I. Tổng Quan Hệ Thống Truyền Động Hai Khối Ứng Dụng Cấu Tạo
Các hệ thống truyền động sử dụng động cơ điện ngày càng phổ biến trong công nghiệp. Chuyển động từ động cơ được truyền đến cơ cấu chấp hành thông qua các hệ thống dẫn động cơ khí, bao gồm bánh răng, trục nối và khớp nối. Thực tế, vật liệu kim loại trong hệ dẫn động đều có hệ số modul trượt đàn hồi G. Khi chịu tác dụng của momen xoắn, hệ thống sẽ tạo ra góc chuyển vị xoắn giữa đầu và cuối, tạo thành hệ cộng hưởng với tần số dao động riêng. Trong công nghiệp, cấu trúc hệ dẫn động có thể tạo thành hệ truyền động đa khối, xấp xỉ thành hệ truyền động hai khối. Hệ thống này, còn gọi là hệ cộng hưởng hai khối (two-mass resonant system), thường gặp khi tải và động cơ nối với nhau bằng trục dài hoặc khớp nối mềm. Mô hình hệ truyền động hai khối bao gồm động cơ (thường là DC Servo hoặc AC Servo) và cơ cấu chấp hành, nối với nhau bằng trục nối cứng.
1.1. Cấu trúc và đặc điểm hệ truyền động hai khối
Hệ truyền động hai khối bao gồm động cơ (DC Servo hoặc AC Servo) và cơ cấu chấp hành. Động cơ tạo ra momen truyền động, trong khi cơ cấu chấp hành tiếp nhận momen truyền động. Trục nối cứng kết nối hai khối này. Nếu trục có độ cứng vô cùng lớn, vận tốc tải và động cơ sẽ đồng bộ, không có sai số. Tuy nhiên, trục thực tế không hoàn toàn cứng, gây ra sai số giữa vận tốc động cơ và tải. Momen xoắn trên trục dao động, tác động ngược lại động cơ. Trong trường hợp xấu nhất, tải có thể quay ngược chiều hoặc khuếch đại momen xoắn, gây mất ổn định hoặc hư hỏng cơ khí.
1.2. Ứng dụng thực tế của hệ truyền động hai khối
Hệ thống truyền động hai khối xuất hiện phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp. Ví dụ, trong hệ thống cán, trục nối dài kết nối động cơ và các trục cán. Khớp nối mềm cũng tạo ra đặc tính hai khối. Các ứng dụng này đòi hỏi điều khiển moment xoắn và điều khiển tốc độ chính xác để đảm bảo chất lượng sản phẩm và độ bền của hệ thống. Việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển bù cho các hệ thống này là rất quan trọng.
1.3. Vấn đề dao động trong hệ truyền động hai khối
Hiện tượng dao động là một vấn đề lớn trong hệ truyền động hai khối. Dao động có thể xảy ra khi vận tốc tham chiếu thay đổi hoặc khi có momen tải biến thiên. Nếu tần số của các yếu tố biến thiên này trùng với tần số riêng của hệ thống, hiện tượng dao động cộng hưởng sẽ xảy ra với biên độ cực đại. Điều này có thể dẫn đến mất ổn định, thậm chí làm hỏng các linh kiện cơ khí. Vì vậy, việc thiết kế thuật toán điều khiển hệ thống truyền động hai khối hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu dao động và đảm bảo hiệu suất của hệ thống.
II. Mô Hình Toán Học Hệ Truyền Động Hai Khối Động Cơ DC
Để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống truyền động hai khối, cần phải xây dựng mô hình toán học chính xác. Mô hình này bao gồm mô hình của động cơ, thường là động cơ DC Servo, và mô hình của hệ hai khối, bao gồm các thông số như momen quán tính, độ cứng xoắn và momen tải. Việc nhận dạng chính xác các thông số của động cơ là rất quan trọng cho quá trình mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển. Điều khiển PID hệ thống truyền động hai khối có thể được sử dụng nhưng thường gặp vấn đề về dao động.
2.1. Mô hình toán động cơ DC Servo Các phương trình cơ bản
Mô hình toán của động cơ DC Servo mô tả mối quan hệ giữa điện áp phần ứng, dòng điện, momen, và vận tốc. Các thông số quan trọng bao gồm điện trở, cảm kháng, hệ số sức điện động cảm ứng, hệ số momen, momen quán tính và hệ số ma sát. Các phương trình này cho phép mô phỏng động cơ và thiết kế bộ điều khiển tốc độ hiệu quả.
2.2. Nhận dạng tham số động cơ DC Servo bằng thực nghiệm
Để xây dựng mô hình chính xác, cần phải nhận dạng các thông số của động cơ DC Servo. Phương pháp thường dùng là thực nghiệm, bằng cách đo đáp ứng của động cơ khi thay đổi điện áp và momen tải. Các thông số có thể được ước lượng bằng phương pháp least squares hoặc các thuật toán tối ưu hóa khác. Kết quả nhận dạng này sẽ được sử dụng trong mô phỏng và thực nghiệm.
2.3. Mô hình toán học hệ truyền động hai khối
Mô hình toán học của hệ truyền động hai khối bao gồm hai khối có momen quán tính Jm và JL, nối với nhau bằng trục có độ cứng xoắn Kc. Mô hình này mô tả mối quan hệ giữa momen động cơ, momen tải, vận tốc của hai khối, và góc xoắn của trục. Mô hình có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình vi phân hoặc phương trình trạng thái, và được sử dụng để phân tích và thiết kế bộ điều khiển.
III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Trượt Cho Hệ Truyền Động Hai Khối
Để giải quyết vấn đề dao động và bám theo vận tốc trong hệ truyền động hai khối, điều khiển trượt là một lựa chọn hiệu quả. Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến, mạnh mẽ và có khả năng chống nhiễu tốt. Luận văn này nghiên cứu điều khiển trượt thích nghi (ASMC) và điều khiển trượt tích phân (ISMC). Mục tiêu là giảm dao động của động cơ và tải, đảm bảo vận tốc động cơ bám theo vận tốc đặt và giảm sai lệch giữa vận tốc tải và động cơ.
3.1. Lý thuyết điều khiển trượt Khái niệm và ưu điểm
Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển mạnh mẽ, có khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và chịu ảnh hưởng của nhiễu. Ý tưởng cơ bản là ép hệ thống vào một bề mặt trượt, nơi hệ thống có đặc tính mong muốn. Khi hệ thống nằm trên bề mặt trượt, nó sẽ ổn định và bám theo quỹ đạo tham chiếu.
3.2. Xây dựng bộ điều khiển trượt thích nghi ASMC
Bộ điều khiển trượt thích nghi (ASMC) là một biến thể của điều khiển trượt, trong đó các tham số của bộ điều khiển được điều chỉnh tự động để thích ứng với sự thay đổi của hệ thống. Trong hệ truyền động hai khối, ASMC có thể được sử dụng để ước lượng độ cứng xoắn của trục và điều chỉnh bộ điều khiển để giảm dao động. Theo nghiên cứu, Bộ điều khiển trượt thích nghi ước lượng chính xác hệ số độ cứng của trục, vận tốc động cơ đạt độ ổn định cao nhưng lại làm cho vận tốc của tải bị dao động khi có momen tải tác động, cần phải đo lường hai biến trạng thái vận tốc động cơ và vận tốc tải.
3.3. Xây dựng bộ điều khiển trượt tích phân ISMC
Bộ điều khiển trượt tích phân (ISMC) là một phương pháp điều khiển trượt khác, sử dụng tích phân của sai số để cải thiện khả năng bám theo quỹ đạo tham chiếu. ISMC có thể được sử dụng trong hệ truyền động hai khối để giảm sai số giữa vận tốc động cơ và tải khi có momen tải tác động. Theo nghiên cứu, Bộ điều khiển trượt tích phân chỉ cần đo lường một biến trạng thái là vận tốc động cơ, vận tốc động cơ đạt độ ổn định cao, giảm sai số vận tốc động cơ và tải khi có momen tải tác động.
IV. Thực Nghiệm Điều Khiển Trượt Hệ Truyền Động Hai Khối Kết Quả
Để kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển trượt, cần phải thực hiện các thực nghiệm trên mô hình thực tế. Mô hình bao gồm động cơ DC Servo, khối tải, và trục nối. Các bộ điều khiển ASMC và ISMC được lập trình và thử nghiệm trên mô hình. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu suất của các bộ điều khiển.
4.1. Giới thiệu mô hình thực nghiệm hệ truyền động hai khối
Mô hình thực nghiệm bao gồm các thiết bị phần cứng như động cơ DC Servo, bộ mã hóa (encoder), vi điều khiển STM32F722VC, mạch điều khiển, và máy tính để thu thập dữ liệu. Vi điều khiển được sử dụng để thực hiện các thuật toán điều khiển và giao tiếp với các thiết bị khác. Phần mềm đo lường và điều khiển được sử dụng để thu thập dữ liệu và hiển thị kết quả.
4.2. Đáp ứng thực nghiệm của hệ truyền động hai khối với PID
Để so sánh, hệ thống được điều khiển bằng bộ điều khiển PID trước. Kết quả cho thấy bộ điều khiển PID có thể điều khiển vận tốc, nhưng dễ bị dao động, đặc biệt khi có momen tải thay đổi. Việc chỉnh định bộ điều khiển PID cho hệ thống này khá phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian.
4.3. So sánh ASMC và ISMC trong điều khiển hệ truyền động
Kết quả thực nghiệm cho thấy cả bộ điều khiển ASMC và ISMC đều có hiệu suất tốt hơn so với bộ điều khiển PID trong việc giảm dao động và bám theo vận tốc tham chiếu. ASMC có khả năng ước lượng độ cứng xoắn của trục, nhưng có thể gây ra dao động nhỏ ở vận tốc tải. ISMC giảm sai số giữa vận tốc động cơ và tải, nhưng có thể có đáp ứng chậm hơn so với ASMC.
V. Kết Luận Hướng Phát Triển Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tối Ưu
Luận văn này đã nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống truyền động hai khối sử dụng điều khiển trượt thích nghi và điều khiển trượt tích phân. Kết quả cho thấy cả hai phương pháp đều có hiệu quả trong việc giảm dao động và bám theo vận tốc. Tuy nhiên, mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng. Hướng phát triển tiếp theo có thể là kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp để tạo ra bộ điều khiển tối ưu hơn.
5.1. Tóm tắt kết quả và đánh giá
Luận văn đã xây dựng mô hình toán học và mô hình thực nghiệm của hệ thống truyền động hai khối. Bộ điều khiển ASMC và ISMC đã được thiết kế và thử nghiệm, cho thấy khả năng giảm dao động và bám theo vận tốc tốt hơn so với bộ điều khiển PID. ASMC có khả năng thích ứng tốt, trong khi ISMC giảm sai số vận tốc.
5.2. Hướng phát triển và cải tiến bộ điều khiển
Hướng phát triển tiếp theo có thể là kết hợp ASMC và ISMC để tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp. Ngoài ra, có thể nghiên cứu các phương pháp điều khiển tối ưu khác, như điều khiển LQG hoặc điều khiển Fuzzy, để cải thiện hiệu suất và độ bền của hệ thống. Ứng dụng Điều khiển thích nghi hệ thống truyền động hai khối vào thực tế cũng là một hướng nghiên cứu tiềm năng.
