM Điều chế vector khơng gian TTHCX Tuyến tính hố xác ĐB-KTVC Đồng - kích thích vĩnh cửu ĐCD Điều chỉnh dòng ĐC, ĐK Điều chỉnh, điều khiển TKTT Tách kênh trực tiếp PHTT Phản hồi trạng thái VĐK Vi điều khiển MIMO Multi input – multi output ix KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung - Tên đề tài: Nghiên cứu hệ điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động Poloysolenoid - Mã số: ĐH2015-TN02-05 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Hồng Quang Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên - Thời gian thực hiện: từ tháng 01/năm 2015 đến tháng 12/năm 2016 Mục tiêu Mơ hình hóa động tuyến tính Đề xuất phương án chuyển hệ tọa độ mơ tả tốn học mơ hình để sử dụng cấu trúc tách kênh trực tiếp cấu trúc điều khiển Đề xuất phương pháp điều khiển phi tuyến cho cấu trúc điều khiển tách kênh trực tiếp Vận dụng các phương pháp điều khiển cho ĐCTT nhằm nâng cao chất lượng động học động lực học Mô kiểm chứng kết máy tính Đề xuất cấu trúc xây dựng bàn thí nghiệm sử dụng để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết với động Polysolenoid Tính sáng tạo - Với nguồn tham khảo báo luận văn lưu trữ thư viện quốc gia Việt Nam thì chưa có cơng trình nước nghiên cứu điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid thực - Đề tài nghiên cứu tổng quan các phương pháp điều khiển cho động tuyến tính dạng Polysolenoid Xây dựng mơ tốn học đề xuất các phương pháp điều khiển phi tuyến cho động Polysolenoid Các kết cụ thể công bố báo tạp chí quốc tế Đề xuất cấu trúc xây dựng thành cơng bàn thí nghiệm sử dụng động tuyến tính Polysolenoid Kết nghiên cứu - Đã xây dựng mơ tả tốn học cho động Polysolenoid - Nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển cho hệ phi tuyến nhiều vào nhiều có ảnh hưởng xen kênh lớn - Thiết kế điều khiển cho động Polysolenoid - Mô kiểm chứng kết máy tính x - Xây dựng bàn thí nghiệm thiết bị thực - Tiến hành thí nghiệm thiết bị thực để chứng minh tính đắn thuật toán điều khiển Sản phẩm 5.1 Sản phẩm khoa học (1) Quang NH, Nam DP, Ty NT, Hung NM, Hien NN, Tan VD (2016), “Flatness Based Control Structure for Polysolenoid Permanent Stimulation Linear Motors”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 03 Issue 12, pp 57-63 (2) Quang NH, Nam DP, Hung NM, Hien NN, Ty NT, Chi NP (2017), “Design an Exact Linearization Controller for Permanent Stimulation Synchronous Linear Motor Polysolenoid”, SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE), Volume 04 Issue 1, pp 7-12 5.2 Sản phẩm đào tạo Sản phẩm đào tạo gồm luận văn thạc sĩ đồ án tốt nghiệp sinh viên Cụ thể sau: (1) Phan Trọng Đạt (2015), Thiết kế điều khiển cho hệ truyền động tuyến tính sử dụng động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, Đề tài luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa (2) Nguyễn Ngọc Liêm (2016), Thiết kế điều khiển tách kênh cho truyền động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, Đề tài luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa (3) Trần Phúc Huy (2016), Mơ hình hóa mơ động Polysolenoid, Đồ án tốt nghiệp ngành Tự Động Hóa (4) Triệu Đình Thắng (2016), Xây dựng nguyên lý bàn thí nghiệm động Polysolenoid, Đồ án tốt nghiệp ngành Tự Động Hóa 5.3 Sản phẩm ứng dụng - Chương trình mô hệ thống - Thuật toán điều khiển - Bàn thí nghiệm sử dụng động tuyến tính dạng Polysolenoid Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu - Kết đề tài hệ thống thiết bị thí nghiệm thực dùng làm bàn thí nghiệm cho môn học điện tử công suất, truyền động điện trường đại học kỹ thuật công nghiệp 55 Khối driver biến áp xung Sử dụng driver cho IGBT HCPL3120 Đây IC cách ly quang , dòng lên tới 2A Hình 5.17 Mạch ứng dụng HCPL 3120 Thiết kế máy biến áp xung Tính thơng số cho biến áp: Cách chọn lõi : kiểu lõi kích thước lõi chọn dựa vào thơng số sau : Ae Aw : Diện tích mặt cắt ngang (diện tích hình trụ ở giữa) (mm2) : Vùng quấn dây (mm2) Bsat : mật độ từ thẩm bão hòa ( Tesla) Thường chọn 0.3 ~ 0.35 T Một hệ số quan trọng, ảnh hướng trực tiếp đến dạng điện áp biến áp xung độ tự cảm cuộn dây sơ cấp, tính theo cơng thức sau đây: I EDC  Pin V Dmax DC (5.3) Trong đó: Pin : cơng suất ngõ vào lớn Được xác định bởi công thức: Pin  P0 E ff (5.4) P0: Công suất ngõ lớn Eff: Hiệu suất, thường chọn khoảng 0.7~0.85 VDC fs : Điện áp DC vào nhỏ : Tần số làm việc K RF : Hệ số gợn sóng + Đối với chế độ dẫn điện khơng liên tục (discontinuous conduction mode:DCM) KRF =1 56 + Đối với chế độ dẫn điện liên tục (continuous conduction mode : CCM) KRF=0) absUan=Uan; else absUan=-Uan; if(absUan>1) absUan=1; if (Ubn>=0) absUbn=Ubn; else absUbn=-Ubn; if (absUbn>1) absUbn=1; t1=absUan*Tx; t2=absUbn*Tx; t0=Tx-(t1+t2); if(Ubn > 0){ if(Uan > 0) { /* Q1 */ Ta_ngat=0; Tb_ngat=t1; Tc_ngat=Tx-t2; Td_ngat=Tx; } else { /* Q2 */ Ta_ngat=t1; 68 Tb_ngat=0; Tc_ngat=Tx-t2; Td_ngat=Tx; } } else{ if(Uan