Nghiên cứu hệ truyền động điện điều khiển máy giặt sử dụng động cơ BLDC

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI KHĨA LUẬN: Nghiên cứu hệ truyền động điện điều khiển máy giặt sử dụng động BLDC Ngành đào tạo: Công Nghệ Kỹ thuật điện, điện tử Mã số ngành: D7510301 Họ tên sinh viên: TRẦN QUỐC TRUNG Người hướng dẫn đồ án tốt nghiệp: TS TRẦN ĐỨC CHUYỂN Nam Định - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm em bạn Trần Khắc Phú, không chép lại người khác Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm cho lời cam đoan Nam Định, ngày 10 tháng năm 2021 Người cam đoan Trung Trần Quốc Trung ii LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành cảm ơn đến thầy Trần Đức Chuyển giúp em nhiều trình thực luận văn Trong trình thực luận văn, giúp đỡ tận tình thầy em thu nhiều kiến thức quý báu giúp em nhiều Trong trình học làm việc tương lai: tiếp xúc với động BLDC Trong trình thực đồ án em chưa có nhiều kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi sai sót Mong nhận góp ý thầy để hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý thầy trình thực đồ án để em hoàn thành luận văn Sinh viên Trung Trần Quốc Trung iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự – Hạnh phúc BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP - BẢNG THEO DÕI THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên SV: Trần Quốc Trung MSV: 17204100017 Địa liên lạc: Nam Định Lớp: DHDI11A1ND Họ tên CBHD: TS Trần Đức Chuyển Khoa: Điện Tên đề tài: Nghiên cứu hệ truyền động điện điều khiển máy giặt sử dụng động BLDC Khối lượng Tuần lễ Ngày CBHD ký Đã thực 20/02/2021 đến 22/02/2021 22/2/2021 đến 24/2/2021 24/2/2021 đến 27/2/2021 Tiếp tục thực Nhận đề từ GVHD Tổng quan đề tài Tổng quan đề tài Tổng quan hệ truyền động điện máy giặt sử dụng BLDC SV Tìm hiểu hệ thống Bản Word gửi GVHD làm chương 27/2/2021 đến 1/3/2021 SV nghiên cứu hệ thống điều khiển máy công nghiệp sử dụng động Servo 1/3/2021 đến 5/3/2021 5/3/2021 đến SV nghiên cứu tính toán hệ thống truyền động SV Xây dựng hệ thống truyền động Viết chương gửi GVHD Viết chương gửi GVHD Viết chương gửi GVHD iv 8/3/2021 8/3/2021 đến 15/3/2021 Kiểm Đề nghị thực / không tiếp tục thực kỳ 10 11 12 Viết chương gửi GVHD Đánh giá khối lượng thực : 50% tra sở công nghệ theo u cầu tốn Tính tốn, xây dựng mạch điều khiển theo mơ hình LVTN: Tiếp tục 15/3/2021 đến 23/3/2021 23/3/2021 đến 30/3/2021 30/3/2021 đến 7/4/2021 7/4/2021 đến 15/4/2021 SV lập trình mơ đánh giá kết Viết chương 3, gửi GVHD Lắp đặt mơ hình Viết chương chương Bản Word gửi GVHD sửa ktra 15/4/2021 đến 5/5/2021 SV hoàn thiện báo Hoàn thiện viết quyển, cáo GV HD đóng silde báo cáo quyển; Nộp Chạy thử nghiệm kiểm tra sửa chữa sai sót SV tiến hành thực nghiệm mơ hình Ngày …… tháng năm 2021 Thư ký giáo vụ Kiểm tra thực nghiệm mơ hình Hồn thiện tồn đồ án Ngày…… tháng……năm 2021 Khoa / Bộ môn xác nhận v MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY GIẶT 13 1.1 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC 14 1.1.1 Stato 14 1.1.2 Roto 15 1.1.3 Cảm biến xác định vị trí roto 16 1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ BLDC 18 1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM ĐỘNG CƠ BLDC 18 1.4 ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ BLDC 19 1.5 Điều khiển tốc độ động 19 1.5.1 Điều khiển tốc độ sử dụng cảm biến vị trí 21 1.5.2 Điều khiển tốc độ không sử dụng cảm biến 21 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG 25 2.1 MƠ HÌNH TỐN HỌC 25 2.2 MOMEN ĐIỆN TỪ 27 2.3 MƠ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ BLDC 28 2.3.1 Phương trình đặc tính động chiều không chổi than 28 2.3.2 Sơ đồ cấu trúc động BLDC 30 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 32 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 32 3.2 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC30F4011 33 3.2.1 Ngắt DSPIC30F4011 34 3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển động BLDC dùng DSPIC30F4011 42 3.2.3 Thiết kế mạch đệm cho nghịch lưu 47 3.2.4 Viết chương trình điều khiển cho động 50 CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THỰC NGHIỆM 57 4.1 MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ BLDC 57 4.1.1 Phần mạch điện 58 4.1.2 Phần tính tốn momen 59 4.1.3 Khối tạo dạng sức phản điện động 59 4.1.4 Mơ hình chuyển mạch điện tử - nghịch lưu nguồn áp 60 4.1.5 Khối Bộ điều khiển 61 4.1.6 Khối phản hồi tốc độ 61 4.1.7 Khối phản hồi dòng điện 61 vi 4.1.8 Mơ mơ hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển động BLDC 62 4.1.9 Kết mô hệ thống điều khiển động BLDC 63 4.1.10 Nhận xét kết mô 67 4.2 HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM 67 vii CÁC TỪ VIẾT TẮT Cụm từ viết tắt BLDC Ý nghĩa Brushless Direct Current AC Nguồn điện xoay chiều DC Nguồn điện chiều PWM Pulse Width Modulation CPU Central Processing Unit IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh động BLDC với ĐCMC thông thường Bảng 3.1: Phân công địa vào cho chân vi điều khiển ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu tạo BLDC motor Hình 1.2 Roto Hình 1.3 Mặt cắt ngang loại roto Hình 1.4 Cảm biến Hall thực tế Hình 1.5 Điện áp phản hồi CB Hall lệch pha 600 1200 Hình 1.6 Hiệu ứng Hall Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động động Hình 1.8 Đặc tính động Hình 1.9 Sơ đồ điều khiển tốc độ BLDC motor Hình 1.10 Điều khiển tốc độ động phương pháp PWM Hình 1.11 Điều khiển tốc độ động sử dụng CB Hall 10 Hình1.12 Điều khiển tốc độ động không sử dụng cảm biến 11 Hình 2.1 Mơ hình mạch điện động BLDC 14 Hình 2.2 Mơ hình thu gọn động BLDC 16 Hình 2.3 Sơ đồ pha tương đương động BLDC 18 Hình 2.4 Sơ đồ khối động BLDC 21 Hình 3.1Sơ đồ chân linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011 24 57 CHƯƠNG : LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THỰC NGHIỆM Mơ hình hệ thống điều khiển động tổng quát trình bày hình 4.1 Hình 4.1 Hệ thống điều khiển động BLDC Mơ hình xây dựng thành khối là: + Khối điều khiển: bao gồm điều chỉnh tốc độ, dòng điện, hạn chế dòng điện, khối tạo dạng dòng điện, khâu điều chế độ rộng xung Tín hiệu vào khối tín hiệu đặt tốc độ, tín hiệu phản hồi dịng điện phản hồi tốc độ Đầu xung điều khiển điều biến độ rộng xung (PWM) + Khối chuyển mạch: gồm bóng MOSFET đấu theo kiểu nghịch lưu nguồn áp Đầu vào xung PWM cấp cho van Đầu khối điện áp pha cấp cho động + Khối động chiều không chổi than: gồm động BLDC cấp điện pha Các giá trị dòng điện pha hay tốc độ thực truyền điều khiển để làm tín hiệu phản hồi 4.1 MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ BLDC Mơ hình động BLDC bao gồm cuộn dây sator, thiết bị đo dịng điện pha, khâu tính tốn mơmen điện từ, khâu tạo sức phản điện động, khâu quán tính động 58 Hình 4.2 Mơ hình mơ động BLDC 4.1.1 Phần mạch điện Mạch nguyên lý động BLDC xây dựng thành phần điện trở, điện cảm, sức phản điện động Mơ hình mạch ngun lý tương ứng ghép lại từ pha nối thành mạch hình hình 4.3: Hình 4.3 Mạch nguyên lý động BLDC 59 Phần mạch bao gồm cuộn dây điện trở thành phần cuộn dây stator động thành phần sức phản điện động thể tương tác từ trường rotor từ trường stator Mỗi nhánh pha bao gồm điện trở cuộn dây đấu nối tiếp nối tiếp với nguồn sức phản điện động Do cuộn dây stator đặt lệch 120o nên tương ứng sức phản điện động pha lệch 120o Trên nhánh có đặt phần tử Measurement để đo dịng điện pha sau phản hồi điều khiển Đồng thời, dòng điện tham số cho việc tính tốn momen điện từ động 4.1.2 Phần tính tốn momen Hình 4.4 Khâu tính tốn momen Mơ hình thực việc nhân cặp sức phản điện động dòng điện pha tương ứng tính tổng chúng Sau đó, kết nhân với nghịch đảo tốc độ động 4.1.3 Khối tạo dạng sức phản điện động Đối với động BLDC có đặc tính sức phản điện động hình thang nên mơ cho mơ hình động giá trị sức phản điện động động tính tốn từ giá trị thực tế cách dò điểm theo vị trí rotor 60 Hình 4.5 Mơ hình khối tạo dạng sức phản điện động 4.1.4 Mơ hình chuyển mạch điện tử - nghịch lưu nguồn áp Bộ chuyển mạch điện tử có cấu tạo nghịch lưu nguồn áp pha Với nguồn cấp điện chiều 640VDC Trong mơ hình có sử dụng van MOSFET có sẵn thư viện Simulink để xây dựng mơ hình chuyển mạch trình bày sơ đồ hình 4.6 Hình 4.6 Mơ hình chuyển mạch nghịch lưu pha 61 4.1.5 Khối Bộ điều khiển Khối Bộ điều khiển bao gồm điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh dòng điện, khối tạo dạng dòng điện pha, khối điều chế độ rộng xung Mơ hình khối Bộ điều khiển trình bày hình 4.7: Hình 4.7 Mơ hình Bộ điều khiển 4.1.6 Khối phản hồi tốc độ Phản hồi tốc độ sử dụng máy phát tốc encoder Hình 4.8 Khối phản hồi tốc độ Đầu vào khối tốc độ thực động cơ, đầu mức điện áp tương ứng để so sánh với tốc độ thực đưa vào điều chỉnh tốc độ 4.1.7 Khối phản hồi dòng điện Cũng điều chỉnh dòng điện, sử dụng phần từ đo dòng pha nên khối phản hồi dịng có hàm truyền đấu song song 62 Hình 4.9 Khối phản hồi dịng điện 4.1.8 BLDC Mơ mơ hình hồn chỉnh hệ thống điều khiển động Mơ hình hồn chỉnh hệ thống trình bày hình 4.10 Sau xây dựng xong mơ hình hồn chỉnh hệ thống thực cài đặt tham số cho khối để tiến hành mơ Điều kiện mơ phỏng: Tín hiệu đặt tốc độ = 5.5528 tương ứng với giá trị tốc độ định mức 1150 vịng/phút Thời gian mơ 5(s) 63 Hình 4.10 Mơ hình hồn chỉnh hệ thống điều khiển động BLDC 4.1.9 Kết mô hệ thống điều khiển động BLDC Phần trình bày số kết mơ hệ điều khiển động BLDC chế độ định mức Tốc độ đặt: ωđm=120 rad/s Momen định mức Mđm=250N.m Dịng điện định mức: 78 A 64 Hình 4.11 Đặc tính tốc độ động BLDC Hình 4.12 Đặc tính momen điện từ trung bình động BLDC 65 Hình 4.13 Đặc tính dịng điện pha động BLDC 66 Hình 4.14 Đặc tính dịng điện ba pha động BLDC Hình 4.15 Đặc tính sức phản điện động ba pha động BLDC 67 4.1.10 Nhận xét kết mô Từ kết mơ trên, thấy số đặc điểm sau : - Hình dáng dịng điện, sức điện động giống lý thuyết trình bày Biên độ thơng số điều khiển gồm tốc độ, dịng điện, mơmen động với tín hiệu đặt - Tuy nhiên, độ nhấp nhơ mơmen cịn lớn, tốc độ chưa ổn định mà dao động quanh giá trị cân bằng, nhược điểm động BLDC nhiều nhà khoa học tìm cách giải 4.2 HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM Hình 4.15 Mạch điều khiển động BLDC 68 Hình 4.16 Mơ hình thực tế Khởi động động BLDC, cấp nguồn cho mạch điều khiển động Tốc độ quay động phụ thuộc vào tín hiệu đặt mạch điều khiển, ta thay đổi tốc độ động qua núm vặn để điều khiển mức tín hiệu xung điều khiển tương ứng với tốc độ nhanh hay chậm động BLDC Khi ta nhấn nút tạo tải, nghĩa động chiều quay làm thay đổi tốc độ động BLDC, ta kiểm tra đo giá trị tốc độ; dòng điện điện áp hệ thống, tốc độ động BLDC bị thay đổi chậm lại phải kéo theo động chiều Vì mơ hình thực nghiệm minh chứng trình điều khiển làm việc động BLDC khơng có tải kiểm tra tốc độ dòng điện; điện áp; mô men làm việc động Hơn có tải động BLDC hoạt động tốt với giá trị dịng điện mơ men điều khiển 69 cân ổn định Việc làm cần phải có máy đo lường số kiểm chứng Ở chúng em đo tốc độ động thông qua máy đo tốc độ (khi đưa đồng hồ đo tốc độ cầm tay- máy đo xạ điện tử; dí vào trục động cơ) thấy có tải khơng tải tốc độ động giữ ổn định 70 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian ngắn thực đề tài tốt nghiệp, với nỗ lực cố gắng thân giúp đỡ tận tình thầy cô giáo, bạn bè lớp, đến em hồn thành đề tài tốt nghiệp Trong đề tài em tìm hiểu thực yêu cầu sau: - Tìm hiểu tổng quan động chiều không chổi than - Đưa mơ hình tốn phương pháp điều khiển động chiều khơng chổi than - Tìm hiểu cấu trúc vi điều khiển DSPIC 30F4011 thực điều khiển cho động chiều không chổi than - Tìm hiểu phương pháp xây dựng cấu trúc hệ truyền động điện mô hệ truyền động động chiều không chổi than Tuy nhiên thời gian có hạn trình độ thân nhiều hạn chế nên đề tài thực cịn nhiều sơ sót như: điều khiển động qua pha, nghĩa điều khiển pha cịn pha phải khơng đổi Cịn chế độ điều khiển pha ta chưa xét đến được… Em mong nhận bảo, sửa chữa đóng góp ý kiến thầy cô giáo, bạn lớp để em thực hồn thành đề tài tốt Một em xin chân thành cảm ơn bảo ,hướng dẫn tận tình TS Trần Đức Chuyển , thầy cô khoa, bạn bè lớp giúp đỡ em trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Nam Định, ngày 10 tháng năm 2021 Sinh viên thực Trung Trần Quốc Trung 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi (1999), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất Khoa học kĩ thuật [2] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn – TH.S Mai Xuân Minh (2008), Mô động chiều không chổi than, Tạp chí khoa học cơng nghệ Hàng Hải [3] Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động không đồng xoay chiều ba pha, Nhà xuất Khoa học kĩ thuật [4] JianwenShao (2003), Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives, Virginia Tech University [5] TRANG TÌM KIẾM TÀI LIỆU https://www.google.com.vn [6] Website http://www.dientuvietnam.net [7] Website http://www.webdien.com [8] Website http://vi.wikipedia.org ... Tổng quan hệ truyền động điện máy giặt sử dụng BLDC SV Tìm hiểu hệ thống Bản Word gửi GVHD làm chương 27/2/2021 đến 1/3/2021 SV nghiên cứu hệ thống điều khiển máy công nghiệp sử dụng động Servo... LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ BLDC 18 1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM ĐỘNG CƠ BLDC 18 1.4 ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ BLDC 19 1.5 Điều khiển tốc độ động 19 1.5.1 Điều khiển tốc độ sử dụng cảm... 1.10 Điều khiển tốc độ động phương pháp PWM Hình 1.11 Điều khiển tốc độ động sử dụng CB Hall 10 Hình1.12 Điều khiển tốc độ động khơng sử dụng cảm biến 11 Hình 2.1 Mơ hình mạch điện động BLDC