MỞ ĐẦU 1. Khái quát chung Trong các hệ thống truyền động sử dụng động cơ truyền động quay khi muốn chuyển từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến thì phải cần thêm một hệ thống phụ. Việc bổ xung hệ thống phụ này sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống, độ chính xác không cao, gây ra hao mòn cơ học dẫn đến phải thƣờng xuyên bảo trì, bảo dƣỡng hệ thống. Sử dụng động cơ tuyến tính (Linear Motor) sẽ khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm nêu trên của hệ thống truyền động sử dụng động cơ quay tròn.
Động cơ tuyến tính là loại động cơ đƣợc thiết kế để tạo ra chuyển động tịnh tiến – chuyển động thẳng, nhƣng chúng không đƣợc sử dụng rộng rãi bởi những khó khăn mà chúng mang lại: Khó điều khiển, chất lƣợng thấp, giá thành cao. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và các bộ vi xử lý thì những khó khăn này đã đƣợc khắc phục. Động cơ tuyến tính đƣợc coi là máy điện của tƣơng lai. Từ những ƣu điểm nổi bật của động cơ tuyến tính, đồng thời để nâng cao tính chính xác trong điều khiển dịch chuyển thẳng, tôi đề xuất đề tài “Thiết kế bộ điều khiển cho hệ truyền động tuyến tính sử dụng động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid ” 2.
Mục tiêu nghiên cứu Đề tài đặt mục tiêu chính là thiết kế bộ điều khiển cho hệ truyền động tuyến tính sử dụng động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid. Các mục tiêu cụ thể là: - Thiết kế bộ điều khiển động cơ tuyến tính. - Tiến hành mô phỏng để đánh giá chất lƣợng bộ điều khiển. Kết quả dự kiến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 12 - Thiết kế đƣợc bộ điều khiển cho hệ truyền động tuyến tính sử dụng động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid.
Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận - Phƣơng pháp luận: Nghiên cứu lý thuyết về động cơ tuyến tính, phƣơng pháp điều khiển và bộ điều khiển cho hệ truyền động tuyến tính sử dụng động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid. - Phƣơng pháp nghiên cứu: + Phân tích và tổng hợp bằng mô hình toán. + Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm có các phần Chƣơng 1: Tổng quan về động cơ tuyến tính Chƣơng 2: Mô hình toán học của động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid Chƣơng 4: Đánh giá chất lƣợng hệ thống Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 13 Chƣơng 1.
Tổng quan về động cơ tuyến tính Trong điều khiển chuyển động, hệ thống truyền động điện đóng vai trò quan trọng tạo nên các chuyển động quay liên tục hoặc gián đoạn nhờ các động cơ điện. Các loại động cơ đƣợc sử dụng trong hệ thống truyền động điện rất đa dạng có thể đƣợc kể ra ở đây nhƣ động cơ một chiều (ĐCMC), động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ (ĐCĐB) và không đồng bộ (ĐCKĐB), động cơ bƣớc, động cơ servo,… Các động cơ thông dụng có rotor quay tròn, đầu ra ta nhận đƣợc chính là tốc độ quay và mômen trên trục động cơ. Ngày nay, trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp hay trong giao thông vận tải và một số lĩnh vự khác đã và đang ứng dụng loại động cơ tạo chuyển động thẳng, trong đó phải kể đến động cơ Polysolenoid là một thành viên trong của gia đình động cơ tuyến tính. Điều khiển động cơ Polysolenoid là đối tƣợng nghiên cứu của chƣơng tổng quan này.
Để làm rõ đƣợc tính chất của đối tƣợng nghiên cứu trong nội dung tiểu luận tổng quan đƣợc chia làm bốn phần nhƣ sau: 1. Tổng quan về động cơ tuyến tính 2. Truyền động tuyến tính và các phương pháp điều khiển truyền động tuyến tính. Động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid, điều khiển cho truyền động dạng Polysolenoid.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www. Đề xuất về phương án nghiên cứu tiếp theo cho động cơ Polysolenoid. Tổng quan về động cơ tuyến tính. Động cơ tuyến tính sử dụng trực tiếp điện năng biến đổi thành cơ năng, tạo ra các chuyển động thẳng.
Trong nội dung phần nay ta sẽ đi tìm hiểu bối cảnh xuất hiện và các ứng dụng của động cơ tuyến tính sử dụng trong công nghiệp. Sơ lƣợc về lịch sử xuất hiện của động cơ tuyến tính. Theo [1-4] nguyên lý cơ bản của động cơ tuyến tính đƣợc đƣa ra vào khoảng năm 1840 bởi Charles Wheatstone là một nhà khoa học ngƣời Anh. Năm 1889 hai nhà khoa học ngƣời Mỹ là Schuyler S.
Wheeler và Charles S. Bradley đã xin cấp bằng sáng chế về việc ứng dụng nguyên lý của động cơ tuyến tính đồng bộ và dị bộ vào hệ thống tàu điện. Bằng sáng chế tại Mỹ đầu tiên đƣợc cấp cho nhà sáng chế ngƣời Đức là Alfred Zehden vào năm 1902 và 1907 là về việc sử dụng động cơ tuyến tính trên hệ thống đƣờng sắt. Một loạt các bằng sáng chế tại Đức cho tàu đệm từ đƣợc cấp cho Hermann Kemper từ năm 1935 đến 1941.
Đến cuối những năm 1940 giáo sƣ Eric Laithwaite tại viện nghiên cứu Hoàng gia Anh đã đƣa ra đƣợc động cơ mô hình thực tế làm việc đƣợc và nó đƣợc ứng dụng trong hệ thống máy dệt công nghiệp. Với việc chế tạo thành công động cơ tuyến tính đầu tiên này đã dành đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học và nó đƣợc coi là máy điện của tƣơng lai. Nguyên lý làm việc của 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 đƣợc hình ảnh rotor và stator song song với nhau.
Trong chuyển động tƣơng đối khi chọn gốc tọa độ gắn với hệ quy chiếu nào ta sẽ suy ra đƣợc chuyển động tƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 15 đối của thành phần còn lại so với gốc tọa độ. Với quan điểm nhƣ vậy động cơ tuyến tính sẽ gồm hai thành phần: Thành phần thứ nhất nhận dòng năng lƣợng điện đi tới (phần sơ cấp), thành phần thứ hai là dòng năng lƣợng đƣa ra dƣới 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 tƣơng ứng.1: Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến Từ nguyên lý cơ bản trên động cơ tuyến tính đƣợc phát triển với cấu tạo tính. khác nhau tƣơng ứng dựa vào mục đích sử dụng.
Việc lựa chọn động cơ tuyến tính phụ thuộc vào thuộc tính và nguyên tắc hoạt động của chúng. Ban đầu động cơ tuyến tính chủ yếu đƣợc sử dụng cho hệ thống giao thông vận tải. Hiện nay động cơ tuyến tính đƣợc 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 trực tiếp. Các dạng cấu tạo của động cơ tuyến tính.
Từ nguyên lý cơ bản nhƣ trên ta chế tạo đƣợc các dạng động cơ tuyến tính khác nhau từ yêu cầu thực tế công nghệ. Tuy nhiên ta có thể chia làm ba dạng chính nhƣ sau. - Dạng thứ nhất: Single-sided là động cơ tuyến tính phẳng với một mặt trƣợt đơn, động cơ này bao gồm một thành phần sơ cấp (phần động), một thành phần thứ cấp (Phần tĩnh). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 16 Về nguyên lý phần tạo chuyển động là phần Rotor nhƣng trong động cơ tuyến tính dạng Single-slided phần tạo chuyển động thƣờng đƣợc lựa chọn là phần Stator (dạng Stator ngắn).
Khái niệm Stator thƣờng đƣợc dùng để chỉ phần tĩnh trong máy điện tuy nhiên ở động cơ tuyến tính Stator lại là phần động.2: Động cơ tuyến tính phẳng với một mặt trƣợt đơn Trong trƣờng hợp này stator mang ý nghĩa là phần nhận điện năng từ nguồn cung cấp. Với động cơ tuyến tính đại đa số hệ thống cuộn dây đều nằm ở phần động. Phần rotor lúc này đóng vai trò là phần tĩnh, trải dài theo toàn bộ chiều dài của máy điện (hệ thống vòng ngắn mạch của động cơ tuyến tính không đồng bộ, hệ thống nam châm vĩnh cửu của động cơ tuyến tính kích thích vĩnh cửu). - Dạng thứ hai: Double-sided Động cơ tuyến tính phẳng có dạng kết cấu răng lƣợc Thông thƣờng phần sơ cấp chính là thành phần Stator đƣợc bố trí đối xứng(dạng răng lƣợc) phần tạo chuyển động là phần Rotor (phần thứ cấp) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.3: Động cơ tuyến tính phẳng có dạng kết câu răng lƣợc - Dạng thứ ba: Tubular linear motor (Động cơ tuyến tính có kết cấu dạng hình ống).
Xuất phát từ ý tƣởng cuộn tròn động cơ tuyến tính dạng phẳng một mặt trƣợt đơn quanh một trục thẳng, kết quả thu lại sẽ đƣợc một động cơ hình ống.4: Tubular linear motor Ngoài ra, dựa vào cấu hình có thể phân ra các loại động cơ tuyến tính nhƣ sau: - Dạng Stator dài : Chiều dài của phần cung cấp thƣờng lớn hơn nhiều lần phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trƣờng hợp thì phần kích thích chính là phần chuyển động.5: Động cơ tuyến tính dạng Stator dài dạng phẳng và dạng ống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn c 18 - Dạng Stator ngắn: Chiều dài của phần cung cấp ngắn hơn (hoặc bằng) phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trƣờng hợp thì phần cung cấp chính là phần chuyển động.6: Động cơ tuyến tính dạng Stator ngắn dạng phẳng và dạng ống Tổng hợp lại ta có cách phân loại động cơ tuyến tính theo nguyên lý cấu tạo và kết cấu hình học theo hình 7 nhƣ sau Hình 1.7: Phân loại động cơ tuyên tính theo nguyên lý làm việc và kết cấu hình học. Để kết thúc phần này, theo tài liệu [4] ta có bảng so sánh tổng thể lực đẩy sinh ra của các loại động cơ tuyến tính có thể sinh ra. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.