Động cơ servo hoạt động cần thời gian đáp ứng nhanh và mômen quá tải lớn. Vì vậy động cơ cần có khối lượng nhỏ và mômen lớn. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu của động cơ ba pha servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc nhôm, tốc độ tối đa 3500 rpm được xây dựng thể hiện như lưu đồ thuật toán Hình 2.8:
Trong đó:
- 02 hàm mục tiêu:
+ Tối thiểu hóa khối lượng điện từ động cơ servo Welectrom =f (D, L, U, f2)
+ Tối đa hóa mômen cực đại của động cơ Tm = f (D, L, U, f2)
- Với các biến thiết kế:
+ D: Đường kính trong của stator D = [40 – 150] (mm) + L: Chiều dài lõi sắt
L = [30 – 180] (mm) +U: Điện áp dây
U=[70 – 380](V) +f2: Tần số trượt của động cơ
28
+ Dòng điện cực đại cấp cho động cơ ≤ 3 A. + Mật độ dòng điện cực đại ≤ 9 A/mm2 + Hệ số lấp đầy rãnh (sản xuất) ≤ 75% + Điện áp dây cực đại ≤ 380 V
Hình 2.8. Lưu đồ thuật toán tối ưu hai mục tiêu SQP kết hợp ɛ-constraint
Trình tự các bước tính toán trong mô hình động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor [44,], [61] thể hiện như Hình 2.9. Vật liệu sử dụng thép M800-50A, dây dẫn
bằng đồng và lồng sóc nhôm. Chi tiết mô hình tính toán thiết kế xem Phụ lục C của luận án.
Hình 2.9. Trình tự các bước thiết kế
Hai mục tiêu mâu thuẫn nhau được chọn: tối đa hóa mômen cực đại và giảm thiểu khối lượng điện từ của động cơ (mạch từ stator/rotor, dây quấn stator bằng đồng và lồng rotor bằng nhôm). Các biến thiết kế thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng và mômen cực đại của động cơ..
Xuất phát từ các yêu cầu thiết kế động cơ servo, tiến hành xây dựng mô hình giải tích động cơ servo không đồng bộ 3 pha trong môi trường matlab với các biến thiết kế, ràng buộc và hàm mục tiêu như trên.
30 Sử dụng thuật toán fmincon (SQP) tích hợp trong matlab để chạy tối ưu (Phụ lục D). Nếu quá trình chạy thuật toán ứng với từng bước nhảy ɛi (Tmi) hội tụ, kết quả tối ưu tương ứng đạt được chính là khối lượng cực tiểu (Wi) thỏa mãn các ràng buộc yêu cầu.
Tập hợp các điểm khối lượng – mômen (Wi, Tmi) tạo thành đặc tính phân bổ tối ưu Pareto. Nếu quá trình chạy thuật toán không hội tụ về kết quả tối ưu, tiến hành lựa chọn lại điểm ban đầu và lặp lại quy trình.
Kết quả phân bổ tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu khối lượng và mômen cực đại được biễu diễn ở Hình 2.10.
Hình 2.10. Đặc tính phân bố tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu
Trên đồ thị đặc tính phân bố tối ưu Pareto, điểm (♦) là điểm lựa chọn thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha. Động cơ được chọn có mômen cực đại là 15 N.m với khối lượng điện từ tối thiểu là 9,52 kg.
Các giá trị hàm mục tiêu và các thông số thiết kế chính của động cơ này được trình bày chi tiết trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Kết quả một số thông số chính của thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ
Thông số Đơn vị Thiết kế tối ưu Thiết kế không
tối ưu
Mômen cực đại N.m 15 15,1
Khối lượng phần điện từ kg 9,52 12,4
Khối lượng rotor kg 2,8 3,9
Đường kính ngoài/trong stator mm 140,4 / 83,2 154 / 91,3
Số rãnh của stator/rotor - 36 / 48 36/48
Số cực - 6 6
Chiều dài mạch từ mm 90,1 99,2
Số vòng dây quấn trong 1 rãnh - 105 94
Điện áp dây đặt vào động cơ servo V 360 380
Mật độ dòng điện stator A/mm2 9 9
Dòng điện stator A 2,99 3