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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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 và Tự động hoá Mã số : 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên – 2014 - i - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi 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 đang công tác tại Trƣờng cao đẳng nghề phú Thọ Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực. Nếu có gì sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Phạm Minh Hải - ii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐCMC Động cơ một 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 - iii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Error! Bookmark not defined. 1.1. Tổng quan về động cơ điện MCKCT Error! Bookmark not defined. 1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện MCKCT Error! Bookmark not defined. 1.1.2. Mô hình toán học và phƣơng trình đặc tính cơ của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined. 1.2. Hệ truyền độngđộng cơ điện một chiều không chổi thanError! Bookmark not defined. 1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một 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 2. 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 cơ MCKCT Error! Bookmark not defined. 2.2 Xác định bộ điều khiển: Ở đây ta phải thực hiện hai bài toán: Error! Bookmark not defined. 2.2.1 Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển): Error! Bookmark not defined. 2.2.2 Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển): Error! Bookmark not defined. 2.3 Card ghép nối: 23 2.4. Bộ biến đổi năng lƣợng 27 2.4.1. Giới thiệu về 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 dòng điện 33 2.5.2. Mạch đo tín hiệu tốc độ 35 2.6 Tạo tín hiệu đặt và điều khiển 35 2.7 Kết luận 36 - iv - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 37 3.1. Các thiết bị thực nghiệm 37 3.1.1. Động cơ MCKCT 37 3.1.2. Thiết bị biến đổi năng 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. Mô 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 quả thực nghiệm: 43 3.3. Kết luận chƣơng 3 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 Kết luận 49 Kiến nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 - v - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH 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 1. 3- Stator của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined. Hình 1. 4 Các dạng sức điện động ĐCMCKCT . Error! Bookmark not defined. Hình 1.5 - Rotor của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined. Hình 1. 6. Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than Error! Bookmark not defined. Hình 1. 7- Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT . Error! Bookmark not defined. Hình 1. 8- Mô hình thu gọn của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined. Hình 1. 9- Sơ đồ khối của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined. Hình 1. 10 - Sơ đồ 1 pha tƣơng đƣơng của ĐCMCKCTError! Bookmark not defined. Hình 1. 11 - Đặc tính làm việc và đặc tính cơ ĐCMCKCTError! Bookmark not defined. Hình 1. 12 - Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực Error! Bookmark not defined. Hình 1. 13-Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trƣờng stator Error! Bookmark not defined. Hình 1. 14- Chuyển mạch hai cực tính của ĐCMCKCTError! Bookmark not defined. Hình 2. 1. Sơ đồ hệ truyền động động cơ MCKCTError! Bookmark not defined. Hình 2. 2 - Sơ đồ cấu trúc một pha ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined. Hình 2. 3- Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Error! Bookmark not defined. Hình 2. 4-Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Error! Bookmark not defined. - vi - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2. 5- Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm ArduinoDueError! Bookmark not defined. Hình 2. 6- Các đầu nối ngoại vi ArduinoDue Error! Bookmark not defined. Hình 2. 7- Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 26 Hình 2. 8- Các khối chức năng trong thƣ viện ArduinoDue 26 Hình 2. 9- Sơ đồ cấu trúc BBD và động cơ sử dụng MC33035 29 Hình 2. 10- Mạch tạo xung điều khiển dùng MC33035 Error! Bookmark not defined. Hình 2. 11- Sơ đồ nguyên lý mạch điện 32 Hình 2. 12- Sơ đồ mạch nguyên lý BBĐ và ĐCMCKCT 33 Hình 2. 13- Sơ đồ khối ACS712 34 Hình 2.14- Sơ đồ mạch đo dòng điện 34 Hình 2.15- Đặc tính vào ra của ACS712 34 Hình 2. 16- Tín hiệu xung từ cảm biến Hall 35 Hình 2. 17- Mạch đo tốc độ động cơ 35 Hình 3. 1- Động cơ thực nghiệm 37 Hình 3. 2. Bộ biến đổi năng lƣợng cấp cho động cơ MCKCTError! Bookmark not defined. Hình 3. 3- Card ghép nối ArduinoDue Error! Bookmark not defined. Hình 3.4 - Khâu lấy tín hiệu dòng điện 39 Hình 3. 5- Khâu lấy tín hiệu tốc độ 40 Hình 3. 6- Mô hình thực nghiệm hệ thống 40 Hình 3. 7- Cấu trúc thực nghiệm 41 Hình 3. 8 Cấu chức hệ với tín hiệu đặt là hàm bƣớc nhảy 42 Hình 3. 9 - Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 43 Hình 3. 10 - Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 43 Hình 3. 11- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt biến thiên theo hàm sin 44 - vii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3. 12- Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 44 Hình 3. 13- Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 45 Hình 3. 14- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 45 Hình 3. 15- Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 46 Hình 3. 16- Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 46 Bảng 1.1 So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thông thƣờng: 11 Bảng 2. 1 Bảng giải mã tín hiệu từ cảm biến Hall và xung điều khiển các pha. 37 No table of figures entries found. - viii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề . Tuy nhiên, điể ệ : - ; - Sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc. Để (Ví dụ . Chính vì lý do trên mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than đã và đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng. Một điều quan trọng trong hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than là việc cấp dòng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí của từ trƣờng roto. Nhƣ vậy khi đã xác đƣợc vị trí roto việc xây dựng thuật toán điều khiển dòng cấp cho cuộn dây Stato và nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab - Simulink để thực hiện thuật toán điều khiển này là cần thiết và cũng là hƣớng nghiên chính của bản luận án. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than. [...]... - - Thực hiện thuật toán điều khiển ứng dụng vi xử lý trong điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều không chổi than 3 Kết quả dự kiến: - Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than - Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển động cơ một chiều không chổi than - Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than 4 Phƣơng pháp và phƣơng... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 27 - CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 2.1 Cấu trúc hệ truyền động động cơ MCKCT Một cách tổng quát sơ đồ khối hệ truyền động động cơ MCKCT với 2 mạch vòng phản hồi dòng điện và tốc độ sử dụng vi xử lý để điều khiển nhƣ hình 2.1: Vị trí rô to động cơ Máy tính Tín hiệu chủ đạo Ucđ HIỂN THỊ CARD GHÉP NỐI VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG BBĐ CƠ NĂNG LƢỢNG Điện áp 3 pha MCKCT... động cơ điện một chiều không chổi than Chƣơng 2: Thiết kế hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than Chƣơng 3: Thực nghiệm Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 10 - CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1 Tổng quan về động cơ điện MCKCT 1.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm vi c của động cơ điện MCKCT Động cơ một chiều (ĐCMC) thông... trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác ĐCMCKCT không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn chế đánh lửa Vì vậy vùng điều chỉnh của ĐCMCKCT có thể đƣợc mở rộng hơn Hình 1 11 Đặc tính làm vi c và đặc tính cơ ĐCMCKCT 1.2 Hệ truyền động ộng cơ điện một chiều không chổi than 1.2.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) Hình 1 12 Minh hoạ nguyên lý. .. đặt trong rotor trong lõi rotor Hình 1 6 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than Không giống nhƣ động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 16 cơ một chiều không chổi than đƣợc điều khiển bằng điện tử Tức là các cuộn dây của stator sẽ đƣợc cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất Để động cơ làm vi c,... là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng đƣợc sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản Nhƣ vậy, về mặt cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm có 3 phần chính đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xác định vị trí rotor, bộ mã hoá so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor của động cơ Stator: Khác với động cơ một chiều. .. cho động cơ truyền động Vi c điều khiển dòng năng lƣợng bằng các chuyển mạch điện tử trên cơ sở tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và tín hiệu phản hồi vị trí rô to động cơ MCKTC - Động cơ MCKCT: Đối tƣợng điều khiển trong hệ truyền động Các trạng thái tốc độ, dòng điện và vị trí rô to đƣợc xác định từ các cảm biến và các tín hiệu này sẽ tham ra vào quá trình điều khiển hệ thống 2.2 Xác định bộ điều. .. Nhƣ vậy luật điều khiển của bộ điều khiển tốc độ đƣợc thực hiện theo (2.16) 2.2.2 Bài toán 2 (lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển) : Có nhiều phƣơng pháp để thực hiện luật điều khiển (2.12) và (2.16) nhƣ sử dụng mạch tƣơng tự hoặc sử dụng mạch số Trong mạch số có thể dùng vi xử lý hoặc máy tính để thực hiện luật điều khiển Trong luận văn sử dụng vi xử lý để thực hiện luật điều khiển ở trên 2.3... động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu Điểm khác biệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài phƣơng tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử nhƣ biểu diễn trên hình 1.2 Từ hình 1.2 ta thấy rằng động cơ một chiều không chổi than. .. để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống nhƣ vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thƣờng 1.3 Kết luận Chƣơng 1 trình bày tổng quan về động cơ một chiều không chổi than gồm cấu trúc, một số khái niệm về các thông số điện của động cơ, các yêu cầu cần thiết khi lựa chọn động cơ và ƣu nhƣợc điểm của ĐCMCKCT so với một số loại động cơ Số hóa bởi Trung tâm . toán điều khiển ứng dụng vi xử lý trong điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều không chổi than. 3. Kết quả dự kiến: - Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than. . 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 và Tự động hoá Mã số : 60520216. điện trong quá trình làm vi c. Để (Ví dụ . Chính vì lý do trên mà vi c nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than đã và đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng