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

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 Công trình được hoàn thành tại 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 sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại 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. 1 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành điều khiển tự động, yêu cầu chất lượng đối với các loại máy móc ngày càng cao: Các cơ cấu máy móc đòi hỏi phải đạt độ nhanh, nhạy, chính xác cao, năng lượng phải được sử dụng có hiệu quả. Hiện nay, đã có những robot công nghiệp có những cơ cấu có thể chuyển động với tốc độ 10m/s và độ chính xác tới 10 micron. Cơ cấu chung cho những thiết bị này là sử dụng động cơ và các cơ cấu truyền động cơ khí. Tuy nhiên vấn đề phát sinh đối với cơ chế này là lực ma sát, các phản lực cơ khí, độ bền cơ học của các cơ cấu .Hơn nữa, do có ma sát, một phần năng lượng đã bị mất đi trên các cơ cấu này, rõ ràng điều này ngoài gây ra sự lãng phí về mặt kinh tế vừa làm giảm hiệu quả về mặt truyền năng lượng. Động cơ tuyến tính (Linear Motor) chính thức được công nhận từ những năm 1970, tuy nhiên chúng không được sử dụng rộng rãi bởi vì những khó khăn mà chúng mang lại: Khó điều khiển và chất lượng thấp. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và các bộ vi xử lý có khả năng xử lý mạnh mẽ, những khó khăn đó đã được khắc phục. Động cơ tuyến tính hiện đang được xem là công nghệ mới. Với những ưu điểm của mình, động cơ tuyến tính (và các cơ cấu tuyến tính) đang được xem là 1 trong những giải pháp cho những vấn đề đã nêu ở trên. Một số ưu điểm nổi bật của động cơ tuyến tính: - Tốc độ cao. - Độ chính xác cao. 2 - Đáp ứng nhanh. - Độ bền cơ học cao (Do ít có sự cọ xát các cơ cấu cơ học, các chuyển động quay .) . Các hệ truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Vận chuyển (tàu cao tốc), công nghệ rôbốt và gia công vật liệu, các thiết bị nâng, các thiết bị nén và bơm, thiết bị phóng tên lửa, các loại cửa trượt, . 2. Mục đích, ý nghĩa của đề tài:  Việc xây dựng thành công bộ điều khiển tốc độ là bước đầu để tiến tới việc xây dựng bộ điều khiển đầy đủ (điều khiển dòng điện, điều khiển vị trí .) cho động cơ tuyến tính không đồng bộ.  Lĩnh vực truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được coi là một lĩnh vực mới trên thế giới, vì vậy, nghiên cứu về nó cũng là thực hiện nắm bắt xu thế mới của các hệ truyền động hiện đại. Điều này càng có ý nghĩa trong thực tế phát triển các ngành công nghiệp ở nước ta. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3.1. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động điện điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ. Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống 3.2. Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của đề tài là xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển trượt. 4. Phương pháp nghiên cứu: Đề tài được nghiên cứu theo các bước sau đây: 3 4.1. Nghiên cứu lý thuyết: Ở phương pháp này người nghiên cứu tìm hiểu các tài liệu hỗ trợ có liên quan đến đề tài. Qua đó người thực hiện đưa ra những nhận định và rút ra được nội dung cần trình bày trong luận văn. Bên cạnh việc rút ra những nhận định, phương pháp nghiên cứu lý thuyết còn giúp cho người nghiên cứu hiểu được cách thức thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink. 4.2. Nghiên cứu hệ thống, kiểm nghiệm: Sau khi tiến hành xây dựng và mô phỏng hệ thống, so sánh, đối chiếu kết quả của các công trình đi trước. Nếu kết quả thu được không hợp lý cần kiểm tra lại lý thuyết để điều chỉnh lại quá trình mô phỏng nhằm thu được kết quả chính xác. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Việc xây dựng thành công bộ điều khiển tốc độ là bước đầu để tiến tới việc xây dựng bộ điều khiển đầy đủ (điều khiển dòng điện, điều khiển vị trí .)cho động cơ tuyến tính không đồng bộ. Lĩnh vực truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được coi là một lĩnh vực mới trên thế giới, vì vậy, nghiên cứu về nó cũng là thực hiện nắm bắt xu thế mới của các hệ truyền động hiện đại. Điều này càng có ý nghĩa trong thực tế phát triển các ngành công nghiệp ở nước ta 6. 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. 4 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 giữa mạch từ và mạch điện 1.1.3. Nguyên lý hoạt động động cơ tuyến tính 1.1.4. Động cơ tuyến tính 3 pha 1.2. CÁC DẠNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH: 1.2.1. Động cơ tuyến tính đồng bộ 1.2.2. Động cơ tuyến tính không đồng bộ 1.2.3. Một số đặc điểm động cơ tuyến tính không đồng bộ Mô tả toán học động cơ tuyến tính không đồng bộ Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng bộ trên hệ tọa độ d-q với hiệu ứng đầu cuối [5,7]: Hình 1.15. Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng bộ theo trục d 5 Hình 1.16. Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng bộ theo trục q Hệ phương trình điện áp trên hệ tọa độ d-q [5]: V ds = R s i ds + R r f(Q).(i ds + i dr ) + p ds - v s qs V qs = R s i ds + p qs + v e ds V dr = R r i dr +R r f(Q).(i ds + i dr ) + p dr – (v s – v r ) qr =0 V qr = R r i qr + p qr + (v s -v r ) dr =0 Hệ phương trình từ thông trên hệ tọa độ d-q [5]: ds = L ls i ds + L m (1 - f(Q))(i ds + i dr ) qs = L ls i qs + L m (i qs + i qr ) dr = L lr i dr + L m (1 - f(Q))(i ds +i dr ) qr = L lr i qr + L m (i ds + i dr ) Trong đó: Q: Hệ số đặc trưng cho hiệu ứng cuối của động cơ tuyến tính không đồng bộ: ( 1.1) ( 1.2) ( 1.3) ( 1.4) ( 1.8) ( 1.6) ( 1.7) ( 1.5) ( 1.9) 6 f(Q) là một hàm biểu diễn theo Q được thể hiện theo phương trình: Phương trình tính toán lực điện từ: Với P là số đôi cực. Hình 1.21. Mô hình động cơ tuyến tính trên Simulink Tiến hành mô phỏng ta thu được kết quả như sau: Hình 1.22. Tốc độ tuyến tính khi bỏ qua hiệu ứng cuối ( 1.10) ( 1.11) 7 Hình 1.23. Lực điện từ khi bỏ qua hiệu ứng cuối Hình 1.24. Từ thông rotor khi xét đến hiệu ứng cuối Hình 1.27. Tốc độ tuyến tính khi có hiệu ứng cuối 8 Hình 1.28. Lực điện từ khi 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: