Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC​

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN MẠNH TIẾN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Thái Ngun - 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii MỤC LỤC Trang Mục lục………………………………………………………………….……………….i Lời cam đoan:……………………………………………………… ………… … …iv Lời cảm ơn:………………………………………………………………….…… … v Danh mục ký hiệu chữ viết tắt…………………………… ……………… ….… vi Mục lục hình vẽ ………….………………………………………………………….….ix MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁYCNC…………………………………… .41 CẤU TẠO……………………………………………………………… ….4 1.1.1 Phân loại…………… ……………………………………… ………….4 1.1.2 Cấu tạo động chạy thẳng kích thích vĩnh cửu (ĐCCTĐBKTV… 1.2 Nguyên lý làm việc……………………………………………………… 1.2.1 Đặc điểm hệ chuyển động thẳng…… ,…………………… .7 1.2.2 Xác định vận tốc tối ưu cho động cơ……………………………….… 1.3 Phạm vi ứng dụng ðộng cõ tuyến tính với máy cơng cụCNC… 1.3.1 Máy tiện………………………………………… ……………… .…9 1.3.2 Máy phay ………………….……………………………… ……… 11 1.3.4 Máy mài…………………………… …………………….………… 16 1.4 Kết luận………………………………………………………………… 22 CHƯƠNG MƠ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC………………………………………………………………………… 23 2.1 So sánh động đồng kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) động chạy thẳng kiểu đồng kích thích vĩnh cửu (ĐCCTĐB-KTVC) ………… 23 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii 2.1.2 Nguyên lý làm việc……………………………………………….… 23 2.1.3 Hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC……………… 24 2.2 Mơ hình tốn học đối tượng MĐĐB-KTVC………………………………25 2.2.1 Biểu diễn vector không gian đại lượng pha…………… …… 25 2.2.2 Mơ hình trạng thái liên tục MĐĐB-KTVC………………………30 2.2.3 Mơ hình tốn học động chạy thẳng kiểu đồng kích thích vĩnh cửu (ĐCCT-ĐBKTVC)…………………………………………………………….…33 2.2.4 Mơ hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối… 34 2.4 Kết luận chương 2…………………………………………………………36 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CHO ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH……………………………………………………………… …38 3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa xác (phương pháp phi tuyến)…………………………………………………………….… 38 3.2 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hóa xác…………………………………………………………………….… 39 3.3 Tổng hợp điều khiển PI (Mạch vòng dòng điện, mạch vòng vận tốc) ………………………………………………………………………… ……44 3.3.1 Tổng hợp mạch vòng ĐC vector dòng điện…………………… … 44 3.3.2 Tổng hợp vòng ĐC vận tốc ……………………………………….…45 3.4 Kết luận chương 3…………………………………………….…….….… 47 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ KÊT LUẬN……………………………………………………………………… … 48 4.1 Sơ đồ tham số mô phỏng……….……………………… ………… ….48 4.1.1.Sơ đồ mô với điều khiển TTHCX.…………………….…… 48 4.1.2 Sơ đồ simulink khối điều khiển TTHCX………………………….… 48 4.1.3 Các thông số mô phỏng:…………………………… … ……… … 49 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv 4.2 Kết mô phỏng…….………………………………………………….….49 4.2.1 Kết mô với điều khiển TTHCX PI thường.………… 49 4.2.2 Nhận xét kết mô phỏng…………………………………………… 57 4.3 Hệ thống thí nghiệm kết quả……………………………………….…….58 4.3.1.Thiết bị thí nghiệm………………………………………………… … 58 4.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển sơ đồ thí nghiệm………….…… 60 4.3.3 Kết thí nghiệm………………………………………….……… 66 4.4 Kết luận chương 4……………………………………………………… ….71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………… …………….…….72 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………… …………………….…73 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Mạnh Tiến Sinh ngày: 28 tháng 08 năm 1981 Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Hiện côn tác tại: Trường Cao Đẳng Công Nghệ Và Kinh Tế Công Nghiệp Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa công bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Trần Mạnh Tiến Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phịng ban, thầy giáo đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Cao Xuân Tuyển tận tình hướng dẫn trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giáo Trung tâm Thí nghiệm, phịng thí nghiệm Khoa Điện - Trường Đại Học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hồn thành thí nghiệm điều kiện tốt Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn cịn thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Lsd, Lsq m us ,is Rs v , ve Fm ,Ffc isd , isq usd , usq τ p ψp Ω e, Ω m xp ,x Jm, Jl, Js, Jp T fc B m ,Bl T trans(θ) Tfcm,T fcl,T fcp Tpos(θ m),T pos(θ l) Nm Fpos (x) Фg R Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Fabc(x,t) F(xt) kωlν l* l/3 Lsa ,Фsa , ψsa ,Bsa B,Bp Bsm , Bpm ψp N fs i ,i ,i ,i rd rq sd sq tọa độ dq Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ix Chữ viết tắt Ý nghĩa TTHCX Tuyến tính hố xác ĐB-KTVC Đồng - kích thích vĩnh cửu ĐCD Điều chỉnh dòng ĐC, ĐK Động cơ, điều khiển TKTT Tách kênh trực tiếp PHTT Phản hồi trạng thái TĐTT Tọa độ trạng thái VĐK Vi điều khiển SVM Điều chế vectơ không gian MIMO Multiinput – multioutput ĐCTT Động tuyến tính T4R Tựa từ thơng rotor Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn x MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Từ trường nam châm vĩnh cửu xếp liên tiếp Hình 1.2 Mạch từ gồm 36 rãnh Hình 1.3 Dây quấn động Hình 1.4 Chiều chuyển động từ trường phần động Hình 1.5 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC Hình 1.6 Hình ảnh ĐCTT thu trải dài động quay tròn Hình 1.7 Vận tốc tối ýu cho ðộng cõ Hình 1.8 Máy tiện TAKISAWA TNR200-CNC Hình 1.9 Máy phay CNC Hình 1.10 Máy bào giường Hình 1.11 Nguyên lý máy bào giường Hình 1.12 Đồ thị tốc độ cho chu kỳ Hình 1.13 Máy mài trịn ngồi Hình 1.14 Máy mài trịn Hình 1.15 Máy mài phẳng Hình 1.16 Máy bào phẳng CNC Hình 2.1 Xây dựng vector khơng gian dịng stator từ đại lượng pha Hình 2.2 Biểu diễn dịng điện stator dạng vector khơng gian hệ tọa độ  Hình 2.3 Vector dịng stator hệ tọa độ αβ, ab dq Hình 2.4 Chuyển hệ tọa độ cho vector khơng gian V Hình 2.5 Mơ tả ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối ĐCTT loại KĐB Hình 2.6 (a Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b Mạch từ tương đương mô tả ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 70 Hình 4.45 Nguyên lý điều khiển Hystereris pha Nếu dòng điện i đo nhỏ giá trị đặt, ta tăng thêm lượng giá trị F, điện áp buộc phải qua giá trị cực dịng điện tăng nhanh Nếu dòng điện lớn giá trị đặt, ta phải giảm lượng F, điện áp buộc phải giá trị cực tiểu để dòng điện giảm cách nhanh Điều khiển mạch Trigo có trễ ngưỡng 2F cần thiết cho điều khiển iR i Hình 4.46 Sơ đồ điều khiển Hystereris dòng pha, iR dòng điện đặt iaR + Ca ` Ca ibR + Cb ` Cb icR + Cc ` Cc Cảm biến dòng điện ia ib ic Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 71 Hình 4.47 Sơ đồ chức điều khiển trễ Hystereris dịng pha Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 72 ia iar Hình 4.48 Bộ so sánh sơ đồ điều khiển trễ Hystereris 4.3.3 Kết thí nghiệm a Dịng điện vào biến tần Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 73 b Dòng điện dây vào động Hình 4.53 Dịng điện dây vào động Hình 4.54 Dịng điện dây tần số đặt tăng từ đến Hz vào động tần số đặt 1Hz Hình 4.55 Dịng điện dây vào động tần số đặt từ 1Hz tăng lên Hz Hình 4.56 Dịng điện dây vào động tần số đặt từ 2Hz giảm xuống 1Hz Hình 4.57 Dịng điện dây vào động tần số đặt từ xuống 1Hz Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 74 c Điện áp đặt vào động Hình 4.59 Điện áp đặt vào Hình 4.58 Điện áp đặt vào động động tần số đặt Hz tần số đặt tăng từ đến Hz Hình 4.61 Điện áp đặt vào Hình 4.60 Điện áp đặt vào động động tần số đặt giảm từ tần số đặt tăng từ 1Hz Hz đến Hz đến Hz Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 75 Hình 4.62 Điện áp đặt vào động tần số đặt giảm từ Hz *Nhận xét kết thí nghiệm - Hình 4.49 Khi tốc độ tăng từ đến giá trị đặt ứng với tần số tăng từ đến 1Hz, biên độ dòng vào biến tần tăng từ đến giá trị tương ứng Còn tần số f = 50 Hz tần số nguồn - Hình 4.50 Dịng điện vào biến tần tần số đặt 1Hz, tốc độ ổn định, tần số dòng ổn định biên độ ổn định - Hình 4.51 Khi tốc độ giảm ứng với tần số đặt giảm từ Hz xuống 1Hz ta có tần số f = 50 Hz biên độ giảm - Hình 4.52 Dịng điện vào biến tần tần số đặt từ 2Hz giảm 0Hz, tần số không đổi biên độ giảm - Hình 4.53 Dịng điện dây vào động tần số đặt tăng từ đến Hz tốc độ tăng tương ứng, qua kết thí nghiệm ta thấy tần số dịng điện tăng theo tần số đặt từ đến Hz đồng thời độ lớn dòng điện tăng đến giá trị tương ứng với lực điện từ đặt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 76 - Hình 4.54 Dịng điện dây vào động tần số đặt 1Hz: Qua kết thí nghiệm ta thấy tần số dòng điện thực ổn định tần số Hz với biên độ không đổi - Hình 4.55 Dịng điện dây vào động tần số đặt từ 1Hz tăng lên Hz: Tần số dòng điện thực tăng tương ứng theo tần số đặt, biên độ dòng điện thực tăng lực ma sát tăng - Hình 4.56 Dịng điện dây vào động tần số đặt từ 2Hz giảm xuống 1Hz: Tần số dòng điện thực giảm tương ứng theo tần số đặt, biên độ dòng điện thực giảm lực ma sát giảm - Hình 4.57 Dòng điện dây vào động tần số đặt từ 1Hz 0:Qua thí nghiệm ta thấy tần số dòng điện thực giảm 0, biên độ giảm từ giá trị tương ứng với tần số Hz - Hình 4.58 Điện áp đặt vào động tần số đặt tăng từ đến Hz: qua kết thí nghiệm ta thấy tần số điện áp tăng theo tần số đặt từ đến Hz - Hình 4.59 Điện áp đặt vào động tần số đặt Hz: Qua kết thí nghiệm ta thấy tần số điện áp thực ổn định tần số Hz - Hình 4.60 Điện áp đặt vào động tần số đặt tăng từ 1Hz đến Hz: Tần số điện áp thực tăng tương ứng theo tần số đặt - Hình 4.61 Điện áp đặt vào động tần số đặt giảm từ 2Hz đến Hz: Tần số điện áp thực giảm tương ứng theo tần số đặt - Hình 4.62 Điện áp đặt vào động tần số giảm từ Hz 0: Qua thí nghiệm ta thấy tần số điện áp thực giảm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 77 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Ở chương luận văn trình bày kết mô thực nghiệm Việc mô thực với điều khiển dòng điều khiển vận tốc tuyến tính hóa xác với điều khiển TTHCX PI Kết mô cho thấy đại lượng thực bám theo đại lượng đặt với chất lượng tốt,đồng thời kết mô cho thấy chất lượng hệ thống điều khiển, sử dụng điều khiển TTHCX tốt điều khiển PI Luận văn tiến hành thí nghiệm với điều khiển dịng theo nguyên tắc trễ Hysteresis điều khiển vận tốc PI thường Mạch vịng điều khiển vị trí đươc thực thông qua hệ thống vi xử lý PLC Hệ thống vi xử lý làm nhiệm vụ xác định vị trí ban đầu động cơ, nhận vị trí đặt, sở thơng qua PLC biến tần xác định vận tốc tối ưu thời gian tối ưu đưa tới đầu vào điều khiển vận tốc biến tần để điều khiển xác vị trí động Chất lượng hệ thống điều khiển thí nghiệm khảng định tốt Do hạn chế thiết bị thí nghiệm nên luận văn chưa thực cài đặt điều khiển dòng điều khiển vận tốc TTHCX hướng phát triển đề tài Tuy nhiên nước có cơng trình nghiên cứu [6] Trong ứng dụng thành cơng điều khiển dịng điều khiển vận tốc theo phương pháp TTHCX Điều khảng định tính khả thi việc áp dụng điều khiển thiết kế luận văn vào thự tế Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau phân tích nhiệm vụ cần phải tiến hành nghiên cứu ĐCTT loại ĐB- KTVC sử dụng hệ chuyển động thẳng trực tiếp tình hình nghiên cứu loại động này, luận văn vấn đề cần khai thác biện pháp giải cụ thể Những đóng góp luận văn: Sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến (TTHCX) để điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC cho phép điều khiển đại lượng vật lý bám xác theo giá trị đặt cho trước như: Dòng điện, lực điện từ, vận tốc, vị trí + Phương pháp điều khiển TTHCX thực điều khiển phân ly thành phần dịng điện tạo từ thơng tạo lực đẩy điện từ + Nâng cao chất lượng điều khiển điều khiển TTHCX so với điều khiển PI tổng hợp theo phương pháp mô dun đối xứng Xây dựng mơ hình mơ hệ thống thí nghiệm cho thấy khả thực việc tạo điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC Hệ thí nghiệm truyền động ĐCTT thử nghiệm với động LSE1K1004/LSM1006 (công suất 480 W) đảm bảo động chuyển động với tốc độ có dạng hình sin điều kiện khơng tải có tải Đề xuất nghiên cứu tiếp theo: + Cài đặt điều khiển dòng điều khiển vận tốc TTHCX vào vi xử lý để điều khiển động tuyến tính + Sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến đại khác để nâng cao chất lượng điều khiển ĐCTT + Phát triển ứng dụng hệ điều khiển ĐCTT máy CNC rô bốt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt : [1] Phạm Lê Chi, Nguyễn Quang Tuấn , Nguyễn Phùng Quang (2005), “Cấu trúc tách kênh trực tiếp điều khiển hệ thống máy phát điện không đồng nguồn kép”, Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động , ( 6), 2835 [2] Phùng Ngọc Lân (2001), Tổng hợp hệ thống điều khiển thiết bị phát điện chạy sức gió dùng máy điện dị nguồn kép, kiểm chứng nguyên lý qua mô MATLAB & Simulink, Luận văn thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung(2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Đào Phương Nam, Nguyễn Phùng Quang ( 2011), Xác định vị trí đỉnh cực ban đầu động tuyến tính loại đồng kích thích vĩnh cửu sử dụng phương pháp điều khiển lực đẩy, Hội nghị Điều khiển Tự động hóa tồn quốc lần thứ nhất- VCCA- 2011 [6] Đào Phương Nam (2012), Nâng cao chất lượng hệ chuyển động thẳng cách sử dụng hệ truyền động động tuyến tính, Luận án tiến sĩ tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, Trường đại học bách khoa Hà Nội [7] Cao Xuân Tuyển, (2008) Tổng hợp thuật toán phi tuyến sở phương pháp Backstepping để điều khiển máy điện dị nguần kép hệ thống máy điện sức gió,Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường đại học bách khoa Hà Nội Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 80 Tài liệu tiếng Anh : [8]Roma Rinkeviciene, Saulius Lisauskas, Vygintas Batkauskas, “Application and analysis of linear induction motors in mechotronic systems” Doctoral school of energy- and geo- technology, January 15-20,2007 Kuesaare, Estonia [9]Jack Barrett, Timharned, Jimmonnich, “Linear Motors Basies”, Parker Hannijin Corporation [10] “Linear Motors Applycation Guide”, Aerotech [11] “Linear Motors series”, Yaskawa [12] Samuel Chevailler,”Comparative study and selection criteria of linear motors”, Ecole Polytechniqve, Suisse, EPFL,2006 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CHO ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH……………………………………………………………… …38 3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa. .. loại động hy vọng phần khắc phục đặc điểm Luận văn có nhiệm vụ đặt ? ?Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xác để điều khiển động tuyến tính máy CNC” với mục tiêu Thiết kế điều khiển. .. gian với điều khiển dòng điều khiển vận tốc PI Hình 4.14 Điện áp dây đặt vào động với điều khiển dòng TTHCX điều khiển vận tốc PI Hình 4.15 Điện áp dây đặt vào động với điều khiển dòng điều khiển