Sử dụng bộ lọc kalman nâng cao chất lượng động cơ bước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TRẦN VĂN HÀ SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐỘNG CƠ BƢỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn NỘI DUNG LUẬN VĂN Chƣơng I: Tổng quan động bƣớc Các loại động bƣớc nguyên lí cấu tạo 1.1 Giới thiệu Động bước loại động điện có cấu tạo, ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Chúng thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rotor có khả cố định rotor vào vị trí cần thiết Về cấu tạo, động bước coi tổng hợp hai loại động cơ: Động chiều không tiếp xúc động đồng công suất nhỏ tốc độ quay rotor phụ thuộc vào thứ tự tần số xung chuyển đổi Một hệ thống điều khiển động bước bao gồm yếu tố hình vẽ sau: Hình1.1: Sơ đồ khối điều khiển động bước Bộ vi xử lý tạo xung, mạch điều khiển nhận các xung tạo công xuất cần thiết cho cuộn dây động Động khâu cuối biến đổi các xung điện tạo mô men quay Sau có nhìn tổng quan động bước 1.2 Các loại động bƣớc Ba loại động bước bao gồm: - Động bước dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) - Động bước biến từ trở (Variable Reluctance) - Động bước lai (hybrid) 1.3 Động bƣớc dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) (PM) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Một động bước hoạt động hiệu ứng tương tác rotor là nam châm vĩnh cửu từ trường tạo từ c ác cuộn dây stator Hình vẽ sau cho thấy sơ đồ điển hình động bước nam châm vĩnh cửu Rotor nam châm vĩnh cửu còn startor cuộn dây, rotor sẽ chuyển động cuộn dây của startor nhận xung điện sinh từ trường để tương tác với từ trường của rotor và làm cho rotor quay Hình 1.2: Sơ đồ động bước dùng nam châm vĩnh cửu Các tính động nam châm vĩnh cửu rotor sử dụng nam châm vĩnh cửu khơng có tiếp xúc trực tiếp Hạn chế loại động có mơ-men xoắn tương đối thấp sử dụng cho ứng dụng tốc độ thấp Khi không cung cấp dòng điện cho cuộn dây , cung cấp lượng nhỏ, lực từ tính hình thành rotor stator lực từ tạo mô-men xoắn dư 1.4 Động biến từ trở (Variable Reluctance) Động biến từ trở (VR) cốt lõi khác với PM chỗ rotor khơng dùng nam châm vĩnh cửu khơng có mơ-men xoắn còn lại để giữ rotor vị trí tắt Điều có nghĩa cường độ trường thay đổi, cấu trúc lõi cảm ứng từ các ngăn của stator là các lá thép mỏng Rotor được chế tạo từ vật liệu từ mềm có khe Khi cuộn dây stator được cung cấp dòng điện các của rotor xếp thẳng hàng với điểm cực stator, stator không được cấp lượng không có cảm ứng từ hì nh thành kho ảng không stator rotor vì khơng có mơ men xoắn dư giữa chúng Vì stator cấp lượng thì rotor chuyển đến vị trí Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.3: Mặt cắt ngang động bước biến từ trở Các động thể hình rotor có bốn chúng cách 90 độ startor có cực Vì vậy, cuộn dây cung xung thì bước động quay một góc 30 độ 1.5 Động bƣớc lai (hybrid) Động bước lai thực cách kết hợp giữa động bước nam châm vĩnh cửu động bước từ trở Mô-men xoắn tạo động lai tương tác từ trường nam châm vĩnh cửu từ trường sinh cuộn dây stator Hình 1.4: Sơ đồ mặt cắt ngang động bước lai Cấu trúc stator tương tự động nam châm vĩnh cửu, rotor hình trụ từ hóa động PM với giống động VR Điều làm tăng đặc tính mơ-men xoắn động so với hai loại động VR và PM động bước lai có góc bước nhỏ so với động nam châm vĩnh cửu, chúng đắt tiền Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Động nam châm vĩnh cửu động lai phổ biến so với biến hơn so với động bước biến từ trở, trình thiết kế mạch điều khiển dễ dàng điều khiển hai loại động Tổng quan hệ thống điều khiển động bƣớc nguyên lí phạm vi ứng dụng 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển động bƣớc Động bước cung cấp cho việc định vị xác kiểm sốt tốc độ mà khơng sử dụng cảm biến hồi tiếp Các hoạt động động bước cho phép rotor di chuyển đến vị trí xác số lượng cấp lần cấp xung điện đưa tới động Vị trí rotor động di chuyển số độ bằng số lượng xung cung cấp Chúng ta kiểm sốt xung sớ lượng xung cung cấp vậy sẽ kiểm soát được về vị trí tốc độ Rotor động sinh mô-men xoắn từ tương tác từ trường stator rotor Công xuất từ trường tỷ lệ thuận với số lượng xung cung cấp cho stator số vòng cuộn dây , làm cho trục động biến đổi xác Giống hai cực nam châm cực đẩy khác cực hút Hình 1.5: Mặt cắt ngang rotor stator Hình cho thấy mặt cắt ngang điển hình rotor stator động bước Từ sơ đồ này, thấy stator có bốn cực, rotor có cực Vì rotor cần được cung cấp 12 xung điện để di chuyển 12 bước để hồn thành vòng Nói cách khác để nói điều rotor di chuyển xác 30 độ cho xung động điện nhận Khi không cung cấp xung cho động cơ, từ tính còn lại nam Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn châm rotor chốt chặt xếp thiết lập cực từ rotor với cực từ nam châm stator Điều có nghĩa rotor có 12 vị trí bị chố t chặn Khi rotor chố t chặt vị trí, trì lực từ trường để giữ cho trục di chuyển tiếp đến vị trí Khi xung điện cung cấp , tạo từ trường cuộn dây stator, đó cuộn dây trở thành nam châm Một cuộn dây cho cặp trở thành cực bắc, cuộn dây khác trở thành cực nam Khi điều xảy ra, cuộn dây stator cực bắc thu hút gần rotor có tính phân cực ngược lại, cuộn dây stator cực Nam thu hút gần rotor có phân cực đối diện Khi dịng chảy thơng qua cực, rotor có điểm thu hút mạnh vào cuộn dây stator, mô-men xoắn tăng gọi moment xoắn giữ Bằng cách thay đổi dòng chảy để cuộn dây stator tiếp theo, từ trường có thay đổi 90 ° Rotor di chuyển 30 ° trước từ trường lần xếp với thay đổi cuộn dây stator Từ trường stator liên tục thay đổi làm cho rotor di chuyển thông qua 12 bước để góc di chuyển tổng cộng 360 ° Trong hình trên, thấy cung cấp cho cuộn dây stator dưới, cuộn dây trở thành nam châm với phần đầu cuộn dây cực bắc, phần cuộn dây cực nam Hình 1.6: Bước dịch chuyển rotor so với vị trí cuộn dây stator Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Kết thúc đối diện cực rotor, mà cực bắc, xếp với cực nam stator Một đường thẳng đặt mảnh cực nam nằm vị trí 12 Trong hình a để theo dõi chuyển động dòng điện chuyển từ cuộn dây stator Trong hình b dòng điện cuộn dây tắt, dòng điện cung cấp cho cuộn dây stator bên phải bên trái động Cuộn dây phí a bên phải cực bắc cuộn dây trái cực nam Trong điều kiện này, cực rotor dịch chuyển đến v ị trí phù hợp với từ trường stator tạo Trong hình c, thấy cuộn dây stator cung cấp lượng lần nữa, thời gian đầu cuộn dây cực nam từ trường phía cuộn dây cực bắc Sự thay đổi từ trường làm cho rotor lần di chuyển mợt góc 30 ° Trong hình d thấy hai bên cuộn dây stator lần cung cấp lượng, thay đổi cực làm cho rotor di chuyển góc 300 chiều kim đồng hồ Chúng ta nhận thấy rotor di chuyển bốn bước mỗi góc bước 30 °, vậy rotor di chuyển tổng cộng 120 ° so với vị trí ban đầu 2.2 Ứng dụng động bƣớc Động bước ứng dụng nhiều ngành tự động hóa chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy bay Trong cơng nghệ máy tính, động bước sử dụng cho loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng II: Mô hình tốn học động bƣớc điều khiển động bƣớc Mơ hình tốn học động Phần sử dụng mô hình động bước pha PM thể hì nh vẽ sau để nghiên cứu cấu điều khiển động bước Hình 2.1: Mơ hình động bước Khi cuộn dây cung cấp xung nó tạo hai cực từ stator Ví dụ hình vẽ cuộn dây sinh từ trường là cực bắc cuộn dây cực nam từ trường này đẩy rotor chuyển động một góc 900 cuộn được cung cấp xung cuộn cực bắc , cuộn cực nam làm cho rotor chuyển động góc 900 vậy rotor vị trí ổn định với từng vị trí có pha cung cấp Ngồi từ trường các cuộn dây stator sinh ngược chiều so với từ trường của rotor S=NP S số bước đủ của rotor N là số cực rotor P là số pha stator Góc bước (radian) bước cho bởi: Mô-men xoắn động TMJ viết là: Km hệ số khơng đổi động θ (t) vị trí thực tế rotor Ij (t) dòng điện cuộn dây hàm thời gian ɸ j vị trí cuộn dây j stator Tuy nhiên, Ij(t) dòng điện cuộn dây hàm số VJ (t) điện áp cung cấp điện cảm của cuộn dây Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Phương trình chung VJ (t) Ij(t) cho bởi: Trường hợp, emfj sức điện động cảm ứng pha j R là điện trở cuộn dây L là điện cảm cuộn dây Tuy nhiên, emfj cuộn dây thể sau: ω vận tốc quay rotor Mô-men xoắn tổng số tạo bước đưa sau: (1) Sử dụng phương trình xem xét phương trình chuyển động động bước (2) J là quán tính rotor tải Tl ma sát mô-men xoắn / tải mô-men xoắn B là ma sát Vận tốc góc cho (3) Ba phương trình 1,2,3 sở cho việc mơ tả mơ hình động bước PM Do có vị trí chuyển động PM với Nr là số của rotor hai vị trí (jφ) mức (π / 2) phương trình sau sẽ sở % vận tốc góc % tải tăng tốc % dòng điện qua cuộn a % dòng điện qua qua cuộn b 2.Tiêu chí lựa chọn động bƣớc tính thơng số 2.1 Tiêu chí lựa chọn động bƣớc Khi chọn động bước, cứ vào các ́u tớ sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Tốc độ hoạt động bước / giây - Mơ-men xoắn - Tải qn tính - u cầu góc bước - Thời gian tăng tốc - Thời gian để giảm tốc - Loại điều khiển sử dụng Xem xét kích thước trọng lượng 2.2 Tính tốn tham số 2.2.1 Mơ men xoắn T= Fr F lực bên r bán kính Qn tính tải (I= mơ men tải (1b-In2 )) cho phiến tròn mỏng hình trụ rỗng W trọng lượng tính pounds r bán kính hình trụ r1 bán kính bên hình trụ rỗng r2 bán kính bên ngồi hình trụ rỗng 2.2.2 Tải Cơng thức cho qn tính tương đương để vượt qua ma sát hệ thống mômen xoắn đủ để bắt đầu ngừng tất tải quán tính sau: T mô men xoắn I mô men tải (1b-In2 ) α gia tốc góc rad/S2 1/24 hệ số biến đổi để chuyển đổi đơn vị lực hút 2.2.3 Ma sát tăng tốc ma sát quay Cơng thức tính mơ-men xoắn cần thiết để luân phiên tăng tốc tải quán tính là: T mơ men xoắn I0 qn tính tải 1b-In2 Π = 3.1316 Ф góc bước bên Ѡ tốc độ bước bước giây t thời gian 10 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn delay_ms(100); } if(input(pin_a5)==1){ i ; if(idq TL TL Signal Builder STEP ab Ia STEP A+ A+ Ib dq DIR DIR AA- A+ m Iref 100 A- PID(z) B+ Discrete PID Controller 28 VDC B+ B+ V+ V- B- Theta (degrees) Scope Rad to deg BB- Driver -K- Hybrid Stepper Motor ab->dq1 ab ? Discrete, Ts = 1e-06 s More Info dq Demux i^'d Demux kalman_Omega S-Function i^q Omega^ Theta^ TL^ Hình 5.5: Sơ đờ mơ phỏng mạch kí n dùng bộ lọc Kalman 3.2 Chức khối Trên sơ đồ là mạch kí n sử dụng bộ lọc Kalman hồi tiếp dòng điện điện áp sau qua khâu hồi tiếp đưa vào bộ lọc Kalman để tính tốn tiếp đưa trở đầu vào để tiến hành so sánh với tần số cố định trước chức khối sau : - 100Hz là tần số đặt trước - Tại mạch cộng tiến hành cộng tần so sánh giữa tần sớ đặt với tần sớ tính tốn sở bộc lọc Kalman - Khối PID dây là mạch tí ch phân tỉ lệ nó tí ch phân tí n hiệu từ mạch cộng tạo tí n hiệ u chuẩn cung cấp cho khối driver - Khối Signal buider gồm khối tạo xung bước và tí n hiệu điều khiển trực tiếp nó trì cung cấp tí n hiệu cho mạch driver thay đổi góc bước thay đổi vị trí dừng của động - Khối driver nhận xung tạo dòng điện cung cấp cho hai cuộn dây của mô tơ ,nguồn điện một chiều + 28v cấp nguồn nuôi cho driver hoạt động Mô tơ bước nhận dòng điện của mạch driver đưa đến các cuộn dây đưa dến tạo mô men quay làm dịch chuyển stator, ban đầu mô men xoắn bằng - Khối scoper dùng để đo và hiển thị các thông số điện áp, dòng điện, mô men xoắn, 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Scope1 - Khối ab-dq tổng hợp hai dòng Ia ,Ib thực phép đo dòng pha A B làm tín hiệu đầu vào cho bộ lọc Kalman - Khối lọc Kalman nhận các tí n hiệu từ ab-dq và ab-dq1 thực hiện tí nh toán theo thông số lọc tín hiệu điều chỉnh 3.3 Dạng tín hiệu điện áp, dịng điện, mơ men , góc bƣớc sau q trình mơ có dạng nhƣ hình vẽ sau: Hình 5.7: Dạng tín hiệu điện áp, dòng điện, mơ men , góc bước sau trình mô Trên hì nh vẽ cho thấy góc bước sử dụng bộ lọc Kalman độ tuyến tí nh đã đư ợc cải thiện độ tuyến tính góc bước đoạn góc bước nên xuống độ tuyến tính cải thiện Kết thực nghiệm Sau trình triển khai lắp ráp thử nghiệm tơi hồn tất mạch thực nghiệm có sơ đồ ngun lí giống luận văn ,trong trình bảo vệ trình bày cụ thể trình hoạt động mạch Ảnh chụp mạch thực tế 73 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 74 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.8: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước bắt đầu tìm chế độ cài đặt trước 75 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.9: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước làm việc chế độ bước đủ quay trái 76 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.10: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước làm việc chế độ bước đủ quay phải 77 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.11: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước làm việc chế độ quay bón vòng 78 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.12: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước làm việc chế độ quay với góc đặt 1800 79 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.13: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước làm việc chế độ nửa bước quay trái 80 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo Động bước Nguyễn Mạnh Hùng- Trần Ngọc Bình nhà xuất KHKT Các tạp chí nghiên cứu khoa học trường đại học Bách khoa Hà Nội Các báo tạp chí khoa học Sicen direct Brush-DC Servomotor Implementation using PIC17C756A(Stephen Bowling, Microchip Technology Inc.) Speed Control of 3-Phase Induction Motor UsingPIC18 microcontrollers (Padmaraja Yedamale Microchip Technology Inc) Motor Control Sensor Feedback Circuits (Jim Lepkowski Microchip Technology Inc.) 7.Brushless DC Motor Control Using PIC18FXX31 MCUs Padmaraja Yedamale,Microchip Technology Inc Brushless DC Motor Control Made Easy Ward BrownMicrochip-technology Inc 81 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn