Luận văn Thạc sĩ: nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí trên cơ

Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ chính xác hệ thống điều khiển vị trí sử dụng động cơ tuyến tính chạy thẳng trong ứng dụng công nghiệp hiện đại.

• Tác giả: Lê Cao Hạnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Cao Xuân Tuyển
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí trên cơ sở sử dụng động cơ tuyến tính (chạy thẳng) kép và phương pháp điều khiển thích nghi
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Khám phá hệ thống điều khiển vị trí động cơ tuyến tính

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, việc tạo ra chuyển động thẳng với độ chính xác cao là một yêu cầu cấp thiết. Các hệ thống truyền thống sử dụng động cơ quay kết hợp với cơ cấu chuyển đổi cơ khí như trục vít, hộp số thường gặp nhiều hạn chế. Những hạn chế này bao gồm kết cấu phức tạp, tổn hao năng lượng, và các dao động không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Luận văn “Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí trên cơ sở sử dụng động cơ tuyến tính kép và phương pháp điều khiển thích nghi” tập trung giải quyết triệt để vấn đề này. Việc sử dụng động cơ tuyến tính chạy thẳng (ĐCTT) cho phép tạo ra chuyển động thẳng trực tiếp, loại bỏ hoàn toàn các khâu trung gian phức tạp. Điều này không chỉ giúp đơn giản hóa cấu trúc cơ khí mà còn cải thiện đáng kể về mặt động học và động lực học. Nghiên cứu này đề xuất một giải pháp đột phá, sử dụng động cơ tuyến tính kép (UPMLM) để tăng cường lực đẩy và độ ổn định, kết hợp với phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến để xử lý các yếu tố bất định và nhiễu loạn trong hệ thống. Mục tiêu cuối cùng là xây dựng một hệ thống điều khiển vị trí chính xác, đáp ứng nhanh và có khả năng hoạt động ổn định trong môi trường sản xuất thực tế, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao như máy gia công CNC, robot công nghiệp và sản xuất bán dẫn.

1.1. Nguyên lý cơ bản và cấu tạo của động cơ tuyến tính

Về cơ bản, động cơ tuyến tính có thể được hình dung như một động cơ quay tròn được "trải phẳng". Thay vì tạo ra momen quay, nó tạo ra lực đẩy tuyến tính. Cấu tạo của nó bao gồm hai phần chính: phần sơ cấp (tương đương stator) chứa các cuộn dây ba pha và phần thứ cấp (tương đương rotor) chứa các nam châm vĩnh cửu. Khi dòng điện ba pha được cấp vào phần sơ cấp, một từ trường chạy thẳng được tạo ra. Sự tương tác giữa từ trường này và từ trường của nam châm vĩnh cửu sinh ra một lực điện từ, đẩy phần động chuyển động theo một quỹ đạo thẳng. Luận văn tập trung vào động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn (PMLM) vì khả năng tạo ra lực đẩy lớn và cấu trúc dễ chế tạo. Đặc biệt, nghiên cứu sử dụng động cơ tuyến tính kép kiểu chữ U, với cấu trúc hai dãy nam châm vĩnh cửu đối xứng giúp triệt tiêu lực hút từ lên phần động, qua đó nâng cao độ chính xác chuyển động.

1.2. Phân loại và các ứng dụng thực tiễn nổi bật

Động cơ tuyến tính được phân loại theo nhiều tiêu chí. Dựa trên cấu trúc hình học, có loại dạng phẳng và dạng ống. Theo nguồn kích thích, có động cơ một chiều, đồng bộ, không đồng bộ và động cơ bước tuyến tính. Với những ưu điểm vượt trội, động cơ tuyến tính chạy thẳng đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. Trong ngành giao thông vận tải, công nghệ tàu đệm từ trường (Maglev) sử dụng động cơ tuyến tính để đạt tốc độ siêu cao. Trong lĩnh vực sản xuất, các máy cắt kính, máy khoan PCB, và đặc biệt là các máy gia công CNC 5 trục đều sử dụng ĐCTT để đạt được độ chính xác vị trí ở cấp độ micromet. Các hệ thống robot X-Y và thiết bị kiểm tra wafer trong công nghiệp bán dẫn cũng là những ứng dụng tiêu biểu, cho thấy tiềm năng to lớn của công nghệ truyền động thẳng trực tiếp.

II. Thách thức chính trong điều khiển vị trí động cơ tuyến tính

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, việc thiết kế một hệ thống điều khiển vị trí cho động cơ tuyến tính phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Mô hình của ĐCTT vốn dĩ là một hệ phi tuyến, chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố không xác định. Một trong những thách thức lớn nhất và đặc trưng nhất của ĐCTT là hiệu ứng đầu cuối (end effect). Hiệu ứng này xuất hiện do cấu trúc mạch từ hở của động cơ, gây ra sự không đối xứng của từ trường tại hai đầu của phần sơ cấp. Điều này dẫn đến sự biến đổi của từ thông và tạo ra các gợn sóng trong lực đẩy (force ripples), ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và độ mượt của chuyển động. Ngoài ra, hệ thống còn chịu tác động của các nguồn nhiễu lực khác như lực đập mạch do răng rãnh (cogging force) và các sóng hài bậc cao. Các tham số của động cơ như điện trở, điện cảm có thể thay đổi do nhiệt độ hoặc các yếu tố khác. Những yếu tố bất định và nhiễu loạn này làm cho việc sử dụng các bộ điều khiển tuyến tính cổ điển như PID trở nên kém hiệu quả, đặc biệt khi yêu cầu hiệu năng cao. Luận văn đã chỉ ra rằng, để đạt được chất lượng điều khiển vượt trội, cần phải có một phương pháp điều khiển đủ mạnh để bù trừ các thành phần phi tuyến và thích ứng với sự thay đổi của hệ thống.

2.1. Phân tích sâu về hiệu ứng đầu cuối và các nguồn nhiễu

Luận văn chỉ rõ hiệu ứng đầu cuối là do mạch từ của ĐCTT không đối xứng như động cơ quay. Mạch từ không khép kín ở hai đầu gây ra sự phân bố từ thông không đồng đều, tạo ra các lực cản và lực đẩy không mong muốn khi phần động đi vào hoặc rời khỏi phần tĩnh. Bên cạnh đó, nhiễu lực do răng rãnh (cogging force) xuất hiện từ sự tương tác giữa các nam châm vĩnh cửu và các rãnh stator, gây ra dao động lực đẩy ngay cả khi không có dòng điện. Các thành phần này được xem như nhiễu loạn tác động lên hệ thống. Trong động cơ tuyến tính kép, lực hút từ giữa hai phần được triệt tiêu, giúp giảm một phần nhiễu, nhưng hiệu ứng đầu cuối và cogging force vẫn là những vấn đề cần được xử lý triệt để bởi bộ điều khiển.

2.2. Hạn chế của bộ điều khiển PID truyền thống khi áp dụng

Bộ điều khiển PID (Tỉ lệ - Tích phân - Vi phân) là một giải pháp phổ biến nhờ sự đơn giản và dễ triển khai. Tuy nhiên, nó là một bộ điều khiển tuyến tính, được thiết kế dựa trên một mô hình đã được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Khi áp dụng cho hệ thống điều khiển vị trí của ĐCTT, một đối tượng phi tuyến và có nhiều nguồn nhiễu, PID bộc lộ nhiều hạn chế. Nó gặp khó khăn trong việc bù trừ chính xác các thành phần phi tuyến như hiệu ứng đầu cuối và ma sát. Kết quả là hệ thống thường có sai số xác lập lớn, đáp ứng chậm và dễ bị dao động khi có nhiễu loạn. Luận văn đã thực hiện mô phỏng và thí nghiệm so sánh, cho thấy sai số vị trí khi dùng bộ điều khiển PID lớn hơn đáng kể so với phương pháp điều khiển phi tuyến đề xuất.

III. Phương pháp xây dựng mô hình toán học động cơ tuyến tính

Để thiết kế một bộ điều khiển hiệu quả, bước đầu tiên và quan trọng nhất là xây dựng một mô hình toán học chính xác mô tả động học của đối tượng. Luận văn đã tiến hành xây dựng mô hình cho động cơ tuyến tính kép bằng cách bắt đầu từ mô hình của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) quay tròn, sau đó suy ra các phương trình tương đương cho ĐCTT. Quá trình này dựa trên sự tương đồng về nguyên lý làm việc nhưng có sự thay đổi các đại lượng vật lý: momen quay được thay thế bằng lực đẩy, vận tốc góc được thay thế bằng vận tốc dài, và vị trí góc được thay thế bằng vị trí thẳng. Mô hình được xây dựng trong hệ tọa độ dq quay đồng bộ với từ thông, giúp đơn giản hóa các phương trình và tách biệt thành phần dòng điện tạo lực và tạo từ thông. Mô hình toán học này bao gồm các phương trình điện áp, phương trình từ thông và phương trình chuyển động cơ học. Đặc biệt, mô hình cho động cơ tuyến tính kép được xem như hai mô hình động cơ đơn giống hệt nhau, chia sẻ chung một tải cơ học. Mô hình này là nền tảng vững chắc để phân tích các đặc tính của hệ thống và là cơ sở để tổng hợp thuật toán cho phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến, đảm bảo hệ thống đạt được chất lượng điều khiển mong muốn.

3.1. Chuyển đổi từ hệ tọa độ pha sang hệ tọa độ dq

Việc phân tích máy điện xoay chiều ba pha trực tiếp trên hệ tọa độ tự nhiên (pha a, b, c) rất phức tạp do các phương trình vi phân có hệ số biến thiên theo thời gian. Để giải quyết vấn đề này, luận văn sử dụng phép biến đổi Park để chuyển các đại lượng ba pha (dòng điện, điện áp) sang hệ tọa độ dq tựa theo từ thông. Trong hệ tọa độ này, các đại lượng xoay chiều trở thành các đại lượng một chiều ở trạng thái xác lập, giúp các phương trình mô tả hệ thống trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Thành phần dòng điện trên trục d (isd) điều khiển từ thông, trong khi thành phần trên trục q (isq) trực tiếp tạo ra lực đẩy. Việc điều khiển isd = 0 giúp tối ưu hóa hiệu suất và lực đẩy, đây chính là nguyên lý của điều khiển vector được áp dụng trong nghiên cứu.

3.2. Mô hình hóa động lực học và các thành phần lực

Phương trình chuyển động cơ học là một phần không thể thiếu của mô hình toán học. Nó mô tả mối quan hệ giữa lực điện từ tổng hợp (F), khối lượng phần động (m), và các lực cản. Phương trình có dạng: F - Fc = m * dv/dt. Trong đó, Fc là tổng hợp các lực cản, bao gồm lực ma sát (phụ thuộc vào vận tốc), lực tải (FT) và các thành phần nhiễu lực do hiệu ứng đầu cuối và cogging force. Mặc dù mô hình không mô tả chính xác các thành phần nhiễu này, luận văn xem chúng như một nhiễu loạn tổng hợp cần được ước lượng và bù trừ bởi bộ điều khiển thích nghi. Cách tiếp cận này giúp đơn giản hóa việc thiết kế mà vẫn đảm bảo tính bền vững và hiệu quả của hệ thống điều khiển.

IV. Bí quyết nâng cao chất lượng bằng điều khiển thích nghi

Để khắc phục những hạn chế của bộ điều khiển tuyến tính và xử lý hiệu quả các thành phần phi tuyến, luận văn đã đề xuất và triển khai một phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến. Hướng tiếp cận này dựa trên hai công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại là hàm điều khiển Lyapunov và phương pháp Backstepping. Ý tưởng cốt lõi là thiết kế một bộ điều khiển có khả năng tự động điều chỉnh các tham số của mình để thích ứng với sự thay đổi trong hệ thống và bù trừ các yếu tố bất định. Phương pháp này không yêu cầu một mô hình toán học hoàn hảo của đối tượng. Thay vào đó, nó ước tính và khử bỏ các thành phần nhiễu loạn theo thời gian thực. Cấu trúc điều khiển được thiết kế theo kiểu xếp tầng (cascade), bao gồm vòng điều khiển vị trí, vòng vận tốc và vòng dòng điện. Phương pháp Backstepping được sử dụng để tổng hợp luật điều khiển một cách hệ thống, đi từ vòng trong ra vòng ngoài, đảm bảo sự ổn định tiệm cận toàn cục cho toàn bộ hệ thống điều khiển vị trí. Luật cập nhật thích nghi được xây dựng dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov, đảm bảo rằng sai số vị trí sẽ hội tụ về không. Giải pháp này chứng tỏ sự vượt trội trong việc nâng cao chất lượng cho hệ thống điều khiển vị trí động cơ tuyến tính.

4.1. Nguyên tắc ổn định Lyapunov trong thiết kế bộ điều khiển

Lý thuyết ổn định Lyapunov là nền tảng toán học để chứng minh sự ổn định của một hệ thống phi tuyến mà không cần giải trực tiếp các phương trình vi phân. Luận văn đã chọn một hàm năng lượng (hàm Lyapunov) xác định dương, thường là bình phương của sai số vị trí. Sau đó, luật điều khiển được thiết kế sao cho đạo hàm theo thời gian của hàm Lyapunov này luôn âm. Điều này đảm bảo rằng năng lượng của sai số sẽ liên tục giảm và tiến về không, đồng nghĩa với việc hệ thống sẽ ổn định tại vị trí mong muốn. Việc sử dụng hàm điều khiển Lyapunov (CLF) cung cấp một phương pháp luận chặt chẽ để xây dựng các luật điều khiển và luật cập nhật thích nghi, đảm bảo tính bền vững cho hệ thống.

4.2. Kỹ thuật thiết kế đệ quy với phương pháp Backstepping

Phương pháp Backstepping là một kỹ thuật mạnh mẽ để thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống phi tuyến có cấu trúc xếp tầng. Quá trình thiết kế bắt đầu từ hệ thống con trong cùng (vòng dòng điện), xem các biến trạng thái của vòng ngoài là "điều khiển ảo". Sau mỗi bước, một hàm Lyapunov mới được xây dựng và luật điều khiển ảo được tổng hợp để ổn định hệ thống con đó. Quá trình này được lặp lại "lùi" ra các vòng ngoài cho đến khi đạt được tín hiệu điều khiển thực tế (điện áp). Ưu điểm của Backstepping là tính hệ thống và khả năng xử lý các thành phần phi tuyến một cách triệt để. Luận văn đã áp dụng thành công kỹ thuật này để thiết kế bộ điều khiển vị trí, vận tốc và dòng điện cho động cơ tuyến tính.

V. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm hệ thống điều khiển vị trí

Để kiểm chứng hiệu quả của lý thuyết đã đề xuất, luận văn đã tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm và triển khai hệ thống thí nghiệm thực tế. Các kết quả thu được đã chứng minh một cách thuyết phục sự vượt trội của phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến Backstepping so với bộ điều khiển PID truyền thống. Trong các kịch bản mô phỏng với quỹ đạo đặt phức tạp và có nhiễu loạn tác động, hệ thống điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển thích nghi cho thấy sai số vị trí nhỏ hơn đáng kể, đáp ứng nhanh hơn và không có hiện tượng vọt lố. Sai lệch vị trí được giữ ở mức rất thấp, chứng tỏ khả năng bám quỹ đạo xuất sắc. Hệ thống thí nghiệm được xây dựng với một động cơ tuyến tính đơn, sử dụng bộ xử lý tín hiệu số (DSP) TMS320F2812 để thực thi các thuật toán điều khiển phức tạp. Kết quả thực nghiệm hoàn toàn tương đồng với kết quả mô phỏng. Quỹ đạo thực bám rất sát quỹ đạo đặt, và sai số vị trí khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi nhỏ hơn nhiều lần so với khi dùng PID. Những kết quả này khẳng định tính đúng đắn và khả thi của giải pháp, mở đường cho việc ứng dụng động cơ tuyến tính chạy thẳng vào các hệ thống đòi hỏi hiệu năng cao.

5.1. So sánh hiệu năng giữa bộ điều khiển thích nghi và PID

Các biểu đồ kết quả trong luận văn đã thể hiện rõ sự khác biệt về hiệu năng. Với bộ điều khiển PID, quỹ đạo thực có độ trễ và sai lệch lớn so với quỹ đạo đặt, đặc biệt tại các điểm thay đổi vận tốc đột ngột. Sai số vị trí dao động trong một khoảng rộng. Ngược lại, với bộ điều khiển thích nghi Backstepping, quỹ đạo thực gần như trùng khớp với quỹ đạo đặt. Sai số vị trí hội tụ nhanh về không và được duy trì ở mức rất nhỏ. Điều này chứng tỏ khả năng bù nhiễu và xử lý phi tuyến của bộ điều khiển đề xuất là vượt trội, đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cao của các ứng dụng công nghiệp.

5.2. Đánh giá hệ thống thí nghiệm sử dụng DSP thời gian thực

Việc triển khai thành công thuật toán trên hệ thống thí nghiệm là một bước xác thực quan trọng. Luận văn đã xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm động cơ tuyến tính, bộ khuếch đại công suất, các cảm biến vị trí và bộ xử lý tín hiệu số (DSP). DSP đóng vai trò là bộ não trung tâm, nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến, tính toán luật điều khiển thích nghi và xuất tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển động cơ. Kết quả thực nghiệm không chỉ xác nhận lại các phân tích lý thuyết và mô phỏng mà còn chứng minh rằng thuật toán điều khiển có thể được thực thi hiệu quả trong thời gian thực, đáp ứng các yêu cầu khắt khe về tốc độ xử lý của một hệ thống điều khiển vị trí hiện đại.

VI. Hướng phát triển và tương lai của động cơ tuyến tính

Nghiên cứu trong luận văn đã đặt một nền tảng vững chắc cho việc ứng dụng động cơ tuyến tính trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao. Việc kết hợp thành công động cơ tuyến tính kép với phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến đã giải quyết được các thách thức cố hữu như hiệu ứng đầu cuối và các nguồn nhiễu loạn. Kết quả đạt được cho thấy chất lượng của hệ thống điều khiển vị trí được nâng cao một cách rõ rệt, vượt qua các phương pháp điều khiển truyền thống. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán để giảm tải tính toán cho bộ xử lý, đồng thời tích hợp các phương pháp trí tuệ nhân tạo như mạng nơ-ron hoặc logic mờ để cải thiện khả năng học và thích ứng của hệ thống. Ngoài ra, việc nghiên cứu áp dụng giải pháp này cho các hệ thống phức tạp hơn như robot đa bậc tự do hoặc các dây chuyền lắp ráp tự động trong bối cảnh Công nghiệp 4.0 là một hướng đi đầy tiềm năng. Công nghệ động cơ tuyến tính chạy thẳng, với sự hỗ trợ của các thuật toán điều khiển tiên tiến, chắc chắn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng công nghệ sản xuất tương lai.

6.1. Tổng kết ưu điểm chính của giải pháp điều khiển đề xuất

Giải pháp điều khiển thích nghi Backstepping đã chứng tỏ nhiều ưu điểm vượt trội: (1) Đảm bảo sự ổn định tiệm cận toàn cục cho hệ thống dựa trên nền tảng lý thuyết Lyapunov vững chắc. (2) Có khả năng xử lý hiệu quả các thành phần phi tuyến và các yếu tố bất định như ma sát, hiệu ứng đầu cuối mà không cần biết chính xác mô hình của chúng. (3) Cung cấp chất lượng điều khiển cao với sai số vị trí rất nhỏ và đáp ứng nhanh. (4) Có tính hệ thống trong quá trình thiết kế, giúp dễ dàng áp dụng cho các hệ thống phức tạp khác. Những ưu điểm này làm cho phương pháp trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao.

6.2. Kiến nghị và tiềm năng ứng dụng trong Công nghiệp 4.0

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn kiến nghị tiếp tục phát triển và hoàn thiện mô hình thí nghiệm với động cơ tuyến tính kép để kiểm chứng đầy đủ hơn. Về lâu dài, tiềm năng ứng dụng của hệ thống điều khiển vị trí này trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0 là rất lớn. Nó có thể được tích hợp vào các hệ thống sản xuất thông minh, các máy gia công tự động có khả năng tự hiệu chỉnh, hoặc các robot cộng tác (cobot) yêu cầu sự chính xác và an toàn tuyệt đối. Việc làm chủ công nghệ điều khiển cho động cơ tuyến tính sẽ góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh và thúc đẩy quá trình tự động hóa tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1. Lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính Từ năm 1840, Charles Wheastone đã mô tả động cơ điện tuyến tính (còn gọi là động cơ truyền động thẳng) ở Viện Hoàng Gia London, tuy nhiên động cơ này chưa được triển khai trong thực tế. Năm 1905 Alfred Zehden ở Frankfurt-am-Main đã mô tả động cơ điện tuyến tính trong truyền động tàu thủy, thang máy. Năm 1935 kỹ sư người Đức Hermann Kemper đã xây dựng mô hình động cơ tuyến tính.

Mãi đến năm 1947, Eric Laithwaite, một kỹ sư điện người Anh, đã sử dụng động cơ điện tuyến tính trong hệ thống truyền động máy dệt công nghiệp. Nghiên cứu của Laithwaite đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Công trình này được Viện nghiên cứu Hoàng Gia Anh công nhận vào những năm 60 của thế kỷ XX với tên gọi: Máy điện của tương lai. Cấu tạo và phân loại động cơ tuyến tính Để hiểu rõ hơn về động cơ tuyến tính ta có thể hình dung ra một động cơ quay tròn bất kỳ nào, khi tăng bán kính của động cơ đến vô cùng, sẽ thu được hình ảnh rotor và stator song song với nhau (hình 1.

Trong chuyển động tương đối khi chọn gốc tọa độ gắn với hệ quy chiếu nào ta sẽ suy ra được chuyển động tương đối của thành phần còn lại so với gốc tọa độ. Với quan điểm như vậy động cơ tuyến tính sẽ gồm hai thành phần: Thành phần thứ nhất nhận dòng năng lượng điện đi tới (phần sơ cấp), thành phần thứ hai là dòng năng lượng đưa ra dưới dạng cơ năng (phía thứ cấp). Từ quan điểm trên ta có thể thấy với động cơ tuyến tính phần tạo chuyển động thẳng có thể là phần stator hay phần rotor của máy điện quay truyền thống, từ đó tạo ra những động cơ tuyến tính tương ứng. Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Từ nguyên lý cơ bản trên, động cơ tuyến tính được phát triển với cấu tạo khác nhau tương ứng dựa vào mục đích sử dụng.

Ban đầu động cơ tuyến tính chủ yếu được sử dụng cho hệ thống giao thông vận tải. Hiện nay động cơ tuyến tính được sử dụng để thay thế một hệ thống sử dụng động cơ quay và các thiết bị cơ khí để tạo ra một chuyển động tuyến tính (thẳng) trực tiếp. Theo cấu trúc hình học, động cơ tuyến tính được chia thành 2 loại chính: dạng phẳng và dạng ống. Theo nguồn kích thích, động cơ tuyến tính có thể chia thành 4 loại chính: Động cơ một chiều tuyến tính, động cơ đồng bộ tuyến tính, động cơ không đồng bộ tuyến tính, động cơ bước tuyến tính.

Phân loại động cơ tuyến tính Ngoài ra, thực tế cho thấy tùy theo những ứng dụng cụ thể mà động cơ tuyến tính còn được phân loại như sau: - Động cơ có stator dạng răng lược. Động cơ tuyến tính có stator dạng răng lược 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn - Động cơ cơ stator dạng dài: Chiều dài của phần cung cấp thường lớn hơn nhiều lần phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần kích thích chính là phần chuyển động. Động cơ tuyến tính có stator dài - Động cơ có stator dạng ngắn: Chiều dài của phần cung cấp ngắn hơn (hoặc bằng) phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần cung cấp chính là phần chuyển động. Động cơ tuyến tính có stator ngắn Dựa vào số trục di chuyển, động cơ tuyến tính có hai loại: - Loại 1 trục.

Động cơ tuyến tính 1 trục - Loại 2 trục. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Hình 1. Động cơ tuyến tính 2 trục Trong số các động cơ tuyến tính ở trên, theo tài liệu [32], lực đẩy của loại động cơ tuyến tính đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu là lớn nhất, mặt khác, trong các loại động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu : dạng phẳng đơn, dạng phẳng có kết cấu răng lược và dạng ống thì dạng phẳng đơn dễ chế tạo hơn, giá thành rẻ hơn, do đó đề tài sẽ chọn đối tượng là động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn. Để hiểu rõ hơn về cấu tạo của động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn, bảng 1.1 đưa ra so sánh giữa các phần chuyển động và cố định của động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn.

So sánh về cấu tạo giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB- KTVC) và động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT ĐB-KTVC) Loại ĐC ĐB-KTVC ĐCTT ĐB-KTVC Bộ phận Mạch từ và dây quấn 3 Nam châm vĩnh cửu cực ẩn hoặc cực lồi Phần chuyển pha trải phẳng, chuyển gắn trên lõi thép có dạng khối trụ tròn động động tịnh tiến (chuyển chuyển động quay quanh một trục. động thẳng) Nam châm vĩnh cửu Mạch từ có kết cấu hình vành trụ tròn, gồm nhiều cực từ đặt Phần cố định trong có xẻ rãnh đặt dây quấn 3 pha. liên tiếp nhau, cực tính luân phiên nhau. 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.

Nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn. Nguyên lý làm việc tương tự như động cơ 3 pha kích thích vĩnh cửu quay tròn thông thường, nhưng stator và rotor được trải phẳng và thay cho momen là lực điện từ đẩy động chuyển động thẳng. Để hiểu rõ hơn về nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính ba pha đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn, bảng 1.2 đưa ra so sánh về nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn. So sánh về nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn.

Loại ĐC ĐB-KTVC ĐCTT ĐB-KTVC Tiêu chí So sánh Từ trường ba pha Dạng từ từ Từ trường ba pha quay tròn chuyển động tịnh tiến trong máy (chuyển động thẳng) Lực đẩy phần động do tương tác giữa từ Mô men do tương tác giữa từ trường quay trường ba pha chuyển Tác nhân gây tròn stator với từ trường nam châm vĩnh động tịnh tiến (chuyển chuyển động cử phía rotor. động thẳng) với từ trường nam châm vĩnh cửu phía stator. 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc. Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ tuyến tính kép (động cơ tuyến tính kiểu chữ U) Hình 1.

Cấu trúc hệ động cơ tuyến tính kiểu chữ U Theo [2], cấu trúc của hệ động cơ tuyến tính kiểu chữ U được mô tả như hình 1, phần tĩnh kiểu chữ U có gắn năm châm vĩnh cửu ở hai bên, ở giữa là lõi thép kép, trên có đặt hai day quấn ba pha giống hệt nhau và độc lập với nhau. Ưu điểm: - Do lực hút điện từ từ hai thanh nam châm vĩnh cửu ở hai bên phần tĩnh lên phần động bàng nhau về trị số, nhưng ngược chiều nhau, nên tổng lực hút điện từ lên phần động bằng không, điều này không có ở động cơ tuyến tính đơn, do đó độ chính xác trong truyền động vị trí của động cơ tuyến tính kép kiểu chữ U được cải thiện - Do động cơ tuyến tính kép kiểu chữ U gồm hai động cơ tuyến tính đơn ba pha giống hệt nhau có phần động gắn chặt với nhau nên công suất của loại động cơ này lớn hơn cả so với các loại động cơ tuyến tính khác. Nguyên tắc chung điều khiển chung động cơ tuyến tính ba pha kích thích vĩnh cửu Cũng như những phương pháp đã được thực hiện đối với động cơ quay, lúc này phương pháp điều khiển cho ĐCTT vẫn dựa trên hai hướng chính dựa vào nguyên lý điều khiển vector và nguyên lý điều khiển vô hướng. Nguyên lý điều khiển vô hướng Tài liệu [29] đã chỉ ra các phương pháp đại diện cho hướng nghiên cứu sử dụng nguyên lý điều khiển vô hướng: U/f không đổi (với mục đích duy trì từ thông khe hở không đổi giúp tạo ra khả năng sinh mômen mong muốn), điều khiển độ trượt,… Tuy 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn nhiên việc tạo ra từ thông khe hở không đổi sẽ gặp khó khăn khi phụ tải thay đổi vì sụt áp trên Stator phụ thuộc vào dòng chảy qua nó [29] và điều này được khắc phục bằng cách điều khiển U/f sao cho từ thông khe hở là hàm của mômen tải.

Các phương pháp dựa trên nguyên lý điều kiển vô hướng có ưu điểm dễ thực hiện nhưng chúng đều gặp khó khăn trong việc nâng cao chất lượng của hệ truyền động (đặc biệt ở vùng tốc độ thấp). Nguyên lý điều khiển vector Nguyên lý điều khiển vector đã được trình bày trong hệ thống tài liệu [7,8,9,10]. Đối với ĐCTT, việc vận dụng nguyên lý này cần dựa trên một hệ thống các vector mô tả một cách tường minh các đại lượng vật lý (dòng điện, điện áp, từ thông,…) được trình bày tài liệu [2]. Các phương pháp điều khiển dựa trên nguyên tắc điều khiển vector có ưu điểm là nâng cao được chất lượng của hệ truyền động so với phương pháp điều khiển vô hướng, do đó đề tài chọn phương pháp điều khiển vector để thực hiện.

Ứng dụng động cơ tuyến tính Hiện nay, tại các nước phát triển, giải pháp công nghệ động cơ tuyến tính được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực, cụ thể: -Trong công nghiệp sản xuất kính (theo báo điện tử: “Control engineering urope” http://www.9 Hegla GmbH's glass cutting machine uses Bosch Rexroth's IndraDyn L linear motor -Trong giao thông vận tải ( theo báo điện tử : http://www.html) 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.10 Tàu hỏa sử dụng công nghệ động cơ tuyến tính. - X-Y Robot Control Systems (Theo http://www.com/hiwin/products.html#wafer-inspection- machine-with-lmc-linear-motor) Hình 1.11 X-Y Robot Control Systems -Trong máy khoan CNC sử dụng động cơ tuyến tính (Theo nguồn tin từ trang báo điện tử: http://www.com/hiwin/products.12 Laser PCB Drilling Machine with LMS47 Linear Motor 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn - Sử dụng trong máy CNC: LX0 5AX 5 Axis Linear Motor CNC Machine (theo trang báo điện tử: https://www.com/watch?v=d7szecnTfRI) Hình 1.