Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử: Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Điều Khiển Động Cơ AC Servo

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển động cơ AC servo, ứng dụng công nghệ hiện đại trong lĩnh vực tự động hóa.

• Tác giả: Ngô Tấn Tài
• Người hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Duy Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển động cơ AC Servo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nghiên cứu động cơ AC Servo

Nghiên cứu động cơ AC Servo là trọng tâm của luận văn, tập trung vào việc phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của động cơ này trong công nghiệp. Động cơ AC Servo được sử dụng rộng rãi nhờ hiệu suất cao, momen lớn và khả năng điều khiển chính xác. Luận văn đề cập đến việc mô hình hóa động cơ và thiết kế bộ điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất. Phương pháp Field Orient Control (FOC) được áp dụng để điều khiển động cơ, kết hợp với giải thuật di truyền để tối ưu thông số PI. Điều này giúp cải thiện đáp ứng của hệ thống trong các bài toán điều khiển vị trí và tốc độ.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Động cơ AC Servo gồm ba bộ phận chính: stator, rotor và encoder. Stator bao gồm lõi thép và dây quấn ba pha, trong khi rotor được làm từ nam châm vĩnh cửu. Encoder đóng vai trò quan trọng trong việc phản hồi vị trí và tốc độ. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của stator và từ trường cố định của rotor, tạo ra momen quay. Luận văn cũng phân tích các loại nam châm vĩnh cửu và hiệu suất của chúng, nhấn mạnh tầm quan trọng của vật liệu trong việc nâng cao hiệu suất động cơ.

1.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Động cơ AC Servo được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như máy công cụ CNC, robot công nghiệp, và các hệ thống điều khiển chính xác khác. Luận văn chỉ ra rằng việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển động cơ AC Servo không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn tăng tính linh hoạt trong thiết kế. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm công nghiệp có độ chính xác cao.

II. Thiết kế bộ điều khiển động cơ

Thiết kế bộ điều khiển động cơ là một trong những nội dung chính của luận văn, tập trung vào việc áp dụng phương pháp Field Orient Control (FOC) để điều khiển động cơ AC Servo. Phương pháp này cho phép tách biệt điều khiển từ thông và momen, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. Luận văn cũng đề xuất việc kết hợp giải thuật di truyền và điều khiển mờ để tối ưu thông số PI, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định ngay cả khi có sự thay đổi tải trọng hoặc tốc độ.

2.1. Phương pháp Field Orient Control FOC

Phương pháp FOC được sử dụng để điều khiển động cơ AC Servo bằng cách tách biệt điều khiển từ thông và momen. Luận văn mô tả chi tiết quy trình thiết kế bộ điều khiển dựa trên FOC, bao gồm việc tạo xung PWM, đọc tín hiệu dòng điện hồi tiếp và tạo tín hiệu điện áp điều khiển. Phương pháp này giúp cải thiện đáp ứng của hệ thống, đặc biệt trong các bài toán điều khiển vị trí và tốc độ.

2.2. Tối ưu thông số PI bằng giải thuật di truyền

Luận văn đề xuất việc sử dụng giải thuật di truyền để tối ưu thông số PI của bộ điều khiển. Giải thuật này giúp tìm ra các thông số tối ưu dựa trên hàm mục tiêu, đảm bảo hệ thống đạt được hiệu suất cao nhất. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển GA-PI có đáp ứng tốt hơn so với các phương pháp truyền thống.

III. Ứng dụng và đánh giá thực tiễn

Luận văn không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn đưa ra các ứng dụng thực tiễn của việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển động cơ AC Servo. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được thực hiện trên phần mềm Matlab và mô hình thực tế, cho thấy hiệu quả của các phương pháp đề xuất. Luận văn cũng đánh giá ảnh hưởng của công suất tiêu thụ trong hàm mục tiêu của giải thuật di truyền, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

3.1. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Các kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink cho thấy bộ điều khiển GA-Fuzzy-PI có đáp ứng tốt hơn so với bộ điều khiển GA-PI. Thực nghiệm trên mô hình thực tế cũng xác nhận tính khả thi của các phương pháp đề xuất. Luận văn cung cấp các biểu đồ và dữ liệu chi tiết để minh họa kết quả.

3.2. Đánh giá và kiến nghị

Luận văn đánh giá những kết quả đạt được và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo. Việc kết hợp các phương pháp điều khiển hiện đại như Fuzzy Logic và Genetic Algorithm mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống điều khiển phức tạp. Luận văn cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển các sản phẩm công nghiệp trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN - Nghiên cứu tài liệu, bài báo và công nghệ liên quan. - Tổng hợp các tài liệu. - Phân tích, thiết kế và mô phỏng dựa trên phần mềm Matlab.  Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Phân tích yêu cầu thực tế của bài toán và xây dựng mô hình thực nghiệm.

- Vận dụng các nghiên cứu lý thuyết áp dụng vào mô hình thực tế. - Đánh giá kết quả đạt được. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trang | 13 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết của động cơ AC Servo 2.1 Cấu tạo: Gồm 3 bộ phận chính là Rotor, Stator và cảm biến ( Hình 2.1 : Cấu tạo của động cơ AC Servo Stator: được gọi là phần sơ cấp hay phần đứng, có 2 phần chính là lõi thép và dây quấn ( Hình 2. Lõi thép stator hình trụ bao gồm nhiều lá thép ghép lại với nhau và được làm từ vật liệu sắt từ tốt ( từ trở nhỏ và điện trở suất lớn).

Mặt trong có những rãnh để chứa bộ dây quấn 3 pha. Dây quấn stator làm bằng dây dẫn bọc cách điện, đặt trong các rãnh được phân bố đều dọc theo chu vi của lõi thép.2: Cấu tạo của Stato động cơ AC Servo NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trang | 14 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Rô to: được gọi là phần thứ cấp hay phần quay, có 2 phần chính là lõi thép và nam châm vĩnh cửu ( Hình 2. Lõi thép rôto hình trụ bao gồm nhiều lá thép ghép lại với nhau. Mặt ngoài gắn nam châm vĩnh cửu.

Nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ vật liệu tốt vì nó mang tính chất quyết định đến công suất động cơ.3: Cấu tạo của Rô to Các loại nam châm vĩnh cửu thường được sử dụng ( Hình 2.4: Các loại nam châm vĩnh cửu trong Rôto Theo sự phát triễn khoa học, thì vật liệu làm nam châm vĩnh cửu cũng dần được thay thế để đạt hiệu suất cao nhất với kích thước nhỏ nhất ( Hình 2.5: Hiệu suất các loại nam châm vĩnh cửu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trang | 15 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cảm biến : ( Encoder) được cấu tạo như hình 2. Ánh sáng được phát ra từ LED đi quay khe quay tròn ( đĩa quang được gia công lỗ - số lượng lỗ quyết định độ chính xác động cơ. Sau đó đi tiếp qua khe cố định ( mục đích chính để lọc nhiễu ánh sáng ) và cuối cùng đến bộ phận thu ánh sang chuyển sang tín hiệu điện ( dạng xung).6 Cấu tạo encoder của động cơ Dạng tín hiệu ra của Encoder được trình bày trong hình 2.7: Dạng tín hiệu ngõ ra Encoder của động cơ 2.2 Nguyên lý hoạt động: Theo cấu tạo của rôto làm từ nam châm vĩnh cửu thì tự bản thân của nó sẽ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trang | 16 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT sinh ra một từ trường có hướng và độ lớn không đổi ( giả thiết năng lượng nam châm không bị giảm theo thời gian). Khi cho một hệ thống dòng điện hình sin ba pha cân bằng ( lệch nhau 120 độ theo thời gian) chạy vào ba cuộn dây của bộ dây quấn ba pha ( đặt cách nhau 120 độ điện trong không gian) sẽ tạo ra từ trường quay tròn.

Trục từ trường quay trùng với trục của dây quấn một pha nào đó khi dòng điện đi qua dây quấn này cực đại và dương ( hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của động cơ Nhờ sự tương tác giữa từ trường stato và từ trường rôto tạo ra cặp ngẫu lực ( momen quay). Mặt khác, stato là phần cố định nên rôto sẽ quay tròn theo tần số từ trường quay stato. Nếu không thì rôto sẽ sinh ra momen cực tiểu và cực đại luân phiên, điều này làm giảm hiệu suất tối ưu momen xoắn và tạo ra rung động cơ học nhiều, nhiễu, tiếng ồn, ứng suất cơ khí tác động lên các bộ phận máy móc. Góc giữa giữa từ trường vĩnh cửu của rôto và từ trường stato phải được điều khiển cẩn thận để tạo ra momen xoắn tối đa và hiệu suất chuyển đổi điện cơ là tốt nhất ( tốt nhất là 90 độ).

Để đạt được mục đích này thì nên sử dụng giải thuật hồi tiếp vòng kín trong việc điều khiển tốc độ để tinh chỉnh đạt được hiệu suất tốt nhất.3 Xây dựng mô hình toán học của động cơ: Để xây dựng mô hình toán cho động cơ AC Servo thì ta cần đặt các giả thiết sau: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trang | 17 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Lực từ động do cuộn dây stator sinh ra có dạng hình sin. “Space hamonics” trong các khe hở không khí được bỏ qua. - Nguồn điện cấp cho động cơ xem như ba pha cân bằng. - Các ảnh hưởng do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi sắt từ gây ra được bỏ qua.

- Dao động của cuộn dây stator trong quá trình hoạt động không được xem xét. - Ta có thể thiết lập dạng vector không gian của phương trình điện áp stato theo hệ trục tọa độ tham chiếu gốc như sau:    d S u S  rS iS  dt - Trong đó: rS , u S , iS và  S lần lượt là điện trở dây quấn stator, vector điện áp, dòng điện và từ thông của ba pha stator. - Gốc tọa độ tham chiếu gốc (a, b, c) của stato và hệ trục tọa độ quay của roto ( q, d) .9: Gốc tọa độ trục Rôto và gốc tọa độ Stato Mặt khác ta có: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trang | 18 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  2  u S  u SA (t )  au SB (t )  a 2u SC (t ) 3   2  iS  iSA (t )  aiSB (t )  a 2 iSC (t ) 3   2   S   SA (t )  a SB (t )  a 2 SC (t ) 3  Trong đó: a và a 2 là hệ số chỉ hướng của dây quấn stato; a  e j 2 / 3 ; a 2  e j 4 / 3 u SA , u SB , u SC là giá trị điện áp tức thời của 3 pha stato. iSA , iSB , iSC là giá trị dòng điện tức thời của 3 pha stato.

 SA , SB , SC là giá trị từ thông tổng quy về 3 pha stato.iC   rA  SB  L AB .iC   rB  SC  L AC .iC   rC Với: L AA , LBB , LCC lần lượt là độ tự cảm riêng của pha A, B, C. L AB , LBC , L AC lần lượt là độ tự cảm riêng tương tác của pha A và B, pha B và C, pha A và C.  rA ,  rB , rC lần lượt là từ thông phụ thuộc vào vị trí của rôto so với pha của stato do từ trường vĩnh cửu của rôto gây ra.  rA   r cos   rB   r cos(  120 o )  rC   r cos(  120 o )  r là từ thông lớn nhất được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu.

Ta phải biết rằng, trong phương trình từ thông thì độ tự cảm là một hàm của góc rôto: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trang | 19 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT L AA  Lls  L0  Lms cos(2 ) 1 2 L AB  LBA   L0  Lms cos(2  ) 2 3 Trong đó: Lls : là độ tự cảm rò dây quấn stato gây ra bởi từ thông phần ứng. 1 L0 : là độ tự cảm trung bình; L0  ( L d  Lq ) 2 Lms : là độ tự cảm dao động phụ thuộc vị trí rôto trong từ thông. 1 Lms  ( Ld  Lq ) 2 Từ đó ta có thể biểu diển tất cả các thông số từ cảm stato bằng ma trận sau:  1   1     Lls  L0  Lms cos 2  L0  Lms cos 2   2 3  L0  Lms cos 2     2 3      1     2  1 Lss    L0  Lms cos 2    Lls  L0  Lms cos 2    L0  Lms cos 2      2  3  3  2   1   1  2     L0  Lms cos 2    L0  Lms cos 2    Lls  L0  Lms cos 2    2  3 2  3   Khi cung cấp nguồn ba pha cân bằng cho động cơ thì ta có thể viết lại phương trình dưới dạng ma trận như sau: u S   rS iS   d S  ( 2.1) dt Với: u S   u SA , u SB , u SC T iS   iSA , iSB , iSC T rS   diag rA , rB , rC T S    SA , SB , SC T Ngoài ra ma trận từ thông của stato cũng có thể biểu diễn dưới dạng: S   LSS i S   r  Với: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Trang | 20 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT L SS là ma trận độ tự cảm stato theo góc quay rôto. r  là ma trận từ thông phụ thuộc nam châm vĩnh cửu r    rA , rB , rC T Vì L SS là ma trận có các thành phần phụ thuộc vào thời gian nên rất khó khăn trong việc giải trực tiếp.

Do đó, để loại bỏ việc phụ thuộc của điện áp, dòng điện, từ thông, độ từ cảm vào thời gian thì chúng ta chuyển hệ trục tọa độ tham chiếu cố định (a,b,c) sang hệ tham chiếu quay (d,q) như hình 2.10 : Hệ trục tọa độ quay dq Ta có:  f   T ( ). f  dq 0 dq 0 r abc Ma trận chuyển đổi d-q được biểu diễn như sau:   2   2    cos  r cos r   3  cos r   3      2  2   2    Tdq 0 ( r )   sin  r 3  sin  r    sin  r  3   3  ( 2.