Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Quan Sát Nhiễu Ứng Dụng Trong Các Hệ Truyền Động Điện

Tài liệu nghiên cứu Nghiên ứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Trần Thái Trang
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Tạ Cao Minh
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Quan Sát Nhiễu Ứng Dụng Trong Các Hệ Truyền Động Điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
• 1.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG
• 1.2. CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
• 1.3. PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH QUAN SÁT NHIỄU VÀ ỨNG DỤNG
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ NHIỄU
• 2.2. MÔ HÌNH QUAN SÁT NHIỄU
• 2.2.1. Tổng quan về việc thiết kế bộ quan sát nhiễu
• 2.2.2. Cấu hình hệ thống điều khiển tổng quát
• 2.2.3. Mô hình quan sát nhiễu trong hệ thống đơn giản
• 2.2.4. Mối quan hệ giữa bộ điều khiển hai bậc tự do và mô hình quan sát nhiễu
• 2.3. ỨNG DỤNG CỦA QUAN SÁT NHIỄU TRONG ĐIỀU KHIỂN
• 2.3.1. Nhiễu tác động vào động cơ
• 2.3.2. Phản hồi nhiễu
• 2.3.3. Bộ điều khiển gia tốc
• 2.3.4. Điều khiển chuyển động dựa trên bộ điều khiển gia tốc
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ QUAN SÁT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SERVO MỘT CHIỀU
• 3.1. THAM SỐ HÓA BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI BẬC TỰ DO
• 3.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG SERVO BỀN VỮNG HAI BẬC TỰ DO
• 3.2.1. Thiết kế tham số Q(s)
• 3.2.2. ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG SERVO SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI BẬC TỰ DO
• 3.2.3. Tương đương hệ thống servo dựa trên quan sát mômen nhiễu
• 3.2.4. Thay đổi tham số động cơ và nhiễu tải
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
• 4.1. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN
• 4.2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ SERVO
• 4.3. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG
• 4.3.1. Tham số động cơ servo dùng mô phỏng
• 4.3.2. Tham số bộ điều chỉnh
• 4.3.3. Tham số bộ quan sát nhiễu
• 4.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.4.1. TH1: Khảo sát với τ = 0.1
• 4.4.2. TH2: Khảo sát với τ = 0
• 4.4.3. TH3: Khảo sát với τ = 0
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu

Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu là một lĩnh vực quan trọng trong các hệ truyền động điện. Bộ quan sát nhiễu giúp theo dõi và điều chỉnh các thông số trong hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác. Việc thiết kế bộ quan sát nhiễu không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động của nhiễu đến quá trình điều khiển. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế bộ quan sát có thể nâng cao đáng kể khả năng xử lý nhiễu trong các hệ thống điều khiển.

1.1. Ứng dụng của bộ quan sát nhiễu trong hệ truyền động điện

Bộ quan sát nhiễu được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động điện, giúp theo dõi và điều chỉnh các thông số như tốc độ, mô men và vị trí. Việc sử dụng bộ quan sát này giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống, đồng thời giảm thiểu tác động của nhiễu đến quá trình điều khiển.

1.2. Lợi ích của việc thiết kế bộ quan sát nhiễu

Thiết kế bộ quan sát nhiễu mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điều khiển, bao gồm khả năng tự động điều chỉnh, giảm thiểu sai số và nâng cao hiệu suất hoạt động. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng bộ quan sát nhiễu có thể giúp tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ cho thiết bị.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế bộ quan sát nhiễu

Mặc dù bộ quan sát nhiễu mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là khả năng xử lý các loại nhiễu khác nhau, từ nhiễu tần số thấp đến nhiễu tần số cao. Ngoài ra, việc tối ưu hóa các thông số thiết kế để đạt được hiệu suất tốt nhất cũng là một thách thức không nhỏ.

2.1. Các loại nhiễu trong hệ truyền động điện

Trong các hệ truyền động điện, nhiễu có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau như điện từ trường, rung động cơ học và các yếu tố môi trường. Việc nhận diện và phân loại các loại nhiễu này là rất quan trọng để thiết kế bộ quan sát hiệu quả.

2.2. Thách thức trong việc tối ưu hóa thiết kế

Tối ưu hóa thiết kế bộ quan sát nhiễu đòi hỏi sự cân nhắc giữa độ chính xác và chi phí. Các nhà nghiên cứu cần tìm ra các phương pháp hiệu quả để giảm thiểu nhiễu mà không làm tăng đáng kể chi phí sản xuất.

III. Phương pháp thiết kế bộ quan sát nhiễu hiệu quả

Để thiết kế bộ quan sát nhiễu hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp hiện đại như mô hình hóa toán học và thuật toán điều khiển tiên tiến. Việc sử dụng các công nghệ mới trong thiết kế giúp cải thiện khả năng xử lý nhiễu và nâng cao hiệu suất của hệ thống.

3.1. Mô hình hóa toán học trong thiết kế

Mô hình hóa toán học là một công cụ quan trọng trong thiết kế bộ quan sát nhiễu. Nó giúp mô phỏng các hành vi của hệ thống và dự đoán các tác động của nhiễu, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu.

3.2. Ứng dụng thuật toán điều khiển tiên tiến

Sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như PID, LQR hay Fuzzy Logic giúp cải thiện khả năng điều chỉnh của bộ quan sát nhiễu. Những thuật toán này cho phép hệ thống phản ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi trong điều kiện hoạt động.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ quan sát nhiễu có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các hệ truyền động điện. Các ứng dụng thực tiễn đã chứng minh rằng việc áp dụng bộ quan sát nhiễu giúp giảm thiểu sai số và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

4.1. Các ứng dụng trong ngành công nghiệp

Bộ quan sát nhiễu đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất tự động, robot và hệ thống điều khiển. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

4.2. Kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng bộ quan sát nhiễu có thể giảm thiểu tác động của nhiễu lên hệ thống điều khiển, từ đó nâng cao độ chính xác và độ tin cậy. Kết quả này đã được xác nhận qua nhiều thử nghiệm thực tế.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của bộ quan sát nhiễu

Bộ quan sát nhiễu đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của các hệ truyền động điện. Tương lai của nghiên cứu trong lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ

Với sự phát triển của công nghệ điện tử và điều khiển, bộ quan sát nhiễu sẽ ngày càng trở nên thông minh hơn. Các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo có thể được tích hợp để nâng cao khả năng xử lý và điều chỉnh của bộ quan sát.

5.2. Tương lai của nghiên cứu trong lĩnh vực này

Nghiên cứu về bộ quan sát nhiễu sẽ tiếp tục được mở rộng, với nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Sự phát triển này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ truyền động điện đóng vai trò then chốt trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, với mục tiêu biến đổi điện năng thành cơ năng quay và điều khiển chính xác các chuyển động cơ học. Theo ước tính, tỷ trọng sử dụng truyền động điện xoay chiều đã tăng từ khoảng 15-20% lên đến 50% vào đầu thế kỷ 21, dự báo tiếp tục tăng trong tương lai nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và thuật toán điều khiển hiện đại. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, các hệ truyền động thường chịu tác động của nhiễu tải và sai lệch tham số, gây ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác và độ ổn định của hệ thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu nhằm ước lượng và bù trừ các nhiễu tác động trong hệ truyền động điện, đặc biệt là trong hệ điều khiển tốc độ động cơ servo một chiều. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình quan sát nhiễu hiệu quả, thiết kế bộ điều khiển hai bậc tự do bền vững, và mô phỏng đánh giá hiệu quả của bộ quan sát trong việc cải thiện đặc tính động và tĩnh của hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các hệ truyền động điện một chiều, với các tham số động cơ và nhiễu tải được khảo sát đa dạng về mô men và tốc độ, nhằm đảm bảo tính ứng dụng rộng rãi.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác điều khiển, giảm thiểu sai lệch do nhiễu tải, từ đó tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệ truyền động điện trong công nghiệp tự động hóa. Các kết quả mô phỏng cho thấy bộ quan sát nhiễu giúp giảm sai số vị trí và lực, đồng thời cải thiện đáp ứng tốc độ trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình toán học hệ thống truyền động điện tuyến tính có nhiễu: Hệ thống được mô tả bằng phương trình trạng thái với nhiễu tải và sai lệch tham số được gộp thành nhiễu tương đương, được xem như biến trạng thái mở rộng trong mô hình.

• Bộ quan sát nhiễu (Disturbance Observer): Thiết kế bộ quan sát để ước lượng nhiễu tải dựa trên tín hiệu đầu vào/ra của hệ thống, sử dụng phương pháp Gopinath và kỹ thuật xấp xỉ đa thức bậc thấp cho nhiễu.

• Bộ điều khiển hai bậc tự do: Áp dụng cấu trúc điều khiển hai bậc tự do với tham số Youla để tách biệt thiết kế đáp ứng đầu vào và khả năng khử nhiễu, đảm bảo bền vững và chính xác.

• Các khái niệm chính: Nhiễu tải (Tdis), mô men động cơ (TM), hàm nhạy (Sensitivity function), bộ lọc thông thấp (Low-pass filter), tham số Youla (Youla parameter), bộ điều khiển gia tốc, bộ điều khiển vị trí và lực.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng các tham số động cơ servo một chiều thực tế và các trường hợp nhiễu tải mô phỏng với mô men từ 1Nm đến 5Nm, tốc độ từ 100v/ph đến 1000v/ph.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học mở rộng bao gồm trạng thái nhiễu, thiết kế bộ quan sát nhiễu theo phương pháp Gopinath, kết hợp bộ điều khiển hai bậc tự do tham số hóa bằng Youla. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm chuyên dụng để đánh giá đặc tính tốc độ, dòng điện và sai số vị trí khi có và không có bộ quan sát nhiễu.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thiết kế mô hình (3 tháng), xây dựng bộ điều khiển và bộ quan sát (2 tháng), mô phỏng và phân tích kết quả (3 tháng), hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ước lượng và bù nhiễu hiệu quả: Bộ quan sát nhiễu ước lượng chính xác mô men nhiễu tải dựa trên tín hiệu dòng điện và tốc độ động cơ, với tần số cắt bộ lọc thông thấp được điều chỉnh phù hợp. Ví dụ, trong trường hợp τ = 0.03s, M = 1Nm, ω = 300v/ph, sai số vị trí giảm gần 90% so với hệ thống không có bộ quan sát.

2. Cải thiện đặc tính tốc độ: So sánh đặc tính tốc độ khi có và không có bộ quan sát nhiễu cho thấy sự ổn định và đáp ứng nhanh hơn rõ rệt. Ở trường hợp τ = 0.03s, M = 5Nm, ω = 500v/ph, thời gian ổn định giảm khoảng 25%, đồng thời dao động tốc độ giảm hơn 30%.

3. Tính bền vững với thay đổi tham số: Bộ điều khiển hai bậc tự do kết hợp bộ quan sát nhiễu duy trì hiệu quả khử nhiễu khi tham số động cơ và tải thay đổi, đảm bảo sai số vị trí và lực gần bằng 0 trong trạng thái ổn định.

4. Ảnh hưởng của tần số cắt bộ lọc: Tần số cắt cao giúp tăng khả năng khử nhiễu nhưng làm tăng nhiễu do cảm biến và lỗi lượng tử hóa. Chiến lược điều chỉnh tần số cắt theo tốc độ động cơ giúp cân bằng giữa bền vững và chính xác, giảm sai số vị trí xuống gần 0 khi tốc độ giảm.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ đặc tính tốc độ và dòng điện, so sánh rõ ràng giữa các trường hợp có và không có bộ quan sát nhiễu. Việc ước lượng nhiễu tải thông qua bộ quan sát giúp bù trừ hiệu quả các sai lệch do nhiễu và thay đổi tham số, từ đó cải thiện độ chính xác điều khiển vị trí và lực.

So với các nghiên cứu trước đây, việc áp dụng bộ điều khiển hai bậc tự do tham số hóa Youla kết hợp bộ quan sát nhiễu mang lại sự linh hoạt trong thiết kế, cho phép điều chỉnh độc lập đáp ứng đầu vào và khả năng khử nhiễu. Điều này phù hợp với yêu cầu thực tế trong các hệ truyền động công nghiệp, nơi nhiễu tải và sai lệch tham số là không tránh khỏi.

Ngoài ra, chiến lược điều chỉnh tần số cắt bộ lọc theo tốc độ động cơ là một đóng góp quan trọng, giúp duy trì sự ổn định và chính xác trong toàn dải vận hành, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu cảm biến và lỗi lượng tử hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ quan sát nhiễu trong hệ điều khiển truyền động điện: Áp dụng bộ quan sát nhiễu để ước lượng và bù trừ nhiễu tải, nhằm nâng cao độ chính xác và độ ổn định của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng servo tốc độ cao và tải biến đổi.

2. Thiết kế bộ điều khiển hai bậc tự do tham số hóa Youla: Sử dụng cấu trúc điều khiển này để tách biệt thiết kế đáp ứng đầu vào và khả năng khử nhiễu, giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển trong phạm vi thời gian 6-12 tháng.

3. Điều chỉnh tần số cắt bộ lọc theo tốc độ động cơ: Áp dụng chiến lược điều chỉnh tần số cắt bộ lọc thông thấp dựa trên tốc độ động cơ để cân bằng giữa bền vững và chính xác, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu cảm biến.

4. Nâng cao chất lượng cảm biến và xử lý tín hiệu: Đầu tư vào cảm biến tốc độ và vị trí có độ chính xác cao, kết hợp kỹ thuật xử lý tín hiệu số để giảm nhiễu và lỗi lượng tử hóa, đảm bảo hiệu quả của bộ quan sát nhiễu.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho kỹ sư vận hành và bảo trì về thiết kế và vận hành bộ quan sát nhiễu, đảm bảo ứng dụng hiệu quả trong thực tế sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư điều khiển và tự động hóa: Nắm bắt kiến thức về thiết kế bộ quan sát nhiễu và bộ điều khiển hai bậc tự do để áp dụng trong các hệ truyền động điện, nâng cao hiệu quả điều khiển và giảm thiểu sai số do nhiễu.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực điều khiển tự động: Tham khảo các mô hình toán học, phương pháp thiết kế bộ quan sát và bộ điều khiển hiện đại, phục vụ cho nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu.

3. Chuyên gia phát triển sản phẩm thiết bị truyền động: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh thông qua việc tích hợp bộ quan sát nhiễu và điều khiển bền vững.

4. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành dây chuyền công nghiệp: Hiểu rõ về ảnh hưởng của nhiễu tải và cách khắc phục, từ đó tối ưu hóa vận hành, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ quan sát nhiễu là gì và tại sao cần thiết trong hệ truyền động điện?
   Bộ quan sát nhiễu là thiết bị hoặc thuật toán ước lượng các nhiễu tải không đo trực tiếp được trong hệ truyền động. Nó giúp bù trừ ảnh hưởng của nhiễu, nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển.

2. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển hai bậc tự do có ưu điểm gì?
   Phương pháp này cho phép tách biệt thiết kế đáp ứng đầu vào và khả năng khử nhiễu, giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển và dễ dàng điều chỉnh các tham số để phù hợp với yêu cầu thực tế.

3. Làm thế nào để điều chỉnh tần số cắt bộ lọc trong bộ quan sát nhiễu?
   Tần số cắt được điều chỉnh theo tốc độ động cơ, cao khi tốc độ lớn để tăng khả năng khử nhiễu, thấp khi tốc độ nhỏ để giảm ảnh hưởng của nhiễu cảm biến và lỗi lượng tử hóa, đảm bảo sự cân bằng giữa bền vững và chính xác.

4. Bộ quan sát nhiễu có thể áp dụng cho các loại động cơ khác ngoài động cơ một chiều không?
   Mặc dù nghiên cứu tập trung vào động cơ servo một chiều, nguyên lý bộ quan sát nhiễu có thể mở rộng áp dụng cho các loại động cơ khác như động cơ xoay chiều, với điều chỉnh phù hợp về mô hình và tham số.

5. Kết quả mô phỏng có thể được áp dụng trực tiếp vào thực tế không?
   Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở lý thuyết và đánh giá hiệu quả, tuy nhiên khi triển khai thực tế cần cân nhắc các yếu tố như chất lượng cảm biến, môi trường vận hành và sai số không mong muốn để điều chỉnh phù hợp.

Kết luận

• Bộ quan sát nhiễu giúp ước lượng và bù trừ hiệu quả các nhiễu tải trong hệ truyền động điện, nâng cao độ chính xác và ổn định điều khiển.
• Thiết kế bộ điều khiển hai bậc tự do tham số hóa Youla cho phép tách biệt và tối ưu hóa đáp ứng đầu vào và khả năng khử nhiễu.
• Chiến lược điều chỉnh tần số cắt bộ lọc theo tốc độ động cơ cân bằng giữa bền vững và chính xác, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu cảm biến.
• Kết quả mô phỏng đa dạng về mô men và tốc độ chứng minh tính hiệu quả và bền vững của hệ thống điều khiển đề xuất.
• Đề xuất triển khai ứng dụng trong công nghiệp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại động cơ và điều kiện vận hành phức tạp hơn.

Áp dụng thiết kế bộ quan sát nhiễu và bộ điều khiển hai bậc tự do vào các hệ truyền động thực tế, đồng thời phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi để nâng cao hiệu quả trong môi trường biến đổi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất. Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy các hệ thống truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có thay đổi đáng kể.

Đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ thống truyền động điện không những đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành của hệ. Hệ truyền động điện có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, nó thực hiện nhiệm vụ: biến đổi điện năng thành cơ năng quay máy sản xuất đồng thời điều khiển sự biến đổi dòng năng lượng này theo yêu cầu công nghệ của máy và dây chuyền sản xuất. Vì vậy khi nghiên cứu hệ truyền động điện người ta cần quan tâm giải quyết hai vấn đề: Vấn đề thứ nhất là nghiên cứu sự biến đổi năng lượng của các hệ truyền động điện và phương pháp điều khiển dòng năng lượng đó, ta gọi đó là phần “Cơ sở truyền động điện”. Vấn đề thứ hai là nghiên cứu điều khiển các hệ truyền động trong đó cần phải xây Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện Trần Thái Trang 11 Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 dựng cấu trúc điều khiển các hệ truyền động và thiết kế các bộ điều khiển, phần này được gọi là “Điều khiển truyền động”.

Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện tử, phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện-cơ cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó.2 CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Muốn đáp ứng mục tiêu trên thì các hệ thống điều khiển chuyển động trong lĩnh vực này phải là các hệ thống điều chỉnh tự động - truyền động điện, cấu trúc tổng quát của nó như hình 1. BBÐ ÐC MSX R RT K KT GN VH Hình 1-1. Mô tả cấu trúc chung của hệ truyền động. BBĐ- Bộ biến đổi; ĐC- Động cơ truyền động; MSX- Máy sản xuất; R T- Bộ điều chỉnh công nghệ; KT – Các bộ đóng ngắt phục vụ công nghệ; R – Các bộ điều chỉnh truyền động; K – Các bộ đóng ngắt phục vụ truyền động; VH – Người vận hành; GN – Mạch ghép nối.

Phần lực bao gồm: Bộ biến đổi năng lượng (BĐ) cung cấp cho động cơ điện (M) kéo máy sản xuất (Mx). Phần điều khiển gồm: thiết bị đo lường Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện Trần Thái Trang 12 Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 (ĐL), các bộ điều chỉnh (R). Tín hiệu điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt (THĐ), ngoài ra còn có các tín hiệu nhiễu loạn (NL) tác động lên hệ thống. Các bộ điều chỉnh (R) nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của truyền động thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt (THĐ) với tín hiệu đo lường các đại lượng truyền động (ĐL).

Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnh được khuếch đại, tạo hàm chức năng điều khiển sao cho đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống truyền động. Trong thực tế các đại lượng điều chỉnh của hệ thống truyền động là mômen (dòng điện), tốc độ, vị trí. Để đảm bảo chất lượng của hệ thống có nhiều mạch vòng điều chỉnh như: điện áp, dòng điện, tốc độ, từ thông, công suất, mômen, tần số, v. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, không phải hệ truyền động nào cũng có đầy đủ cấu trúc như vậy.

Cho nên có thể phân loại hệ truyền động điện như sau 1.3 PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN a. Theo số động cơ sử dụng - Truyền động nhóm: là hệ TĐĐ dùng một động cơ điện để kéo một nhóm nhiều máy sản xuất. - Truyền động đơn : là hệ TĐĐ dùng một động cơ điện để kéo toàn bộ một máy. Trong hệ TĐ đơn, các chuyển động khác nhau trong máy đều do một động cơ duy nhất đảm nhận, thông qua các hệ truyền cơ khí.

Hình thức truyền động này phức tạp và việc tự động hoá ở mức cao sẽ gựp nhiều khó khăn. - Truyền động nhiều động cơ :Trong hệ TĐ này ,mỗi chuyển động riêng biệt của máy do một động cơ riêng đảm nhận. Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện Trần Thái Trang 13 Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 Hình thức TĐ này làm đơn giản nhiều kết cấu cơ khí, giảm kích thứơc và trọng lượng máy, công suất động cơ được tận dụng, dễ tự đông hoá ngay ở mức độ cao. Theo đặc điểm truyền động - Chuyển động quay - Chuyển động thẳng c.

Theo chế độ làm việc - Chế độ làm việc liên tục. - Chế độ làm việc gián đoạn. Theo chiều quay của động cơ - Truyền động có đảo chiều (quay) - Truyền động không đảo chiều. Theo loại dòng điện - Truyền động điện xoay chiều: dùng động cơ xoay chiều.

- Truyền động điện một chiều: dùng động cơ một chiều. Theo đặc điểm thay đổi các thông số điện - Truyền động không điều chỉnh: động cơ nối thẳng với nguồn điện và kéo máy với một tốc độ nhất định .Thông số điện của hệ thống thay đổi là do nhiễu bên ngoài. - Truyền động có điều chỉnh: Trong loại này, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí. Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là truyền động nhiều động cơ.

Ngoài ra tùy thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều khiển ta Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện Trần Thái Trang 14 Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 có hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự hoặc truyền động điều khiển theo chương trình v. Theo thiết bị biến đổi - Hệ máy phát – động cơ (F-Đ): động cơ điện một chiều được cấp điện từ máy phát một chiều (bộ biến đổi máy điện) Thuộc hệ này có hệ máy điện khuyếch đại - động cơ (MĐK–Đ). Đó là hệ số có bộ BĐ máy điện là máy điện khuyếch đại (MĐKĐ) từ trường ngang. - Hệ chỉnh lưu - động cơ (CL-Đ), động cơ một chiều được cấp điện từ bộ chỉnh lưu.

Chỉnh lưu có thể không điều khiển (chỉnh lưu diode) hay có điều khiển (chỉnh lưu thyristor: hệ T-Đ). Theo tín hiệu điều chỉnh Nếu quan tâm tới tín hiệu điều chỉnh ta có bộ điều chỉnh tương tự (analog) và bộ điều chỉnh số (digital). Mặt khác nếu quan tâm tới cấu trúc hoặc thuật điều khiển ta có: Điều khiển thích nghi, điều chỉnh vectơ, v. Căn cứ vào số trục truyền động trong hệ thống ta có hệ một trục, hai trục và nhiều trục.

Khi xét nhiệm vụ chung của hệ thống ta có thể chia làm hai loại: - Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì theo lượng đặt trước không đổi, thí dụ như duy trì tốc độ không đổi, duy trì mômen không đổi, duy trì công suất không đổi, v. - Hệ điều chỉnh vị trí, hệ này lại chia ra: - Hệ truyền động hay gọi là hệ bám, trong đó điều khiển truyền động theo lượng đặt trước biến thiên tuỳ ý, ta thường gặp ở cơ cấu truyền động ăn dao, máy cắt kim loại, quay ăngten, rada, kính viễn vọng, tay máy, người máy, v. Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện Trần Thái Trang 15 Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 - Hệ điều khiển chương trình: Đại lượng điều khiển lại tuân theo một chương trình đặt trước. Thông thường đại lượng điều chỉnh ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian phức tạp cho nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục.

Chương trình điều khiển ở đây được mã hoá ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ, v. Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất, vì nó vừa phải thoả mãn yêu cầu điều chỉnh duy trì theo lượng đặt không đổi, lại vừa thoả mãn yêu cầu của truyền động SERV0 và dùng điều khiển số có máy tính điện tử hệ CNC (Computer Numeric Control).4 KẾT LUẬN Trong nhiều trường hợp kỹ thuật điện làm ảnh hưởng tới vị trí cạnh tranh trong công nghiệp. Ví dụ việc giảm giá thành của các thiết bị bán dẫn công suất, việc nâng cao hiệu suất, tần số của các bộ biến đổi mới làm cho tỷ trọng truyền động xoay chiều đã đạt từ (15 ÷ 20) % đến 50% trong năm 2000. Trong các năm đầu thế kỷ 21 tỷ trọng này sẽ tăng lên.

Tương lai của các hệ điều khiển chuyển động sẽ thuộc về ứng dụng động cơ xoay chiều, các bộ biến đổi có giá trị rẻ, kết cấu động cơ mới như: Động cơ từ trường vĩnh cửu, động cơ từ trễ, v. các thuật toán điều khiển tinh vi cho phép tạo ra các thiết bị có hiệu suất cao. Các thiết bị xoay chiều sẽ được sử dụng rộng rãi vì giá thành rẻ hay hiệu suất cao hơn khi cùng vốn đầu tư ban đầu. Ngày nay trong kỹ thuật sử dụng rộng rãi các bộ vi xử lý, xử lý tín hiệu số như VLSI sẽ làm giảm số lượng và kích thước máy, làm tinh tế thêm kỹ thuật điều khiển kết quả là tạo ra các thiết bị gọn hơn, hiệu suất cao hơn và tin cậy hơn.

Cuối cùng ứng dụng mô phỏng số hoá một mô hình động hoàn toàn của một hệ thống điều khiển chuyển động sẽ trả lời đầy đủ câu hỏi: "Hệ thống Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện Trần Thái Trang 16 Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 thiết bị nào sẽ được người tiêu dùng chọn ở giá nhất định và chức năng nào là quan trọng?". Nói cách khác thiết kế theo yêu cầu của người sử dụng là vấn đề trong tương lai của hệ điều khiển chuyển động.