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 BẢNG THEO DÕI THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên SV: Trần Quốc Trung Địa liên lạc: Nam Định Họ tên CBHD: TS Trần Đức Chuyển Tên đề tài: Nghiên cứu hệ truyền động điện điều khiển máy giặt sử dụng động BLDC Tuần lễ đến Kiểm tra kỳ đến đến 10 đến 11 đến 12 đến Ngày …… tháng năm 2021 Thư ký giáo vụ v MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY GIẶT 1.1 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC 1.1.1 Stato 1.1.2 Roto 1.1.3 Cảm biến xác 1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ BLDC 1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM ĐỘNG CƠ BLDC 1.4 ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ BLDC 1.5 Điều khiển tốc độ động 1.5.1 Điều khiển tốc 1.5.2 Điều khiển tốc CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG 2.1 MƠ HÌNH TỐN HỌC 2.2 MOMEN ĐIỆN TỪ 2.3 MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ BLDC 2.3.1 Phương trình đ 2.3.2 Sơ đồ cấu trúc CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3.2 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC30F40 3.2.1 Ngắt DSPI 3.2.2 Thiết kế mạch 3.2.3 Thiết kế mạch 3.2.4 Viết chương tr CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ BLDC 4.1.1 Phần mạch điệ 4.1.2 Phần tính tốn 4.1.3 Khối tạo dạng 4.1.4 Mơ hình ch 4.1.5 Khối Bộ điều k 4.1.6 Khối phản hồi 4.1.7 Khối phản hồi 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 C 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 60 120 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 Hình1.12 Điều khiển tốc độ động khơng sử dụng cảm biến Hình 2.1 Mơ hình mạch điện động BLDC Hình 2.2 Mơ hình thu gọn động BLDC Hình 2.3 Sơ đồ pha tương đương động BLDC Hình 2.4 Sơ đồ khối động BLDC Hình 3.1Sơ đồ chân linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011 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 o điện động Do cuộn dây stator đặt lệch 120 nên tương ứng sức o phản điện động pha lệch 120 Trên nhánh có đặt phần tử Measurement để đo dòng điện pha sau phản hồi điều khiển Đồng thời, dịng 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 dịng 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 dị 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 mô 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 Mơ mơ hình hồn chỉnh hệ thống điều khiển động BLDC 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 mô Điều kiện mơ phỏng: Tín hiệu đặt tốc độ = 5.5528 tương ứng với giá trị tốc độ định mức 1150 vòng/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 mô hệ điều khiển động BLDC chế độ định mức Tốc độ đặt: ωđm=120 rad/s Momen định mức Mđm=250N.m Dòng 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 mơ Từ kết mơ trên, thấy số đặc điểm sau : - Hình dáng dòng 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 dịng 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 giáo, bạn bè lớp, đến em hoàn thành đề tài tốt nghiệp Trong đề tài em tìm hiểu thực yêu cầu sau: - Tìm hiểu tổng quan động chiều khơng chổi than - Đưa mơ hình tốn phương pháp điều khiển động chiều không chổi than - Tìm hiểu cấu trúc vi điều khiển DSPIC 30F4011 thực điều khiển cho động chiều khơng 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 cịn nhiều hạn chế nên đề tài thực cịn nhiều sơ sót như: điều khiển động qua pha, nghĩa điều khiển pha 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 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 khơng 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 ... THUYẾT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY GIẶT 1.1 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC 1.1.1 Stato 1.1.2 Roto 1.1.3 Cảm biến xác 1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ BLDC 1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM ĐỘNG CƠ BLDC 1.4 ĐẶC TÍNH ĐỘNG... 1.10 Điều khiển tốc độ động phương pháp PWM Hình 1.11 Điều khiển tốc độ động sử dụng CB Hall Hình1.12 Điều khiển tốc độ động không sử dụng cảm biến Hình 2.1 Mơ hình mạch điện động BLDC. .. TÍNH ĐỘNG CƠ BLDC 1.5 Điều khiển tốc độ động 1.5.1 Điều khiển tốc 1.5.2 Điều khiển tốc CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG 2.1 MƠ HÌNH TỐN HỌC 2.2 MOMEN ĐIỆN TỪ