Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Cán bộ HDKH: PGS.TS Võ Quang Lạp Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào 08 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010 Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên  MỞ ĐẦU Máy phay CNC được sử dụng rộng rãi trong các xí nghiệp công nghiệp → Ưu điểm: khả năng linh hoạt hóa sản xuất Đối với máy phay CNC: các bộ biến đổi, truyền động bàn máy, bộ điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển đạt độ chính xác, chất lượng bám vị trí của hệ Đề tài: “Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC” Luận văn này được chia thành 4 chương sau: Chương 1: Tổng quan về máy phay CNC Chương 2: Phân tích và chọn phương án truyền động bàn máy phay CNC Chương 3: Tổng hợp hệ thống điều khiển vector biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ điều khiển PID kết hợp mờ Kết luận và kiến nghị Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy các cô Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp Thái nguyên, ngày 06 tháng 11 năm 2010 Tác giả luận văn Phan Khải CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC 1.1 Khái quát may phay CNC +Z MCU -Z +Y -X +X -Y Máy phay CNC CNC (Computer Numberical Control) MCU (Machine Control Unit): Cụm điều khiển máy Máy phay CNC là máy công cụ được điều khiển theo chương trình số, trong đó hệ thống điều khiển có sử dụng máy tính, đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình điều khiển số như: tính toán tọa độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái của máy, tính toán nội suy trong điều khiển quỹ đạo biến dạng… Bàn máy phay CNC chuyển động trên ba trục tọa độ X, Y, và Z 1.2 Các hệ điều khiển chuyển động máy phay CNC 1.2.1 Điều khiển theo vị trí 1.2.2 Điều khiển theo đường dẫn liên tục 1.3 Các yêu cầu của chuyển động bàn máy phay CNC 1.3.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ 1.3.2 Độ trơn điều chỉnh tốc độ 1.3.3 Độ ổn định tốc độ 1.3.4 Đặc tính phụ tải 1.3.5 Độ chính xác vị trí 1.4 Hệ điều khiển máy phay CNC 1.4.1 Hệ điều khiển kiểu vòng hở  1.4.2 Hệ điều khiển kiểu vòng kín 1.5 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 1.5.1 Chức năng của cụm điều khiển 1.5.2 Phần cứng cụm điều khiển 1.5.3 Phần mềm CNC 1.6 Hệ thống đo lường trong máy phay CNC 1.6.1 Thiết bị đo tốc độ 1.6.2 Thiết bị đo vị trí 1.6.3 Các phương pháp đo vị trí 1.6.4 Các loại cảm biến có đầu ra tương tự 1.6.5 Các loại cảm biến đầu ra là số 1.5.6 Nguyên lý của các encoder dùng nguyên tắc quang điện Kết luận CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY PHAY CNC 2.1 Hệ truyền động thuỷ lực 2.2 Hệ truyền động dùng động cơ bước 2.3 Hệ truyền động dùng động cơ tuyến tính 2.4 Hệ truyền động Thyristor - động cơ (T- Đ) 2.5 Hệ truyền động dùng động cơ servo một chiều (DC servo motor) 2.6 Hệ truyền động dùng động cơ AC servo (AC servo motor) Kết luận  CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Sau khi chuyển đổi trục tọa độ abc → αβ → dq Ta được sơ đồ hệ truyền động điều khiển vector biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha như hình 3.9 * iid - ω ∗ ω - * i1q Rω - kS RI RI α,β = Biến tần 3~ a,b,c a b iid θS α,β d,q θ1 θ i1q α,β a,b,c α,β d,q ia c ib ic FT ĐCKĐB Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng thiết bị biến tần ψ 2d i1d = = const Lm (3-39) Tω i1q = 2 s ψ 2d = T2 ωs i1d L nm M = k r ψ 2d i1q = k r T2 ωs L m i1q i1d (vì ψ 2d = L m i1d ) (3-40) Từ phương trình (3.39) và (3.40) ta nhận thấy: nếu trong quá trình làm việc giữ từ thông rotor không đổi ψ2d = const có nghĩa là giữ nguyên dòng điện i 1d = const, lúc này ta điều chỉnh dòng điện i 1q để tiến hành điều chỉnh mômen (cách điều chỉnh này giống như điều chỉnh động cơ điện một chiều) Với hai mạch vòng, để điều chỉnh i 1q thì sẽ điều chỉnh được lượng vào của mạch vòng tốc độ, lượng ra của bộ điều chỉnh tốc độ là trị số điều chỉnh mômen của động cơ Như vậy khi thay đổi lượng vào tốc độ tức là thay đổi tốc độ đặt của động cơ → thay đổi tần số của bộ biến tần để thay đổi tốc độ của động cơ  * 1d i RI - Et US ku * ω - * i1q Rω - ω W1(p) RI WL(p) WL(p) i1d 1 Jp M - Kh©u t¹o m« men i1q Mc ψ 2 Hình 3.11a Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ Qua sự phân tích trên ta thấy quá trình biến đổi từ thông ψ2d là không đổi, cho nên động cơ KĐB giống như động cơ 1 chiều kích từ độc lập, do đó ta chỉ cần khảo sát mạch thay đổi với 2 tham số momen và tần số Vì vậy ta có sơ đồ cấu trúc rút gọn như hình 3.11b Et ku ω* * i1q Rω - US W1(p) RI - ω WL(p) 1 Jp M - × i1q Mc ψ2.Kr Hình 3.11b Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ 3.9 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện i1 Et * Ri(p) - US ku W1(p) i1 WL(p) Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Áp dụng tiêu chuẩn modun tối ưu ta có bộ điều chỉnh dòng điện có dạng: R i ( p) = R n (1 + Tn p )(1 + TL p ) R n (1 + Tn p ) k = = k p1 + i1 2K u τ ∑ p(1 + τ ∑ p ) 2K u Ti p p Trong đó: k p1 = (3-47) R n Tn Rn ; k i1 = 2k u Ti 2k u Ti Hàm truyền bộ điều chỉnh dòng điện Ri(p) là khâu PI 3.10 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ ω * - Rω(p) * i1q Wi(p) i1q km M - Mc 1 ω jp WF(p) Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ Áp dụng tiêu chuẩn modun tối ưu ta có bộ điều chỉnh tốc độ có dạng: 1 1 2τ ∑ p( τ ∑ p + 1) W0Tu ( p ) R ω ( p) = = kω kF WDT ( p ).WF ( p ) Tp.(1 + Tω p ) 1 + TF p = 1 Tp[ ( Tω + TF ) p + 1] T = 2τ ∑ p(1 + τ ∑ p ) k ω k F 2k.TSω (3-52) k = k ω k F ; TSω = τ ∑ = Tω + TF Trong đó: Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ Rω(p) là khâu P 3.11 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu modul : R T ( p) = kω ( 2TSω p + 1) 2TT k r k T (3-55) KP = Với: Kω 2TT K r K T KD = K ω TSω TT K r K T Hàm truyền bộ điều vị trí độ RT(p) là khâu PD Td(p) (-) RT(p) Wω ( p ) = T 2kTSω Kr P T(p) KT 1+p.TT Hình 3.15 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 3.12 Mô phỏng hệ truyền động bàn máy phay CNC sử dụng bộ điều khiển PID Hình 3.16 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển vector biến tần - động cơ không đồng bộ Sau khi mô phỏng trên phần mềm Simulink ta thu được kết quả như sau: Hình 3.17 Đáp ứng vị trí bộ điều chỉnh PID Hình 3.18 Đáp ứng tốc độ bộ điều chỉnh PID  Hình 3.19 Đáp ứng mô men bộ điều chỉnh PID Kết luận Chất lượng của hệ thống điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển cho kết quả tương đối tốt Song do tính chất phi tuyến của mạch vòng vị trí, cho nên để nâng cao chất lượng hơn nữa ta sẽ nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển mở vào mạch vòng vị trí để nâng cao chất lượng cho hệ thống CHƯƠNG 4 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY PHAY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KẾT HỢP MỜ 4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 4.2 Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong mạch vòng vị trí 4.2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 4.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ 4.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 4.3 Các bộ điều khiển mờ 4.3.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển 4.3.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 4.3.3 Bộ điều khiển mờ động 4.4 Bộ điều khiển mờ lai PID 4.4.1 Giới thiệu chung 4.4.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 4.5 Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp bộ điều khiển mờ cho truyền động bàn máy phay CNC 1 Định nghĩa các biến vào ra: 2 Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra: ET[-10,+10] rad; DET[-10,+10] rad và U[10,+10]V Âm nhiều - S2 Âm ít - S1 Không - Z0 Dương ít - B1 Dương nhiều - B2 ET ∈ {S2, S1, Z0, B1, B2} DET ∈ {S2, S1, Z0, B1, B2} U∈{-10,-7.5,-5,-2.5, 0, 2.5, 5, 7.5, 10} Hình 4.14 Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ lai PD Hình 4.15 Định nghĩa các tập mờ cho biến DET của bộ điều khiển mờ lai PD Hình 4.16 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ lai PD 3 Xây dựng các luật điều khiển: Theo kinh nghiệm thiết kế, các luật điều khiển được xây dựng theo bảng sau, tổng cộng có 25 luật điều khiển: Uđk DET S1 Z0 B1 B2 S2 -10 -7.5 -5 -2.5 0 S1 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 Z0 -5 -2.5 0 2.5 5 B1 -2.5 0 2.5 5 7.5 B2 ET S2 0 2.5 5 7.5 10 4.6 Mô phỏng hệ điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai PD  4.6.1 Bộ điều khiển mờ lai PD nối song song Hình 4.20 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối song song Hình 4.21 Đáp ứng vị trí bộ điều chỉnh mờ lai PD nối song song Hình 4.22 Đáp ứng tốc độ bộ điều chỉnh mờ lai PD nối song song Hình 4.23 Đáp ứng mô men bộ điều chỉnh mờ lai PD nối song song 4.6.2 Bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp Hình 4.24 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp  Hình 4.25 Đáp ứng vị trí bộ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp Hình 4.26 Đáp ứng tốc độ bộ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp Hình 4.27 Đáp ứng mô men bộ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp 4.7 So sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD Hình 4.28 Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD  Kết quả mô phỏng với khoảng dịch chuyển 10rad Hình 4.38 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 10rad Hình 4.39 Đáp ứng tốc độ với khoảng dịch chuyển 10rad Hình 4.40 Đáp ứng mô men với khoảng dịch chuyển 10rad Nhận xét: Với những khoảng cách dịch chuyển trong khoảng [0.01÷10] rad Hệ điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai PD rõ ràng cho kết quả tốt hơn hẳn so với bộ điều khiển PID kinh điển Điều này được thể hiện qua các chỉ tiêu chất lượng trong bảng dưới đây ứng với trường hợp khoảng dịch chuyển bằng 10rad (xem Hình 4.38) Bộ điều Bộ điều Bộ điều khiển mờ lai khiển mờ lai Các chỉ tiêu chất lượng khiển PID PD nối nối PD nối song kinh điển tiếp song Độ quá điều chỉnh 0 0 0 Thời gian quá độ 0.55 giây 0.85 giây 1.25 giây Số lần quá điều chỉnh 0 lần 0 lần 0 lần Sai lệch vị trí lớn nhất khi áp tải 1.2% 1.3% 2.6% Dao động khi áp tải không có không có có Như vậy hệ điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai PD có hai ưu điểm nổi bật so với hệ điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển là: Vị trí cần điều khiển đạt độ chính xác nhanh hơn Sai lệch vị trí khi có tải (khi dụng cụ ăn sâu vào chi tiết gia công) nhỏ hơn Ngoài ra khi sử dụng bộ điều khiển mờ lai PD, hai thông số tốc độ và mômen cũng có chất lượng điều chỉnh tốt hơn so với bộ điều khiển PID kinh điển 4.8 So sánh chất lượng điều khiển bám của hệ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD Để kiểm tra chất bám của hệ điều chỉnh bám vị trí dùng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai, thay thế tín hiệu thử là hàm step 1(t) bằng tín hiệu thử dạng y = Asin(ωt) với tần số ω tính theo rad/s trong hai trường hợp: - Chọn tín hiệu thử y có biên độ nhỏ (A = 0.1 rad), bởi vì khi máy CNC ở chế độ gia công tinh thì mỗi bước dịch chuyển thường rất nhỏ - Chọn tín hiệu thử y có biên độ lớn hơn (A = 1 rad), bởi vì khi máy CNC ở chế độ gia công thô thì mỗi bước dịch chuyển thường khá lớn Hình 4.41 Chất lượng bám của bộ ĐK PID và ĐK mờ lai PD với tín hiệu thử y = 0.1sin(ωt) với ω = 1rad/s Hình 4.42 Chất lượng bám của bộ ĐK PID và ĐK mờ lai PD với tín hiệu thử y = 0.1sin(ωt) với ω = 10rad/s Hình 4.43 Sai lệch vị trí bộ ĐK PID và bộ điều khiển mờ lai PD với tín hiệu thử y = 0.1sin(ωt) với ω = 1rad/s Kết luận: Hình 4.44 Sai lệch vị trí bộ ĐK PID và bộ điều khiển mờ lai PD với tín hiệu thử y = 0.1sin(ωt) với ω = 10rad/s 1 Với tần số biến đổi không lớn hơn 1 rad/s nhiều, cả hai bộ điều khiển cũng đều đảm bảo chất lượng điều khiển bám tốt (hình 4.41 và hình 4.43) 2 Với tần số biến đổi nhanh hơn 10 rad/s, trong khi bộ điều khiển PID kinh điển không còn duy trì được khả năng điều khiển bám tốt nữa (hình 4.42 và hính 4.44) thì bộ điều khiển mờ lai PD vẫn cho phép điều khiển bám tốt Điều này thể hiện ưu điểm của bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển kinh điển trong các hệ thống điều khiển bám KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI: 1 Kết luận: Trong bản luận văn đã nghiên cứu khảo sát cho một số kết quả như sau: - Khảo sát tổng quan về máy phay CNC, hoàn thành việc thiết kế và mô phỏng hệ thống điều chỉnh vị trí cho máy phay CNC sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển với hệ truyền động điện dùng biến tần và động cơ không đồng bộ - Để nâng cao chất lượng của chuyển động bàn máy phay CNC, bản luận văn nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển mờ lai PD Với hệ thống điều khiển này chất lượng của chuyển động bàn máy phay CNC được nâng lên nhiều so với bộ điều khiển PID kinh điển: Vị trí điều khiển đạt độ chính xác nhanh hơn, sai lệch vị trí khi có tải nhỏ hơn, tốc độ và mô men có chất lượng tốt hơn, khả năng điều khiển bám tốt hơn 2 Kiến nghị: Hoàn thiện hệ thống điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai và tiến hành áp dụng trên mô hình thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết So sánh kết quả đạt được với hệ thống điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID Thiết kế và ứng dụng bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID cho hệ thống điều chỉnh vị trí Tích hợp bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ lai, bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID vào hệ thống điều chỉnh vị trí cho các máy công cụ CNC