Điều khiển động cơ DC không chổi quét bằng phương pháp FOC

Các mô hình, điều khiển và mô phỏng của động cơ BLDC đã được thực hiện bằng cách sử dụng MATLAB / SIMULINK.. Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuân theo một giá trị đặt trư

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MÃO

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 3 6

Trang 2

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MÃO

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT

BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC

Trang 3

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Trần Mão Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10 – 12 - 1988 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế

Quê quán: Vinh Giang, Phú Lộc, Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 111/26, Tây Lân, Tân Tạo, Bình Tân, TP HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 02/2012

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Tên đồ án: Nghiên cứu giao tiếp Ethernet của Vi điều khiển LM3S9B96

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

Người hướng dẫn: Thạc Sỹ Nguyễn Đình Phú

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 05/2012-

09/2015

Công Ty Trách Nhiệm Hữu Hạn

Kỹ Thuật Hữu Toàn Phát

Thiết kế, lắp ráp, chế tạo, bảo trì máy CNC

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 5

CẢM TẠ

Với sự đóng góp, hướng dẫn tận tình của Thầy/Cô và các bạn, với sự cố gắng của bản thân cùng với những kiến thức đã học Tôi thực hiện đề tài đã hoàn thành mục tiêu đề

ra luận văn tốt nghiệp

Tôi chân thành cảm ơn tất cả Thầy/Cô trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức trong suốt quá trình học tập Đặc biệt các Thầy/Cô trong Khoa Điện – Điện Tử,

đã trang bị những kiến thức vô cùng quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn

Trên hết, tôi chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Dương Hoài Nghĩa, TS Phạm Đình Trực – Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình

trong suốt quá trình làm luận văn Với sự hướng dẫn của hai Thầy, tôi đã học hỏi được những kiến thức mới góp phần nâng cao sự hiểu biết và hoàn thành luận văn đúng với những yêu cầu đặt ra

Tôi cũng chân thành cảm ơn tất cả các bạn trong lớp đã nhiệt tình đóng góp những

ý kiến để luận văn càng hoàn thiện hơn Đây cũng chính là thành công của đề tài góp phần tạo nên một sản phầm hoàn chỉnh

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã tích cực động viên, khuyến khích, tạo mọi điều kiện thuận lợi và trực tiếp hỗ trợ kinh phí để luận văn được hoàn thành

Người thực hiện đề tài

Trang 6

TÓM TẮT

Động cơ không chổi than DC (BLDC) đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp vì hiệu quả cao, mô-men xoắn cao và khối lượng thấp Luận văn sử dụng thuật toán điều khiển PID-FOC, Fuzzy-FOC để kiểm soát tốc độ

và vị trí của động cơ BLDC Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về hiệu suất điều khiển PID thông thường, điều khiển Fuzzy, và điều khiển Fuzzy- PID Đó

là khó khăn để điều chỉnh các thông số và nhận được đặc điểm kiểm soát ổn định bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID thông thường bình thường Khi Fuzzy có khả năng kiểm soát đặc điểm ổn định và nó rất dễ dàng cho việc tính toán Để điều khiển động cơ BLDC, một bộ điều khiển Fuzzy-PID được thiết kế như bộ điều khiển của động cơ BLDC Các kết quả thực nghiệm xác minh rằng một bộ điều khiển Fuzzy-PID có hiệu năng kiểm soát tốt hơn các bộ điều khiển PID thông thường Các mô hình, điều khiển và mô phỏng của động cơ BLDC đã được thực hiện bằng cách sử dụng MATLAB / SIMULINK

as the controller of the BLDC motor The experimental results verify that a Fuzzy PID controller has better control performance than the conventional PID controller The modeling, control and simulation of the BLDC motor have been done using the software package MATLAB/SIMULINK

Trang 7

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 4

1.3 Mục đích của đề tài 4

1.4 Nhiệm vụ của đề tài 5

1.5 Giới hạn của đề tài 5

1.6 Phương pháp nghiên cứu 6

1.7 Hướng nghiên cứu 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Hệ thống Servo 7

2.1.1 Giới thiệu 7

2.1.2 Hệ thống điều khiển 8

2.1.3 Cấu hình hệ thống servo 8

2.1.4 Phân loại 10

2.2 Động cơ BLDC 10

2.2.1 Giới thiệu chung 10

2.2.2 Cấu tạo động cơ BLDC 12

2.2.3 Sức điện động cảm ứng 15

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC 17

2.3 Phương trình động hệ quy chiếu 20

2.3.1 Phương trình động trong hệ quy chiếu 3 phase cố định 20

2.3.2 Vector không gian 22

2.3.3 Phương trình động trong hệ quy chiếu quay d-q 25

2.3.4 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay 26

2.3.5 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q 26 2.4 Điều khiển động cơ BLDC 27

2.5 Phương pháp Field Oriend Control (FOC) 28

Trang 8

MỤC LỤC

2.5.1 Cơ sở lý thuyết 28

2.5.2 Sơ đồ khối 31

2.5.3 Phương trình sử dụng trong việc điều khiển 31

2.6 Thuật toán điều khiển động cơ BLDC 33

2.6.1 Thuật toán điều khiển PID 33

2.6.2 Thuật toán điều khiển Fuzzy logic 38

2.6.3 Điều khiển PID mờ 45

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC46 3.1 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID 46

3.1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC 47

3.1.2 Bộ biến đổi dùng FET 48

3.1.3 Kỹ thuật điều chế SVM 49

3.1.4 Các khâu trong sơ đồ hệ thống 51

3.1.5 Kết quả mô phỏng 52

3.2 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID 54

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC 54

3.3 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán Fuzzy logic 57

3.3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí 57

3.3.2 Các bước thực hiện mô phỏng 58

3.4 Đánh giá kết quả 62

3.4.1 Điều khiển tốc độ 62

3.4.2 Điều khiển vị trí 62

3.4.3 So sánh FOC_PID và FOC_FUZZY 63

3.5 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán FUZZY- PID 64

3.5.1 Sơ đồ hệ thống 64

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

Trang 9

MỤC LỤC

4.1 KẾT LUẬN 67 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

Trang 10

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quá trình được điều khiển trực tiếp [1] 1

Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng lặp hở (Không có thông tin phản hồi) [1] 1

Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng thông tin phản hồi [1] 1

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát máy điện quay 3

Hình 2.1 Các thành phần hình thành nên cơ cấu servo [2] 7

Hình 2.2 Sử dụng vòng lặp hở [3] 8

Hình 2.3 Sử dụng vòng lặp kín [3] 8

Hình 2.4 Sơ đồ khối với hai vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ [3] 9

Hình 2.5 Hai loại cơ cấu thực thi và hồi tiếp phổ biến [3] 9

Hình 2.6 Phân loại động cơ Servo 10

Hình 2.7 Hình dáng ngoài động cơ BLDC 10

Hình 2.8 Cấu trúc chính của động cơ BLDC [4] 12

Hình 2.9 Rotor có nam châm gắn trên bề mặt [5] 13

Hình 2.10 Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi [5] 14

Hình 2.11 Các phân bố cuộn dây trên Stator [5] 15

Hình 2.12 Minh họa kết cấu động cơ BLDC 15

Hình 2.13 Sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây pha 17

Hình 2.14 Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện [6] 18

Hình 2.15 Cách bố trí cảm biến Hall trên động cơ BLDC [7] 19

Hình 2.16 Tín hiệu cảm biến hall sensor [8] 20

Hình 2.17 Vector không gian dòng stator [9] 23

Hình 2.18 Vector không gian dòng stator và các thành phần của nó trong hệ quy chiếu tĩnh [9] 23

Hình 2.19 Vector không gian dòng stator và các thành phần trong hệ quy chiếu quay d-q [9] 24

Hình 2.20 Biến đổi từ miền 3 phase sang hệ quy chiếu quay [10] 25

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý mạch lực [8] 27

Trang 11

Hình 2.22 Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC 28

Hình 2.23 Đặc tính mô men và tốc độ của động cơ [5] 28

Hình 2.24 Vector không gian dòng có hướng vuông góc [11] 29

Hình 2.25 Field Oriented control for Brushless Motor [11] 30

Hình 2.26 Sơ đồ khối của phương pháp FOC [12] 31

Hình 2.27 Biến đổi Park [12] 33

Hình 2.28 Sơ đồ biến đổi từ 3D sang 2D [12] 33

Hình 2.29 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID [14] 33

Hình 2.30 Đồ thị theo thời gian của ba giá trị Kp ( KI và Kd là hằng số) 35

Hình 2.31 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd là không đổi) 36

Hình 2.32 Giản đồ xác định các miền của tập mờ 38

Hình 2.33 Sơ đồ khối hệ thống xử lý mờ 39

Hình 2.34 Sơ đồ khối PID mờ 45

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID 47

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ trên Matlab/simulink 47

Hình 3.3 Sơ đồ xuất kích áp pha 48

Hình 3.4 Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha 49

Hình 3.5 Các vector điện áp và các sector 51

Hình 3.6 Sơ đồ khối điều khiển PI tốc độ động cơ BLDC 51

Hình 3.7 Sơ đồ khối ma trận chuyển đổi Clark và Park 52

Hình 3.8 Giản đồ dòng điện 3 phase, Torque, tốc độ ở tốc độ đặt là 5v/s 52

Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID 54 Hình 3.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí bằng thuật toán PID trên Matlab/simulink 55 Hình 3.13 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 5 vòng 55

Hình 3.14 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 10 vòng 56

Trang 12

Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí bằng thuật toán Fuzzy logic 57

Hình 3.17 Sơ đồ bộ điều khiển vị trí bằng thuật toán Fuzzy trên Matlab/simulink 58

Hình 3.18 Sơ đồ khối bộ Fuzzy Logic 58

Hình 3.22 Giản đồ sai số vị trí 63

Hình 3.23 Giá trị sai số vị trí sau thời gian xác lập 63

Hình 3.25 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí bằng Fuzzy-PID 64

Hình 3.24 Sơ đồ hệ thống dùng thuật toán FUZZY-PID trên matlab/simulink 64

Trang 13

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng điều chỉnh độc lập các thông số PID 38 Bảng 3.2 Bảng thông số động cơ dùng để mô phỏng 46 Bảng 3.3 Kết hợp on-off của các transistor 50

Trang 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Lý thuyết về điều khiển tự động phát triển từ rất lâu, nó là một nhánh liên ngành của kỹ thuật và toán học, liên quan đến hành vi của các hệ thống động lực Đầu ra mong muốn của hệ thống được gọi là giá trị đặt trước Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuân theo một giá trị đặt trước theo thời gian, một bộ điều khiển điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốn trên đầu ra hệ thống

Một hệ thống điều khiển là một kết nối, bao gồm các thành phần tạo ra một cấu hình hệ thống, cấu hình này sẽ cung cấp đáp ứng cho hệ thống Sau đây chúng

ta xét các phương pháp để đáp ứng ngõ ra

Hình 1.1 Quá trình được điều khiển trực tiếp [1]

Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng lặp hở (Không có thông tin phản hồi) [1]

Một hệ thống điều khiển vòng hở sử dụng một thiết bị chấp hành để điều khiển trực tiếp quá trình mà không cần sử dụng thông tin phản hồi

Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng thông tin phản hồi [1]

Trang 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trái ngược với một hệ thống điều khiển vòng hở, hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng thêm bộ phận đo lường của ngõ ra thực tế để so sánh với đáp ứng ngõ ra mong muốn Các phép đo ngõ ra được gọi là tín hiệu phản hồi Quá trình đầu vào ví dụ như điện áp, theo hiệu ứng của chu trình đầu ra ví dụ như tốc độ hoặc moment của động cơ, được đo với bộ đo và được xử lý bởi bộ điều khiển, kết quả được sử dụng làm đầu vào cho chu trình xử lý, đóng kín vòng lặp

Các bộ điều khiển vòng kín có các ưu điểm so với các bộ điều khiển vòng hở là:

- Loại trừ nhiễu (ma sát không đo được ở động cơ)

- Đảm bảo được thực hiện ngay với cả mô hình không chắc chắn, khi cấu trúc mô hình không phù hợp hoàn hảo với quá trình thực và các thông số

mô hình không chính xác

- Giảm chu trình không ổn định có thể ổn định hóa

- Giảm độ nhạy cho các thông số biến đổi

- Kết quả theo dõi đặt trước được cải thiện

Trong một vài hệ thống, điều khiển vòng kín và điều khiển vòng hở được sử dụng đồng thời Trong những hệ thống như vậy, điều khiển vòng hở được nằm trong vòng kín nhằm nâng cao kết quả theo dõi giá trị đặt trước

Trong những năm gần đây, điều khiển máy điện có bước phát triển nhảy vọt Đó là kết quả của việc tăng công suất và các tính năng của linh kiện điện tử công suất và việc phát triển, hoàn thiện các cơ cấu điều khiển số có lập trình của các bộ vi xử lý, vi điều khiển

Nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp nói trên mà việc

áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển khiển các loại máy điện ngày càng trở nên đơn giản và dễ dàng hơn

Máy điện là một khái niệm để chỉ các loại máy dùng điện là nguồn hay tạo ra năng lượng điện, hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi năng lượng, cơ năng thành điện năng và ngược lại Bên cạnh đó, máy điện còn có nhiệm vụ

Trang 16

Máy điện được chia ra làm các loại như sau

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát máy điện quay

Loại máy điện được đề cập trong luận văn này là Động cơ DC không chổi

quét (Brushless Direct Current motor (BLDC)), thuộc nhóm động cơ đồng bộ

Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ như các ỗ đĩa quang, quạt làm mát máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng…Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được thiết kế rất đơn giản và có độ tin cậy cao Cùng với sự phát triển của công nghệ chuyển mạch bán dẫn và kỹ thuật thiết kế các bộ biến đổi công suất lớn, những

ưu điểm của hệ truyền động sử dụng động cơ BLDC càng được thể hiện rõ rệt hơn

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	4,65 MB