Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý trong điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều không chổi than

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM MINH HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TRONG ĐIỀN KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM MINH HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TRONG ĐIỀN KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hoá Mã số : 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -i- LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Minh Hải Sinh ngày: 20 tháng 09 năm 1976 Học viên lớp cao học K14 – Tự động hoá – Trƣờng đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên – đại học Thái Nguyên Hiện công tác Trƣờng cao đẳng nghề phú Thọ Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi dựa hƣớng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực Nếu có sai tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Phạm Minh Hải Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - ii - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐCMC Động chiều MCKCT Một chiều không chổi than DC Direct Current DSP Digital Signal Processor PWM Pulse Width Modulation BEMF Back EMF – Sức phản điện động ADC Analog to Digital Converter DAC Digital to Analog Converter GND Ground BLDC Brushless Direct Current MOSFET Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor IC Integrated Circuit Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - iii MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Error! Bookmark not defined 1.1 Tổng quan động điện MCKCT Error! Bookmark not defined 1.1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc động điện MCKCT Error! Bookmark not defined 1.1.2 Mơ hình tốn học phƣơng trình đặc tính ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined 1.2 Hệ truyền độngđộng điện chiều không chổi thanError! Bookmark not defined 1.2.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động cực tính) Error! Bookmark not defined 1.2.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)Error! Bookmark not defined 1.3 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG Error! Bookmark not defined ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Error! Bookmark not defined 2.1 Cấu trúc hệ truyền động động MCKCT Error! Bookmark not defined 2.2 Xác định điều khiển: Ở ta phải thực hai toán: Error! Bookmark not defined 2.2.1 Bài toán (Xác định luật điều khiển): Error! Bookmark not defined 2.2.2 Bài toán (Lựa chọn thiết bị thực luật điều khiển): Error! Bookmark not defined 2.3 Card ghép nối: .23 2.4 Bộ biến đổi lƣợng 27 2.4.1 Giới thiệu IC MC33035 .27 2.4.2 Thiết kế mạch tạo xung điều khiển 31 2.5 Mạch đo tín hiệu phản hồi 33 2.5.1 Đo tín hiệu dịng điện 33 2.5.2 Mạch đo tín hiệu tốc độ 35 2.6 Tạo tín hiệu đặt điều khiển .35 2.7 Kết luận .36 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - iv CHƢƠNG THỰC NGHIỆM .37 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 37 3.1.1 Động MCKCT 37 3.1.2 Thiết bị biến đổi lƣợng 37 3.1.3 Tạo tín hiệu điều khiển .39 3.1.4 Thiết bị hiển thị 39 3.1.5 Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue 39 3.1.6 Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A 39 3.1.7 Thiết bị lấy tốc độ .40 3.1.8 Mơ hình thực nghiệm hệ thống 40 3.2 Thực nghiệm 41 3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm hệ truyền động ĐCMCKCT 41 3.2.2 Kết thực nghiệm: .43 3.3 Kết luận chƣơng 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .49 Kết luận .49 Kiến nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO .50 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -vDANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Sơ đồ khối ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình 3- Stator ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình Các dạng sức điện động ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình 1.5 - Rotor ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình Các dạng Rotor động chiều không chổi than Error! Bookmark not defined Hình 7- Mơ hình mạch điện ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình 8- Mơ hình thu gọn ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình 9- Sơ đồ khối ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình 10 - Sơ đồ pha tƣơng đƣơng ĐCMCKCTError! Bookmark not defined Hình 11 - Đặc tính làm việc đặc tính ĐCMCKCTError! Bookmark not defined Hình 12 - Minh hoạ nguyên lý làm việc ĐCMCKCT truyền động cực Error! Bookmark not defined Hình 13-Thứ tự chuyển mạch chiều quay từ trƣờng stator Error! Bookmark not defined Hình 14- Chuyển mạch hai cực tính ĐCMCKCTError! Bookmark not defined Hình Sơ đồ hệ truyền động động MCKCTError! Bookmark not defined Hình 2 - Sơ đồ cấu trúc pha ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined Hình 3- Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Error! Bookmark not defined Hình 4-Sơ đồ cấu trúc mạch vịng tốc độ Error! Bookmark not defined Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - vi Hình 5- Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm ArduinoDueError! Bookmark not defined Hình 6- Các đầu nối ngoại vi ArduinoDue Error! Bookmark not defined Hình 7- Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 26 Hình 8- Các khối chức thƣ viện ArduinoDue 26 Hình 9- Sơ đồ cấu trúc BBD động sử dụng MC33035 29 Hình 10- Mạch tạo xung điều khiển dùng MC33035 Error! Bookmark not defined Hình 11- Sơ đồ nguyên lý mạch điện .32 Hình 12- Sơ đồ mạch nguyên lý BBĐ ĐCMCKCT 33 Hình 13- Sơ đồ khối ACS712 .34 Hình 2.14- Sơ đồ mạch đo dòng điện .34 Hình 2.15- Đặc tính vào ACS712 34 Hình 16- Tín hiệu xung từ cảm biến Hall 35 Hình 17- Mạch đo tốc độ động 35 Hình 1- Động thực nghiệm 37 Hình Bộ biến đổi lƣợng cấp cho động MCKCTError! Bookmark not defined Hình 3- Card ghép nối ArduinoDue Error! Bookmark not defined Hình 3.4 - Khâu lấy tín hiệu dịng điện 39 Hình 5- Khâu lấy tín hiệu tốc độ 40 Hình 6- Mơ hình thực nghiệm hệ thống 40 Hình 7- Cấu trúc thực nghiệm 41 Hình Cấu chức hệ với tín hiệu đặt hàm bƣớc nhảy 42 Hình - Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng hàm sin 43 Hình 10 - Đáp ứng dịng điện động với tín hiệu đặt dạng hàm sin 43 Hình 11- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt biến thiên theo hàm sin 44 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - vii Hình 12- Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng hàm sin 44 Hình 13- Đáp ứng dịng điện động với tín hiệu đặt dạng hàm sin 45 Hình 14- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 45 Hình 15- Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng bậc thang .46 Hình 16- Đáp ứng dịng điện động với tín hiệu đặt dạng bậc thang 46 Bảng 1.1 So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thông thƣờng: 11 Bảng Bảng giải mã tín hiệu từ cảm biến Hall xung điều khiển pha.37 No table of figures entries found Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - viii - MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Tuy nhiên, điể ệ : ; - Sinh tia lửa điện trình làm việc Để (Ví dụ Chính lý mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng Một điều quan trọng hệ truyền động động chiều không chổi than việc cấp dòng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí từ trƣờng roto Nhƣ xác đƣợc vị trí roto việc xây dựng thuật tốn điều khiển dòng cấp cho cuộn dây Stato nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab - Simulink để thực thuật toán điều khiển cần thiết hƣớng nghiên luận án Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều khơng chổi than Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 48 - CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 3.1.1 Động MCKCT Động sử dụng nhƣ hình 3.1 có mã hiệu BM 1418ZXF với thông số sau: Điện trở pha: Rƣ =0.445 (Ω) Điện cảm pha: Lƣ = 0.00585 (H) Tốc độ định mức: nđm = 2800 (v/ph) Dòng định mức: Iđm = 11.8 (A) Momen định mức: Tđm = 249.11 (N.m) Momen quán tính: Jm = 0.117 (kg.m2) Hệ số momen: Ct = 2.94 (N.m/A) Hệ số sức điện động: Ce = 2.38 (V/rad/s) Điện áp định mức: Vđm = 48 (V) Công suất định mức: P = 500 (W) Hình 3.1 Động thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 49 - 3.1.2 Thiết bị biến đổi lượng Nguồn điện chiều đƣợc chỉnh lƣu không điều khiển từ máy biến áp pha lọc Bộ biến đổi lƣợng cấp cho động nhƣ hình 3.2 có thơng số sau: Điện áp: 48V Cơng suất: 500W Bảo vệ thấp áp: 42V ± 1V Điện áp điều khiển: 1V → 4.2V Dòng điện max: 28A ± 1A Góc pha: 120o Hình 3.2 Bộ biến đổi lượng cấp cho động MCKCT 3.1.3 Thiết bị hiển thị Thiết bị hiển thị thiết bị cho ta quan sát đƣợc trạng thái, đặc tính hệ thống Để làm đƣợc việc đó, có nhiều cơng cụ thực đƣợc, ví dụ nhƣ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 50 phần mềm Control-desk kèm card điều khiển DSP1104 Tuy nhiên để sử dụng đƣợc Control-desk ta bắt buộc phải có DSP1104 Thơng qua card ghép nối Arduino máy tính nhận đƣợc tín hiệu trạng thái tốc độ dịng điện thực hệ Do đó, ta sử dụng công cụ hiển thị Simulink để vẽ đặc tính thể trạng thái động hệ thống 3.1.4 Card ghép nối điều khiển – Bo mạch ArduinoDue Card ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi thực chức tổng hợp tạo luật điều khiển nhƣ hình 3.3 Hình 3.3 Card ghép nối ArduinoDue 3.1.5 Thiết bị đo dịng điện – ACS712-30A Khâu lấy tín hiệu phản hồi dịng điện nhƣ hình 3.4 Hình 3.4 Khâu lấy tín hiệu dịng điện Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 51 - 3.1.6 Thiết bị lấy tốc độ Từ đầu cảm biến Hall, ta dùng mạch nhƣ hình 3.5 để đo tín hiệu tốc độ hệ Hình 3.5 Khâu lấy tín hiệu tốc độ 3.1.7 Mơ hình thực nghiệm hệ thống Hình 3.6 Mơ hình thực nghiệm hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 52 - 3.2 Thực nghiệm 3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm hệ truyền động ĐCMCKCT Setup Arduino1 com7 Real-Time Pacer Speedup = Arduino IO Setup Real-Time Pacer 1.03 Top 0.97 Bottom Speed ~= Speed Enable Enable ON/OFF Step Stop Curent Current SP_Speed BLDC ArduinoDue Hình 3.7 Cấu trúc thực nghiệm 3.2.2 Kết thực nghiệm Bộ điều khiển dòng điện tốc độ thực theo (2.12),(2.16) 3.2.2.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào bƣớc nhảy Cấu trúc hệ điều tốc động MCKCT với đầu vào hàm bƣớc nhảy Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 53 1.03 Setup Arduino1 com7 Real-Time Pacer Speedup = Arduino IO Setup Real-Time Pacer Top Limit 0.97 Bottom Limit SP_Speed ~= SP_Speed_Step Enable Speed CT_Speed Current Speed Speed Enable PI(s) Speed Controller PI(s) Saturation Current Controller Current Card & BLDC Hình Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - Tín hiệu tốc độ đặt: nđặt = 2800v/ph Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 54 - Đáp ứng tốc độ động cơ: Hình Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng hàm sin - Đáp ứng dịng điện động cơ: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 55 - Hình 10 Đáp ứng dịng điện động với tín hiệu đặt dạng hàm sin Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 56 3.2.2.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào biến thiên theo hàm sin - Cấu trúc hệ điều tốc động MCKCT với đầu vào biến thiên theo hàm sin: Setup Arduino1 com7 Real-Time Pacer Speedup = Arduino IO Setup Real-Time Pacer 1.03 Top 0.97 Bottom Speed ~= Speed Enable Enable ON/OFF SP_Speed_Sine Stop Curent Current SP_Speed BLDC ArduinoDue Hình 11 Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt biến thiên theo hàm sin - Tín hiệu tốc độ đặt: nđặt = 2300+500sin(2πt/30) - Đáp ứng tốc độ động cơ: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 57 - Hình 12 Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng hàm sin - Đáp ứng dịng điện động cơ: Hình 13 Đáp ứng dịng điện động với tín hiệu đặt dạng hàm sin Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 58 3.2.2.3 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào dạng bậc thang - Cấu trúc hệ điều tốc động MCKCT với đầu vào dạng bậc thang: Setup Arduino1 com7 Real-Time Pacer Speedup = Arduino IO Setup Real-Time Pacer 1.03 Top 0.97 Bottom Speed ~= Speed Enable Enable ON/OFF SP_Speed_P Stop Curent Current SP_Speed BLDC ArduinoDue Hình 14 Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang - Tín hiệu tốc độ đặt 2800v/ph, 1500v/ph, 2000v/ph - Đáp ứng tốc độ động cơ: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 59 - Hình 15 Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng bậc thang - Đáp ứng dịng điện động cơ: Hình 16 Đáp ứng dịng điện động với tín hiệu đặt dạng bậc thang Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 60 3.2.2.4 Đánh giá kết thực nghiệm Từ kết thực nghiệm trên, thấy số đặc điểm sau: - Đáp ứng hệ thống ln bám theo tín hiệu đặt cho dù tín hiệu đặt dạng khác - Thời gian xác lập nhanh, lƣợng điều chỉnh nhỏ 3.3 Kết luận chƣơng Chƣơng trình bày thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ truyền động sử dụng động MCKCT với điều khiển đƣợc thực vi xử lý Thực thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động MCKCT với điều khiển dùng vi xử lý với kết đạt đƣợc với lý thuyết phân tích Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 61 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn giải đƣợc vấn đề sau: - Nghiên cứu tổng quan động MCKCT - Tổng hợp điều khiển mạch vòng hệ truyền động động MCKCT - Nghiên cứu cấu trúc ATSAM3X8E – bo ArduinoDUE - Xây dựng thực nghiệm hệ truyền động động MCKCT với điều chỉnh đƣợc thực vi xử lý kết thực nghiệm đáp ứng đƣợc yêu cầu đề Kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 62 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dƣơng Văn Nghi (1999), Điều chỉnh tự động truyền động điện, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động không đồng xoay chiều ba pha, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sƣ điều khiển tự động, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh 48531EMS – Chapter 12 Brushless DC motors Bhim Singh – B P Singh – (Ms) K Jain (2002), Implementation of DSP based Digital Speed for Permanent Magnet Brushless dc Motor, Department of Electrical Engineering, IIT, New Delhi Bimal K Bose (1996), Power Electronics and Variable Frequency Drives, University of Tennessee, Knoxville, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., NewYork Devendra Rai, Brushless dc Motor – Simulink simulator, Department of Electronics and Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka, India DSP-based Electric Drives Laboratory, Getting Started with dSPACE, University of Minnesota Jianwen Shao (2003), Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives, Virginia Tech University Texas Instruments (1997), DSP Solutions for BLDC Motors, Literature Number: BPRA055 Arduino, http://arduino.cc Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/