Điều khiển động cơ tuyến tính trong máy CNC: Ứng dụng Backstepping

Ứng dụng backstepping phi tuyến điều khiển động cơ tuyến tính trong CNC. Tối ưu hóa hiệu suất, độ chính xác máy CNC. Tìm hiểu ngay!

• Tác giả: Đỗ Mạnh Tú
• Người hướng dẫn: Ts. Cao Xuân Tuyển
• Trường học: Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Ứng Dụng Phương Pháp Điều Khiển Phi Tuyến Backstepping Để Điều Khiển Động Cơ Tuyến Tính Trong Các Máy CNC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ
• 1.1. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PHẠM VI TUYẾN TÍNH
• 1.1.1. TRONG CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC
• 1.2. Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính.
• 1.3. Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu ( ĐCCT- ĐBKTVC)
• 1.4. Nguyên lý làm việc.
• 1.5. Đặc điểm của động cơ tuyến tính chuyển động thẳng.
• 1.6. Máy bào giƣờng:
• 1.7. Điều khiển vị trí, tốc độ.
• 1.8. Kết luận chƣơng I
• 2. CHƢƠNG II: MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
• 2.1. So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCT ĐB-KTVC).
• 2.2. Nguyên lý làm việc.
• 2.3. Hệ tọa độ biểu diễn đại lƣợng vật lý ĐCĐB- KTVC
• 2.4. Mô hình toán học đối tƣợng MĐĐB-KTVC.
• 2.5. Biểu diễn vector không gian các đại lƣợng 3 pha.
• 2.6. Mô hình toán học động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCT- ĐBKTVC).
• 2.7. Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối.
• 2.8. Kết luận chƣơng II.
• 3. CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BACKSTEPPING THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
• 3.1. VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
• 3.2. Giới thiệu phƣơng pháp Backtepping
• 3.3. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov
• 3.4. Phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở Backstepping
• 3.5. Áp dụng phƣơng pháp Backstepping trong thiết kế điều khiển động cơ tuyến tính (chuyển động thẳng) kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT_KTVC).
• 3.6. Cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp phi tuyến Bacckstepping.
• 3.7. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần ird trên miền liên tục.
• 3.8. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần irq trên miền liên tục
• 3.9. Tính ổn định của hệ có bộ điều chỉnh dòng Backstepping.
• 3.10. Số hoá bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản.
• 3.11. Khắc phục sai lệch tĩnh.
• 3.12. Đƣa thành phần tích phân vào thuật toán backstepping cơ bản để khử sai lệch tĩnh.
• 3.13. Tổng hợp vòng ĐC vận tốc.
• 3.14. Kết luận chƣơng III
• 4. CHƢƠNG 4:KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống.
• 4.2. Sơ đồ bộ điều khiển dòng backstepping.
• 4.3. Sơ đồ khối Simulink bộ điều khiển vận tốc theo phƣơng pháp PI
• 4.4. Kết quả mô phỏng.
• 4.5. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển dòng backstepping và bộ điều khiển PI
• 4.6. Hệ thống thí nghiệm và Kết quả thí nghiệm.
• 4.7. Thiết bị thí nghiệm.
• 4.8. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển thí nghiệm.
• 4.9. Sơ đồ mạch lực thí nghiệm.
• 4.10. Bộ điều chỉnh dòng điện PWM.
• 4.11. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vận tốc:
• 4.12. Kết quả thí nghiệm.
• 4.13. Kết luận chƣơng VI
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám Phá Backstepping Giải Pháp Điều Khiển Động Cơ Tuyến Tính

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, các hệ thống cơ khí chính xác như máy CNC đòi hỏi một phương pháp điều khiển vượt trội để đảm bảo chất lượng gia công. Điều khiển động cơ tuyến tính CNC bằng Backstepping nổi lên như một giải pháp tiên tiến, giải quyết hiệu quả các bài toán về điều khiển phi tuyến. Phương pháp này, dựa trên nền tảng lý thuyết ổn định Lyapunov, cung cấp một cách tiếp cận có hệ thống và đệ quy để thiết kế bộ điều khiển. Luận văn của tác giả Đỗ Mạnh Tú (2015) đã chứng minh rằng thuật toán Backstepping không chỉ giúp ổn định hệ thống mà còn tối ưu hóa hiệu suất, giảm thiểu sai số bám quỹ đạo và nâng cao tốc độ đáp ứng. So với các bộ điều khiển PID truyền thống hay thậm chí là điều khiển trượt SMC, Backstepping tỏ ra ưu việt hơn trong việc xử lý các đặc tính phi tuyến và bất định vốn có của hệ truyền động thẳng. Cấu trúc của phương pháp này cho phép "lùi bước" (backstep) từ lỗi của hệ thống, xây dựng một hàm Lyapunov tổng hợp qua từng bước để đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác gia công cao như trong máy phay CNC, nơi mà mọi sai lệch nhỏ đều có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc áp dụng thành công kỹ thuật này mở ra một hướng đi mới, hứa hẹn thay thế các cơ cấu truyền động gián tiếp phức tạp, mang lại sự đơn giản trong thiết kế và an toàn trong vận hành.

1.1. Giới thiệu kỹ thuật điều khiển Backstepping phi tuyến

Backstepping là một phương pháp thiết kế đệ quy, được áp dụng cho một lớp đặc biệt của các hệ thống phi tuyến. Ý tưởng cốt lõi là xem xét một số biến trạng thái như là các "điều khiển ảo" và thiết kế các luật điều khiển trung gian cho chúng. Quá trình này bắt đầu từ hệ thống con bên trong và "lùi bước" ra ngoài cho đến khi tín hiệu điều khiển thực tế được tổng hợp. Mỗi bước đều đi kèm với việc xây dựng một thành phần của hàm Lyapunov, đảm bảo rằng mỗi hệ thống con được ổn định. Kết quả cuối cùng là một bộ điều khiển phản hồi trạng thái có khả năng ổn định toàn bộ hệ thống phi tuyến, mang lại hiệu suất điều khiển bền vững (robust control).

1.2. Lợi ích của Backstepping so với bộ điều khiển PID truyền thống

So với bộ điều khiển PID kinh điển, phương pháp Backstepping mang lại nhiều lợi thế rõ rệt. PID hoạt động hiệu quả với các hệ tuyến tính nhưng gặp khó khăn khi đối mặt với các đặc tính phi tuyến mạnh và các tham số thay đổi của động cơ. Ngược lại, bộ điều khiển Backstepping được thiết kế tự nhiên để xử lý tính phi tuyến. Nó không yêu cầu tuyến tính hóa mô hình và có thể đảm bảo tính ổn định toàn cục một cách chặt chẽ thông qua lý thuyết Lyapunov. Điều này giúp hệ thống đạt được độ chính xác gia công cao hơn, đáp ứng nhanh hơn và giảm thiểu sai số ở trạng thái xác lập, một yêu cầu cốt lõi trong các ứng dụng CNC hiện đại.

II. Thách Thức Khi Điều Khiển Động Cơ Tuyến Tính Trong Máy CNC

Việc ứng dụng động cơ tuyến tính trong máy CNC, dù mang lại nhiều ưu điểm về tốc độ và độ chính xác, cũng đặt ra không ít thách thức kỹ thuật. Khác với động cơ quay, hệ truyền động thẳng có các đặc tính phi tuyến phức tạp, bao gồm ma sát, lực gợn và đặc biệt là hiệu ứng đầu cuối. Hiệu ứng đầu cuối là hiện tượng vật lý chỉ xuất hiện ở động cơ tuyến tính, gây ra sự biến đổi của từ thông trong khe hở không khí, dẫn đến sự thay đổi lực đẩy và làm giảm hiệu suất điều khiển. Bên cạnh đó, bài toán cốt lõi là giảm thiểu sai số bám quỹ đạo để đạt được độ chính xác gia công ở mức micromet. Các bộ điều khiển truyền thống như PID thường không đủ khả năng bù trừ các yếu tố phi tuyến này một cách hiệu quả. Một thách thức khác là việc xây dựng một mô hình hóa động cơ tuyến tính đủ chính xác để làm cơ sở thiết kế bộ điều khiển. Theo nghiên cứu của Đỗ Mạnh Tú (2015), mô hình cần phải xét đến cả các phương trình điện từ và phương trình chuyển động cơ học, đồng thời phải tích hợp được ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối. Việc thiếu một bộ quan sát trạng thái tin cậy để ước lượng các biến không đo được cũng là một rào cản. Những thách thức này đòi hỏi một phương pháp điều khiển phi tuyến tiên tiến như Backstepping để có thể giải quyết triệt để.

2.1. Vấn đề sai số bám quỹ đạo trong hệ truyền động thẳng

Sai số bám quỹ đạo là sự chênh lệch giữa vị trí thực tế của đầu gia công và vị trí mong muốn theo chương trình CNC. Trong các hệ truyền động thẳng, sai số này bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các yếu tố như ma sát phi tuyến, lực cản thay đổi và các nhiễu động ngoại sinh. Việc không bù trừ chính xác các thành phần này sẽ dẫn đến bề mặt gia công không đồng đều, sai lệch kích thước và giảm chất lượng sản phẩm. Đây là vấn đề then chốt mà bất kỳ thuật toán điều khiển nào cũng phải giải quyết.

2.2. Ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến và hiệu ứng đầu cuối

Tính phi tuyến trong động cơ tuyến tính đến từ nhiều nguồn: quan hệ không tuyến tính giữa dòng điện và lực, ma sát Coulomb và Viscous, và lực cogging. Đặc biệt, hiệu ứng đầu cuối gây ra bởi cấu trúc hở của mạch từ làm biến dạng từ trường, tạo ra các lực hãm và gợn sóng không mong muốn. Theo tài liệu nghiên cứu, hiệu ứng này càng trở nên rõ rệt khi tốc độ động cơ tăng cao. Việc bỏ qua các yếu tố này trong quá trình thiết kế bộ điều khiển sẽ dẫn đến hiệu suất thấp và mất ổn định hệ thống.

III. Hướng Dẫn Mô Hình Hóa Động Cơ Tuyến Tính Chính Xác Nhất

Để thiết kế một bộ điều khiển Backstepping hiệu quả, bước đầu tiên và quan trọng nhất là xây dựng một mô hình toán học chính xác cho đối tượng. Quá trình mô hình hóa động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT-KTVC) là nền tảng cho mọi thuật toán điều khiển sau này. Dựa trên công trình của Đỗ Mạnh Tú (2015), mô hình được phát triển bằng cách chuyển đổi từ hệ tọa độ ba pha tĩnh (ABC) sang hệ tọa độ hai pha quay (dq) gắn liền với từ thông rotor. Phép biến đổi này giúp đơn giản hóa các phương trình, biến các đại lượng xoay chiều thành một chiều, từ đó thuận lợi cho việc phân tích và tổng hợp bộ điều khiển. Mô hình bao gồm hai phần chính: phương trình điện áp mô tả động lực học của dòng điện trong cuộn dây stator và phương trình cơ học mô tả chuyển động của phần động dưới tác động của lực điện từ và lực cản. Một điểm khác biệt quan trọng so với động cơ quay là việc đưa yếu tố "hiệu ứng đầu cuối" vào mô hình. Hiệu ứng này được biểu diễn qua các thành phần từ thông phụ (Δψ_sd, Δψ_sq), phản ánh sự không đồng đều của từ trường tại hai đầu của động cơ. Việc mô hình hóa chính xác các thành phần này, dù phức tạp, là chìa khóa để điều khiển bền vững (robust control) và đạt được hiệu suất cao nhất.

3.1. Xây dựng phương trình toán học cho động cơ tuyến tính

Các phương trình toán học cốt lõi mô tả ĐCTT-KTVC trong hệ tọa độ dq bao gồm các phương trình vi phân cho dòng điện trục d (ird) và trục q (irq). Các phương trình này thể hiện mối liên hệ giữa điện áp đầu vào (urd, urq), dòng điện, vận tốc (v) và các tham số của động cơ như điện trở, điện cảm (Lrd, Lrq). Phương trình lực điện từ cũng được xác định trong hệ tọa độ này, cho thấy lực đẩy phụ thuộc chủ yếu vào dòng điện irq và từ thông nam châm vĩnh cửu. Đây là cơ sở để thực hiện điều khiển định hướng từ thông (FOC).

3.2. Phân tích hiệu ứng đầu cuối trong mô hình ĐCTT KTVC

Hiệu ứng đầu cuối là một đặc tính riêng biệt của động cơ tuyến tính. Nó phát sinh do sự bất đối xứng của mạch từ ở hai đầu phần sơ cấp. Hiện tượng này tạo ra các dòng điện xoáy, làm suy giảm từ trường chính và tạo ra lực hãm phụ. Trong mô hình toán học, ảnh hưởng này được thêm vào dưới dạng các thành phần từ thông phụ, làm thay đổi phương trình điện áp. Việc phân tích và bù trừ hiệu ứng này là cần thiết để đảm bảo lực đẩy ổn định và giảm gợn sóng, đặc biệt ở tốc độ cao.

IV. Cách Thiết Kế Bộ Điều Khiển Backstepping Dựa Trên Hàm Lyapunov

Thiết kế bộ điều khiển Backstepping là một quy trình có cấu trúc, dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov để đảm bảo hệ thống hội tụ về điểm đặt mong muốn. Quá trình này mang tính đệ quy, bắt đầu từ việc định nghĩa sai số và xây dựng hàm năng lượng cho từng hệ con. Đối với bài toán điều khiển động cơ tuyến tính CNC, mục tiêu là điều khiển vị trí và vận tốc. Bước đầu tiên là định nghĩa sai số vận tốc. Một hàm Lyapunov được chọn cho sai số này. Đạo hàm của hàm Lyapunov theo thời gian được tính toán. Từ đó, một "điều khiển ảo" (virtual control), thường là dòng điện mong muốn theo trục q (irq_ref), được thiết kế để làm cho đạo hàm này âm xác định, đảm bảo sai số vận tốc tiến về không. Bước tiếp theo, sai số dòng điện được định nghĩa là chênh lệch giữa dòng điện thực và dòng điện mong muốn vừa thiết kế. Một hàm Lyapunov tổng hợp mới được xây dựng, bao gồm cả sai số vận tốc và sai số dòng điện. Đạo hàm của hàm tổng hợp này được tính toán. Cuối cùng, tín hiệu điều khiển thực tế, là điện áp đầu vào (urq), được tổng hợp để đảm bảo đạo hàm của hàm Lyapunov tổng hợp luôn âm. Toàn bộ quá trình này đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục cho cả hệ thống, giúp sai số bám quỹ đạo được triệt tiêu hiệu quả.

4.1. Nguyên lý ổn định và vai trò của hàm điều khiển Lyapunov

Lý thuyết ổn định Lyapunov là nền tảng toán học của phương pháp Backstepping. Một hệ thống được coi là ổn định tiệm cận nếu tồn tại một hàm năng lượng vô hướng, gọi là hàm Lyapunov, luôn dương và đạo hàm của nó theo thời gian luôn âm. Trong thiết kế Backstepping, hàm này được gọi là Hàm Điều Khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function - CLF). Nó không chỉ dùng để chứng minh sự ổn định mà còn là công cụ để "dẫn đường" cho việc tìm ra luật điều khiển ở mỗi bước, đảm bảo hệ thống luôn di chuyển theo hướng giảm năng lượng (giảm sai số).

4.2. Quy trình từng bước tổng hợp bộ điều khiển Backstepping

Quy trình tổng hợp bộ điều khiển Backstepping cho động cơ tuyến tính gồm các bước: (1) Đặt mục tiêu điều khiển (vận tốc/vị trí) và định nghĩa biến sai số cấp 1. (2) Chọn hàm Lyapunov V1 và thiết kế "điều khiển ảo" α1 để ổn định hệ con. (3) Định nghĩa biến sai số cấp 2 (sai số giữa biến trạng thái và điều khiển ảo α1). (4) Xây dựng hàm Lyapunov tổng hợp V2 = V1 + V_sai_số_2. (5) Thiết kế tín hiệu điều khiển thực tế (điện áp) để đạo hàm của V2 âm xác định. Quá trình này có thể mở rộng cho các hệ thống có bậc cao hơn.

V. Kết Quả Mô Phỏng MATLAB Backstepping Vượt Trội Hơn PI

Để kiểm chứng hiệu quả của thuật toán đề xuất, luận văn của Đỗ Mạnh Tú (2015) đã tiến hành mô phỏng MATLAB Simulink một cách chi tiết. Hệ thống điều khiển động cơ tuyến tính sử dụng bộ điều khiển Backstepping được so sánh trực tiếp với một bộ điều khiển PID kinh điển trong cùng điều kiện vận hành. Kết quả mô phỏng cho thấy sự vượt trội rõ rệt của phương pháp Backstepping. Về đáp ứng tốc độ, bộ điều khiển Backstepping cho thấy thời gian xác lập nhanh hơn và gần như không có độ vọt lố, trong khi bộ PID có độ vọt lố đáng kể và dao động nhiều hơn trước khi ổn định. Đặc biệt, khi có sự thay đổi đột ngột về tải hoặc tốc độ đặt, hệ thống sử dụng Backstepping thể hiện khả năng điều khiển bền vững (robust control) tốt hơn, nhanh chóng bám theo quỹ đạo mới với sai số bám quỹ đạo rất nhỏ. Phân tích dòng điện pha cho thấy Backstepping tạo ra dòng điện mượt mà hơn, giảm thiểu gợn sóng, điều này góp phần tạo ra lực đẩy ổn định và nâng cao độ chính xác gia công. Các kết quả thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm cũng xác nhận những ưu điểm này, chứng tỏ thuật toán Backstepping không chỉ mạnh mẽ về mặt lý thuyết mà còn có tính ứng dụng thực tiễn cao cho các máy phay CNC và các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao khác.

5.1. Phân tích đáp ứng tốc độ và sai số hệ thống trên Simulink

Trên môi trường mô phỏng MATLAB Simulink, các đồ thị đáp ứng đã chỉ ra rằng vận tốc thực của động cơ khi dùng Backstepping bám rất sát với vận tốc đặt. Sai số ở trạng thái xác lập gần như bằng không. Ngược lại, bộ điều khiển PI thể hiện sai số lớn hơn và thời gian đáp ứng chậm hơn. Điều này chứng tỏ khả năng xử lý các thành phần phi tuyến và bù nhiễu của Backstepping là ưu việt, một yếu tố quyết định đến chất lượng của hệ truyền động thẳng.

5.2. Đánh giá độ chính xác gia công qua kết quả thí nghiệm

Kết quả từ mô hình thí nghiệm thực tế đã củng cố thêm các kết luận từ mô phỏng. Bằng cách sử dụng các thiết bị đo lường chính xác, hệ thống điều khiển Backstepping được chứng minh là có khả năng giảm thiểu sai số vị trí xuống mức rất thấp. Độ chính xác gia công được cải thiện đáng kể, thể hiện qua khả năng lặp lại vị trí và độ mượt của chuyển động. Các kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn của phương pháp trong việc nâng cấp hoặc chế tạo các máy công cụ CNC thế hệ mới.

VI. Tương Lai Của Điều Khiển Backstepping Trong Gia Công CNC

Phương pháp điều khiển động cơ tuyến tính CNC bằng Backstepping đã chứng tỏ là một hướng đi đầy hứa hẹn, tuy nhiên vẫn còn nhiều tiềm năng để phát triển và hoàn thiện. Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai là kết hợp Backstepping với các kỹ thuật điều khiển thích nghi (Adaptive Control). Một bộ điều khiển Backstepping thích nghi có khả năng tự động cập nhật các tham số của động cơ (như điện trở, điện cảm) khi chúng thay đổi do nhiệt độ hoặc mài mòn. Điều này giúp duy trì hiệu suất tối ưu cho hệ thống trong thời gian dài mà không cần hiệu chỉnh thủ công. Một hướng phát triển khác là tích hợp bộ quan sát trạng thái phi tuyến, chẳng hạn như bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) hoặc bộ quan sát phi tuyến, để ước lượng các biến trạng thái không thể đo trực tiếp như từ thông hoặc lực cản. Việc này giúp giảm chi phí phần cứng và tăng cường tính điều khiển bền vững (robust control) của hệ thống. Ứng dụng của Backstepping không chỉ giới hạn ở máy phay CNC mà còn có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác như robot công nghiệp, máy gia công laser, và các hệ thống định vị chính xác cao. Sự phát triển của vi xử lý và công nghệ điện tử công suất sẽ tiếp tục tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai các thuật toán phức tạp này vào thực tế sản xuất.

6.1. Hướng phát triển điều khiển thích nghi và bền vững robust

Tương lai của Backstepping nằm ở việc giải quyết các bất định trong mô hình. Điều khiển thích nghi sẽ cho phép bộ điều khiển "học" và thích ứng với sự thay đổi của hệ thống. Trong khi đó, việc kết hợp với các kỹ thuật điều khiển bền vững như điều khiển trượt (SMC) có thể tạo ra một bộ điều khiển lai, tận dụng khả năng xử lý phi tuyến của Backstepping và tính bền vững mạnh mẽ của SMC trước các nhiễu loạn ngoại sinh và các thành phần không được mô hình hóa.

6.2. Tiềm năng ứng dụng trong máy phay CNC và robot công nghiệp

Trong các máy phay CNC 5 trục hoặc các robot công nghiệp có nhiều bậc tự do, việc điều khiển phối hợp các chuyển động là cực kỳ phức tạp. Cấu trúc đệ quy của Backstepping rất phù hợp để giải quyết các bài toán điều khiển đa biến này. Nó cho phép thiết kế một bộ điều khiển tổng thể, đảm bảo sự ổn định và phối hợp nhịp nhàng giữa các trục, từ đó nâng cao đáng kể độ chính xác gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp và tăng năng suất tổng thể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------------------------- ĐỖ MẠNH TÖ ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BACKSTEPPING ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------- -------- ĐỖ MẠNH TÖ ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BACKSTEPPING ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TS. CAO XUÂN TUYỂN PHÕNG ĐÀO TẠO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn iii THÁI NGUYÊN – NĂM 2015 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đỗ Mạnh Tú Sinh ngày 20 tháng 9 năm 1984. Học viên lớp cao học khóa 15 CHTĐH – Trƣờng đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại trƣờng: Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên. Sau hai năm học và nghiên cứu tại trƣờng tôi lựa chọn thực hiện đề tài: “Ứng dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến backstepping để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC” Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này là do chính bản thân tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo TS.

Cao Xuân Tuyển tất cả tài liệu đều có nguồn gốc, xuất sứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn nhƣ nội dung trong đề cƣơng của thầy hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu mọi trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái nguyên, ngày.năm 2015 Học viên Đỗ mạnh Tú Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn iv LỜI CẢM ƠN Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS.

Cao Xuân Tuyển đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi và động viên trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã nhiệt tình chỉ dẫn, gúp đỡ trong quá trình học tập để hoàn thành luận văn. Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viện, giúp đỡ về mọi mặt trong thời gian qua để luận văn hoàn thành đúng tiến độ. Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót.

Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái nguyên, ngày.năm 2015 Học viên Đỗ mạnh Tú Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. iv MỤC LỤC. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .vii DANH MỤC HÌNH VẼ .viii LỜI NÓI ĐẦU.

1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ. 3 PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PHẠM VI TUYẾN TÍNH. 3 TRONG CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC .Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính. Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu ( ĐCCT- ĐBKTVC).

Nguyên lý làm việc. Đặc điểm của động cơ tuyến tính chuyển động thẳng. Máy bào giƣờng:. Điều khiển vị trí, tốc độ.

15 Kết luận chƣơng I. 17 CHƢƠNG II: MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH. So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCT ĐB-KTVC). Nguyên lý làm việc.

Hệ tọa độ biểu diễn đại lƣợng vật lý ĐCĐB- KTVC. Mô hình toán học đối tƣợng MĐĐB-KTVC. Biểu diễn vector không gian các đại lƣợng 3 pha. Mô hình toán học động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCT- ĐBKTVC).

Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối. 28 Kết luận chƣơng II. 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn vi CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BACKSTEPPING THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ. 33 VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH.

Giới thiệu phƣơng pháp Backtepping. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov. Phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở Backstepping. Áp dụng phƣơng pháp Backstepping trong thiết kế điều khiển động cơ tuyến tính (chuyển động thẳng) kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT_KTVC).

Cấu trúc điều khiển theo phƣơng pháp phi tuyến Bacckstepping. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần ird trên miền liên tục. Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần irq trên miền liên tục. Tính ổn định của hệ có bộ điều chỉnh dòng Backstepping.

Số hoá bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản. Khắc phục sai lệch tĩnh. Đƣa thành phần tích phân vào thuật toán backstepping cơ bản để khử sai lệch tĩnh. Tổng hợp vòng ĐC vận tốc.

58 Kết luận chƣơng III. 59 CHƢƠNG 4:KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống. Sơ đồ bộ điều khiển dòng backstepping.

Sơ đồ khối Simulink bộ điều khiển vận tốc theo phƣơng pháp PI. Kết quả mô phỏng. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển dòng backstepping và bộ điều khiển PI. Hệ thống thí nghiệm và Kết quả thí nghiệm.

Thiết bị thí nghiệm. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển thí nghiệm. Sơ đồ mạch lực thí nghiệm. Bộ điều chỉnh dòng điện PWM.

Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vận tốc:. Kết quả thí nghiệm. 75 Kết luận chƣơng VI. 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

80 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT Ý NGHĨA ĐB-KTVC Đồng bộ- kích thích vĩnh cửu ĐCTT Động cơ tuyến tính ĐCCT-ĐBKTVC Động cơ chạy thẳng đồng bộ kích thích vĩnh cửu MĐĐB-KTVC Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu ĐC Động cơ ĐCĐB – KTVC Động cơ đồng bộ, kính thích vĩnh cửu REC Bộ chỉnh lƣu NLNA Nghịch lƣu nguồn SVWM Điều chế vét tơ không gian ĐKD Điều khiển dòng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Từ trường là nam châm vĩnh cửu xếp liên tiếp nhau. Mạch từ gồm 36 rãnh.

Dây quấn động cơ. Chiều chuyển động của từ trường và của phần động. Vận tốc tối ưu cho động cơ. Hệ thống truyền động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB_KTCV.

Đồ thi tốc độ trong một chu kỳ của máy bào giường. Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha. Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ . Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq.

Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V. Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại ĐBKTVC. Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b. Mạch từ tương đương mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối).

Minh họa khái niệm ổn định Lyapunov. 35 H×nh 3-2 S¬ ®å khèi cho hÖ (3. Thªm vµo vµ bít ®i thµnh phÇn mong muèn cña . Backstepping  qua khâu tích phân .5) sau khi đưa bộ điều khiển tổng hợp theo phương pháp Backstepping.

Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC 3 pha sử dụng phương pháp backstepping. Sơ đồ bộ điều chỉnh dòng Backstepping. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ĐC vận tốc ĐC TT. Sơ đồ thay thế khi thiết kế khâu ĐC vận tốc ĐCTT.

Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống. Sơ đồ bộ điều khiển dòng backstepping. Sơ đồ khối Simulink bộ điều khiển vận tốc theo phương pháp PI. Vận tốc đặt.

61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn ix Hình 4-5.Vận tốc thực và vận tốc đặt. 62 trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s). 62 với bộ điều khiển dòng backstepping .Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI .Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s với bộ điều khiển dòng .Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ điều khiển dòng điện theo phương phápPI. Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) với bộ điều khiển dòng backstepping.Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI.

Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s) với bộ điều khiển dòng backstepping.Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 2,2 (s). 63 với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI. Điện áp 1 chiều trung gian với bộ điều khiển dòng backstepping. Điện áp 1 chiều trung gian với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI.

Dòng điện pha động cơ. 63 Với bộ điều khiển dòng backstepping. Dòng điện pha động cơ với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI. 63 Hình 4-12a Dòng điện pha của bộ điều khiển dòng backstepping.

Dòng điện pha với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI. Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng backstepping. Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI. Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng backstepping.

65 Hình 4-14b Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI. 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www. Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng backstepping. 65 Hình 4-15b Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI.

Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng backstepping. 66 Hình 4-16b Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp PI. Hình ảnh máy biến tần. Mạch dùng điều khiển động cơ tuyến tính.

Hinh ảnh mạch điều khiển. Hệ thống vi điều khiển.Hệ thống xác định vị trí ban đầu của động cơ. Hệ rơ le đầu ra của hệ vi điều khiển kết nối với PLC. 67 Hình 4-24 Hình ảnh tổng thể về thí nghiệm.

67 Hình 4-25 Sơ đồ mạch điện của hệ thống thí nghiệm. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc mạch điều khiển trong. 69 hệ thống thí nghiệm. Sơ đồ chi tiết của biến tần nguồn áp có dòng điều khiển được.

Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh dòng điện PWM. mô tả hình dáng tín hiệu trong bộ nghịch lưu áp ba pha.