GHIÊN 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 CƠ BLDC Ngành đào tạo: Công Nghệ Kỹ thuật Điện, Điện tử Mã số ngành: D7510301 Họ tên sinh viên: Trần Khắc Phú Người hướng dẫn khóa luận tốt nghiệp: TS Trần Đức Chuyển Nam Định - 2021 download by : skknchat@gmail.com i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm em bạn Trần Quốc Trung, 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 hồn tồn chịu trách nhiệm cho lời cam đoan Nam Định, ngày….tháng.…năm 2021 Người cam đoan Trần Khắc Phú download by : skknchat@gmail.com 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 hồn 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 Trần Khắc Phú download by : skknchat@gmail.com iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP - Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢNG THEO DÕI THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên SV: Trần Khắc Phú MSV: 17204100006 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 Tuần lễ Khối lượng 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 27/2/2021 đến 1/3/2021 1/3/2021 đến 5/3/2021 5/3/2021 đến 8/3/2021 Tiếp tục thực Nhận đề từ GVHD Tổng quan đề tài Tổng quan đề tài Tổng quan hệ truyền động điện máy giặt SV Tìm hiểu hệ thống Bản Word gửi GVHD làm chương SV nghiên cứu hệ thống điều khiển máy công nghiệp sử dụng động Servo SV nghiên cứu tính tốn hệ thống truyền động SV Xây dựng hệ thống truyền động sở công nghệ theo yêu cầu toán Viết chương gửi GVHD Viết chương gửi GVHD Viết chương gửi GVHD download by : skknchat@gmail.com iv 8/3/2021 đến 15/3/2021 Tính tốn, xây dựng mạch điều khiển theo mơ hình Viết chương gửi GVHD Kiểm tra Đánh giá khối lượng thực : 50% kỳ LVTN: Tiếp tục 10 11 12 Đề nghị thực / không tiếp tục thực 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 15/4/2021 đến 5/5/2021 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 Chạy thử nghiệm kiểm tra sửa chữa sai sót SV tiến hành thực nghiệm mơ hình SV hồn thiện báo cáo GV HD đóng quyển; Nộp Ngày …… tháng năm 2021 Thư ký giáo vụ Kiểm tra thực nghiệm mơ hình Hồn thiện tồn đồ án Hoàn thiện viết quyển, silde báo cáo Ngày…… tháng……năm 2021 Khoa / Bộ môn xác nhận download by : skknchat@gmail.com v Mục Lục LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii CÁC TỪ VIẾT TẮT…………………………………………………………………… iii DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………………….iv DANH MỤC HÌNH VẼ………………………………………………………………….v LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY GIẶT SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC……………………………………………………………………………………….2 1.1 Cấu tạo động BLDC 1.1.1 Stato 1.1.2 Roto 1.1.3 Cảm biến xác định vị trí roto 1.2 Nguyên lý hoạt động động BLDC 1.3 Phương trình toán học động BLDC 1.4 Các hệ truyền động động BLDC 12 1.4.1 Truyền động không đảo chiều ( truyền động cực tính ) 12 1.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) 13 CHƯƠNG 2: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BẰNG TÍN HIỆU CẢM BIẾN HALL………………………………………………………………………………… …15 2.1 Tổng quan 15 2.2 Phương pháp điều khiển tín hiệu cảm biến Hall-phương pháp bước 15 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY GIẶT SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC……………………………………………………………………………… ……24 3.1 Đặt vấn đề 23 3.2 Giới thiệu vi điều khiển DSPIC30F4011 24 3.2.1 Ngắt DSPIC30F4011 25 3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển động BLDC dùng DSPIC30F4011 33 3.2.3 Thiết kế mạch đệm cho nghịch lưu 38 3.2.4 Viết chương trình điều khiển cho động 41 CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THỰC NGHIỆM…………………….….46 4.1 Mơ hình động BLDC 47 4.1.1 Phần mạch điện 48 4.1.2 Phần tính tốn momen 49 4.1.3 Khối tạo dạng sức phản điện động 49 4.1.4 Mơ hình chuyển mạch điện tử - nghịch lưu nguồn áp 50 4.1.5 Khối Bộ điều khiển 51 download by : skknchat@gmail.com vi 4.1.6 Khối phản hồi tốc độ 51 4.1.7 Khối phản hồi dòng điện 51 4.1.8 Mô mơ hình hồn chỉnh hệ thống điều khiển động BLDC 52 4.1.9 Kết mô hệ thống điều khiển động BLDC 53 4.1.10 Nhận xét kết mô 57 Hình ảnh thực nghiệm 57 download by : skknchat@gmail.com vii CÁC TỪ VIẾT TẮT Cụm từ viết tắt Ý nghĩa BLDC Brushless Direct Current AC Nguồn xoay chiều DC Nguồn chiều PWM Pulse Width Modulation SĐĐ Sức điện động IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor CPU Central Processing Unit UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter MOSEFT Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor download by : skknchat@gmail.com viii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Nội dung bảng Trang Bảng 1.1: So sánh động BLDC với ĐCMC thông thường Bảng 2.1: Thứ tự chuyển mạch động quay theo chiều kim đồng hồ 20 Bảng 2.2: Thứ tự chuyển mạch động quay ngược chiều kim đồng hồ 21 Bảng 3.1: Phân công địa vào cho chân vi điều khiển download by : skknchat@gmail.com 35,36 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH STT Tên nội dung hình Trang Hình 1.1 Cấu tạo BLDC motor Hình 1.2 Roto Hình 1.3 Mặt cắt ngang loại roto 5 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 Sơ đồ cấp điện cho cuộn dây stato Hình 1.8 Mơ hình mạch điện động BLDC Hình 1.9 Sơ đồ pha tương đương động BLDC 6 10 10 Hình 1.10 Sơ đồ khối động BLDC 11 11 Hình 1.11 Minh họa nguyên lí làm việc động BLDC truyền động cực tính 12 12 Hình 1.12 Thứ tự chuyển mạch chiều quay từ trường stator 12 13 14 Hình 1.13 Chuyển mạch hai cực tính động BLDC Hình 2.1 Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động dòng điện pha chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ 14 16 15 Hình 2.2 Thứ tự cấp điện cho cuộn dây tương ứng với cảm biến Hall chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ 17 16 Hình 2.3 Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động dòng điện pha chế độ quay ngược chiều kim đồng hồ 18 17 Hình 2.4 Thứ tự cấp điện cho cuộn dây tương ứng với cảm biến Hall chế độ quay ngược chiều kim đồng hồ 19 18 Hình 2.5 Hệ điều khiển động chiều không chổi than download by : skknchat@gmail.com 20 46 chế độ cổng vào cho Port thực đọc giá trị cảm biến Hall chọn ché độ phát xung PMW cho đầu theo bảng định sẵn.Tín hiệu phát xung đầu thay đổi cách thay đổi giá trị ba ghi PCDx Sau phát xung ban đầu vi điều khiển thức đọc tín hiệu từ công ADC đặt sẵn thực công việc so sánh giá trị đặt tốc độ động giá trị phản hồi ADC thông qua đầu vào định sẵn Giá trị sai lệch hai giá đặt thực khuếch đại tích phân để đưa giá trị đặt cho điều khiển dòng điện Khi vi điều khiển lấy giá trị đặt dòng điện trừ giá trị phản hồi qua ADC để đưa tín hiệu đặt cho ghi PCDx để thực phát xung mở van cho nghịch lưu Chương trình làm việc có tín hiệu dừng download by : skknchat@gmail.com 47 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 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 download by : skknchat@gmail.com 48 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 download by : skknchat@gmail.com 49 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 dị điểm theo vị trí rotor download by : skknchat@gmail.com 50 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 download by : skknchat@gmail.com 51 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 Mô 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 download by : skknchat@gmail.com 52 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 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) download by : skknchat@gmail.com 53 Hình 4.10 Mơ hình hoàn 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 download by : skknchat@gmail.com 54 Hình 4.11 Đặc tính tốc độ động BLDC Hình 4.12 Đặc tính momen điện từ trung bình động BLDC download by : skknchat@gmail.com 55 Hình 4.13 Đặc tính dịng điện pha động BLDC download by : skknchat@gmail.com 56 Hình 4.14 Đặc tính dịng điện ba pha động BLDC Hình 4.15 Đặc tính sức phản điện động ba pha động BLDC download by : skknchat@gmail.com 57 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 thông số điều khiển gồm tốc độ, dịng điện, mơmen động với tín hiệu đặt - Tuy nhiên, độ nhấp nhơ mơmen lớn, tốc độ chưa ổn định mà cịn 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 4.16 Mơ hình thực tế điều khiển hệ thống download by : skknchat@gmail.com 58 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; mơ men làm việc động Hơn có tải động BLDC hoạt động tốt với giá trị dịng điện mơ men điều khiển ln 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 download by : skknchat@gmail.com 59 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 tháng năm 2021 Sinh viên thực Trần Khắc Phú download by : skknchat@gmail.com 60 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 download by : skknchat@gmail.com ... quan hệ truyền động điện máy giặt SV Tìm hiểu hệ thống Bản Word gửi GVHD làm chương SV nghiên cứu hệ thống điều khiển máy công nghiệp sử dụng động Servo SV nghiên cứu tính tốn hệ thống truyền động. .. động động BLDC 1.3 Phương trình tốn học động BLDC 1.4 Các hệ truyền động động BLDC 12 1.4.1 Truyền động không đảo chiều ( truyền động cực tính ) 12 1.4.2 Truyền động. .. 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 Tuần lễ Khối lượng Ngày CBHD ký Đã thực 20/02/2021