Nghiên cứu mạch công suất điều khiển động cơ ba pha không chổi than

LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo môn Điện tự động công nghiệp khoa Điện – Điện tử, đặc biệt thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Tâm Thành bảo, động viên em suốt trình làm đồ án, giúp có vốn tri thức hiểu rõ học trước áp dụng để hoàn thành đồ án Sinh viên thực Đỗ Ngọc Dũng i MỤC LỤC Trang Hình 2.3 Card điều khiển DIP 10 2.3 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN .10 2.2.2 Cấu trúc mạch động lực 12 3.1.1 Giới thiệu biến đổi cho động BLDC 14 3.1.2 Tổng quan IGBT .14 3.1.3 Cấu trúc mạch lực 17 ii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Bảng 3.1 Nội dung Thứ tự chuyển mạch động quay ngược chiều kim Bảng 3.2 đồng hồ Thứ tự chuyển mạch động quay chiều kim Bảng 3.3 đồng hồ Quá trình đảo mạch đóng mở van DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tên hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 HÌnh 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Động BLDC Cấu tạo động BLDC Sơ đồ khối động BLDC Stator động chiều không chổi than Rotor động BLDC Bộ phận đổi chiều điện tử động BLDC Chuyển mạch động BLDC DRV8312-C2-KIT Hình ảnh DRV8312-C2-KIT Động BLDC Sơ đồ khối cho động hệ thống lái tiêu biểu Cấu trúc điều khiển đông BLDC Dạng sống điện hoạt động hai giai đoạn ON Dạng sóng điện hình sin động BLDC Cấu trúc động lực điều khiển động BLDC Cấu tạo van IGBT Sơ đồ thử nghiệm khóa IGBT Đồ thị dẫn dòng van IG Mạch lực động BLDC Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động dòng điện Hình 3.6 pha chế độ quay ngược chiều kim đồng hồ Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động, dòng điện pha 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ Cấu trúc thực nghiệm Cấu trúc phần mềm Khối RC3-MACRO Tín hiệu vào khối RC3-MACRO Khối IMPUSE Tín hiệu khối IMPUSE Khối MOD6CNT MACRO Tín hiệu vào khối MOD6_CNT Khối BLDCPWM DRV Quá trình chuyển mạch Khối RC2_MACRO Tín hiệu khối RC2_MACRO Khối HALL3 DRV Khối DATALOG Chương trình đo PWM Kết oscilloscope (PWM1A – Red; PWM1B – 38 Purple, PWM3A – Green; PWM 3B - Blue) Hình 3.23 Kiểm tra vòng lặp động cảm biến đo lường 21 Nội dung iv 39 40 Hình 3.24 Tín hiệu cảm biến Hall oscilloscope Hình 3.25 Tín hiệu mod6-counter , điện áp pha A, pha B 41 oscilloscope Hình 3.26 Chương trình mô hệ thống chưa có vòng lặp 42 43 điều khiển Hình 3.27 Tín hiệu khối Mod6 – counter, tín hiệu cảm ứng Hall Hình 3.28 Chương trình mô có mạch vòng dòng điều 44 45 46 khiển PI Hình 3.29 Tín hiệu đầu Mod6 – counter, cảm biến Hall, tốc độ Hình 3.30 Chương trình điiều khiển Hình 3.31 Tín hiệu đầu mod6 – counter, điện áp pha A, B,C CCS v LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày với phát triển mạnh mẽ công ngiệp, ngành công ngiệp tự động hóa ngày phát triển để đáp ứng kịp thời nhu cầu sản xuất Trong hệ thống sử dụng động điện chiếm hầu hết đa số hệ thống sử dụng động truyền thống thường thiết kế với phần tử tương đối rẻ tiền Do việc ngày cải tiến công nghệ vấn đề cấp thiết nay, việc cải tiến giúp cho hệ thống hoạt động xác hiệu Động ba pha không chổi than loại động có nhiều ưu điểm nên gần ý nghiên cứu đưa vào sử dụng rộng rãi, hệ thống tự động có yêu cầu cao độ tin cậy điều kiện làm việc đặc biệt: môi trường chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh, dễ cháy nổ Do phận đổi chiều khí sử dụng vành góp, chổi than nên động khắc phục hầu hết nhược điểm động chiều thông thường Vì việc sử dụng động ba pha không chổi than cần thiết, với đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu mạch công suất điều khiển động ba pha không chổi than” sau khoảng thời gian tháng em hoàn thành đồ án Nội dung đồ án gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan động ba pha không chổi than hệ truyền động dùng động ba pha không chổi than Chương 2: DRV8312-C2-KIT cấu trúc điều khiển động BLDC Chương 3: Nghiên cứu mạch công suất cấp nguồn động BLDC Mục đích nghiên cứu Giúp sinh viên tự tìm tòi học hỏi, nắm rõ quy trình hoạt động hệ động ba pha không chổi than vấn đề công suất có liên quan, từ làm tảng nguồn kiến thức dồi cho sinh viên hoạt động công tác chuyên ngành vi Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu cấu trúc mạch công suất điều khiển động ba pha không chổi than b Phạm vi nghiên cứu: Động ba pha không chổi than DRV8312-C2KIT điều khiển động ba pha không chổi than Phương pháp nghiên cứu khoa học - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động động chiều đăc biệt động ba pha không chổi than - Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động ba pha không chổi than - Đi sâu nghiên cứu mạch công suất sử dụng hệ truyền động - Thực nghiệm động (BLDC) Ý nghĩa khoa học thực tiễn Động ba pha không chổi than khắc phục hầu hết nhược điểm động chiều thông thường, đưa vào ứng dụng rộng dãi hệ truyền động công suất nhỏ ổ quang đặc biệt phương tiện di động sử dụng nguồn điện chiều độc lập từ acquy, pin, hay lượng mặt trời vii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG CHỔI THAN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG CHỔI THAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG CHỔI THAN 1.1.1 Giới thiệu động BLDC Hình 1.1 Động BLDC Động điện ba pha không chổi than thuộc nhóm động đồng nam châm vĩnh cửu Động đồng nam châm vĩnh cửu nhóm động xoay chiều đồng (tức rotor quay tốc độ với từ trường quay) có phần cảm nam châm vĩnh cửu Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator động cơmaf nhóm ta chia thành hai loại: - Động sóng hình sin - Động sóng hình thang Động điện ba pha không chổi than động sóng hình thang 1.1.2 Cấu tạo động BLDC Hình 1.2 Cấu tạo động BLDC Cấu tạo động BLDC giống với động xoay chiều đồng kích thích nam châm vĩnh cửu Hình 1.3 Sơ đồ khối động BLDC Dây quấn stator bao gồm hay nhiều nam châm vĩnh cửu kết hợp vài phương tiện để xác định vị trí cực từ nhằm tạo tín hiệu điều khiển chuyển mạch điện tử biểu diễn hình 1.3 Từ hình 1.3 ta thấy động ba pha không chổi than kết hợp động xoay chiều đồng kích thích vĩnh cửu đổi chiều điện tử chuyển mạch theo vị trí rotor Việc xác định vị trí rotor thực thông qua cảm biến vị trí, hầu hết cảm biến vị trí rotor (cực từ) phần tử Hall Như mặt cấu tạo động ba pha không chổi than gồm có phần là: stator, rotor phận đổi chiều a Phần tĩnh (Stator) Khác với động chiều thông thường, stator động BLDC chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng hai pha, ba pha hay nhiều pha thường dây quấn ba pha (hình 1.4) Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, nối theo hình Y hình tam giác Hình 1.4 Stator động chiều không chổi than Stator động BLDC cấu tạo từ thép kỹ thuật điện với cuộn dây đặt khe cắt xung quanh chu vi phía stator Theo truyền thống stator động BLDC giống cấu tạo động cảm ứng khác Tuy nhiên, bối dây phân bố theo cách khác Hầu hết tất động ba pha không chổi than có cuộn dây đấu với theo hình hình tam giác Mỗi cuộn dây cấu tạo số lượng bối dây nối liền với Các bối dây đặt khe chúng nối liền để tạo nên cuộn dây Mỗi cuộn dây phân bố chu vi stator theo trình tự thích hợp để tạo nên số chẵn cực Cách bố trí số rãnh stator động khác cho số cực động khác Module thực đoạn đường nối xuống vĩ mô Cờ đầu biến (Ramp3DoneFlag) thiết lập để 0x7fffffff biến đầu (Out) bằng(DesiredInput) biến đầu vào Ramp3DoneFlag = 7FFFh, Out = DesiredInput Ramp3Min Td = Ramp3Delay Ts Ts = Sampling time period(khoảng thời gian Lấy mẫu) Hình 3.10 Tín hiệu khối RC3_MACRO Ví dụ: Ra = 500 (giá trị ban đầu), DesiredInput = 20 (người dùng định), Ramp3Delay = 100 (người dùng định), thời gian lấy mẫu Ts vòng lặp thời gian =0,000025S Điều có nghĩa chậm trễ thời gian cho bước đoạn đường nối Td=100x0.000025=0,0025Sec Do đó: tổng số đoạn đường xuống thời gian Tramp = (500-20) x0.0025 S =1,2 s 24 b Impulse Generator Module: Module phát xung Hình 3.11 khối IMPUSE Period : Chu kì Out : Xung đầu Mô tả: Module thực macro xung địnhkỳ.Các biến đầu raVẫn đặt để 0x00007FFF cho thời gian lấy mẫu.Giai đoạn đầu Out tín hiệu xác định giai đoạn đầu vào Kỹ thuật nền: Hình 3.12 Tín hiệu khối IMPUSE Thực phương trình sau đây: Out = 0x00007FFF, for t = i Tout, i = 0,1,2… Trong đó: Ts = Sampling time period (khoảng thời gian Lấy mẫu) 25 c Modulo Counter Module: Modulo Số lượt truy cập Mô-đun Hình 3.13 Khối MOD6CNT MACRO TrigInput: đầu vào trigger Counter: Bộ đếm Mô tả: Module thực truy cập modulo Nó đếm từ trạng thái đến 5, sau reset lặp lặp lại trình Tình trạng đầu biến Counter thay đổi trạng thái nhận kích hoạt đầu vào thông qua biến đầu vào (TrigInput) Kỹ thuật nền: Hình 3.14 Tín hiệu vào khối MOD6_CNT 26 d Three-phase BLDC PWM Driver: PWM điều khiển ba pha BLDC Hình 3.15 Khối BLDCPWM DRV CmtnPointer (Commutation state pointer input): Sự chuyển mạch trỏ đầu vào DutyFunc (PWM period modulation input): PWM giai đoạn điều chế đầu vào MfuncPeriod (Duty ratio of the PWM outputs): Tỉ số đầu PWM Mô tả: Module tạo tín hiệu chuyển đổi biến tần điện 3-ph dùng để điều khiển động BLDC 3-ph.Các trạng thái chuyển đổi xác định CmtnPointer biến đầu vào.Mô-đun kiểm soát chu kỳ nhiệm vụ PWM cách tính toán giá trị thích hợp cho ghi so sánh.Nhiệm vụ giá trị chu kỳ cho đầu PWM xác định (DutyFunc) đầu vào Kỹ thuật nền: Hình 3.16 Quá trình chuyển mạch Trong giai đoạn có pha có dòng chạy qua 27 Bảng 3.3.Quá trình đảo mạch đóng mở van e Ramp Control Module: Đoạn đường nối module điều khiển Hình 3.17 Khối RC2_MACRO Desired input: Đầu vào mong muốn Out : Tín hiệu đầu Mô tả: Module thực đoạn đường đoạn đường nối xuống vĩ mô.biến đầu phụ thuộc vào giá trị đầu vào mong muốn Kỹ thuật nền: When DesiredInput > Out Out= Out+ 1, for t = n Td, n = 1, 2, 3, … and (Out+ 1) < Ramp2Max 28 Hình 3.18.Tín hiệu khối RC2_MACRO Ví dụ: Out=0(giá trị ban đầu), đầu vào mong muốn =100(người dùng định), Ramp2Delay=50(người dùng định), khoảng thời gian Lấy mẫu Ts=0.000025 Sec Điều có nghĩa chậm trễ thời gian cho bước đoạn đường nối Td=500x0.000025=0.0125 Sec Vì vậy, tổng thời gian đoạn đường nối Tramp=1000x0.0125 Sec=12.5 f Hall effect interface driver for sensored BLDC control:Hiệu ứng Hall giao diện để điều khiển để BLDC Hình 3.19 Khối HALL3 DRV 29 Mô tả: Module tạo kích hoạt chuyển mạch cho 3-pha động BLDC, dựa tín hiệu hall nhận GPIO chân 24, 25, 26.Cạnh phát xác nhận, để loại bỏ cạnh sai thường xảy từ dao động có động cơ.Phần mềm cố gắng tất (6) kênh chuyển mạch để bắt đầu chuyển động động cơ.Khi động bắt đầu chuyển động, đảo xảy cạnh nhận từ tín hiệu hall g Channel Data Logging Utility Modul:4 kênh liệu khai thác tiện ích Mô-đun Hình 3.20 Khối DATALOG iptr1 :con trỏ đầu vào cho lần iptr2 :con trỏ đầu vào cho lần thứ hai iptr3 :con trỏ đầu vào cho lần thứ ba iptr4 :con trỏ đầu vào cho lần thứ tư Mô tả: Module lưu trữ giá trị thời gian bốn người sử dụng phần mềm lựa chọn Q15 biến RAM liệu cung cấp 28xx DSP Bốn biến lựa chọn cách cấu hình bốn đầu vào mô-đun, iptr1, iptr2, iptr3 iptr4, điểm đến địa bốn biến Các địa bắt đầu bốn địa điểm RAM, nơi giá trị liệu lưu trữ, thiết lập để DLOG_4CH_buff1, DLOG_4CH_buff2, DLOG_4CH_buff3, DLOG_4CH_buff4 Kích thước Datalog đệm, kích hoạt giá trị cấu hình 30 3.3.2 Kết thưc nghiệm a Đo tín hiệu PWM Chương trình sơ đồ khối: Hình 3.21 Chương trình đo PWM Kết quả: Hình 3.22 Kết oscilloscope PWMA, PWMB 31 b Đo tín hiệu hall sensor Chương trình đo tín hiệu cảm ứng: Hình 3.23 Kiểm tra vòng lặp động cảm biến đo lường Kết quả: Hình 3.24 Tín hiệu cảm biến Hall oscilloscope 32 Hình 3.25 Tín hiệu mod6-counter , điện áp pha A, pha B oscilloscope c Mô hệ thống chưa có vòng lặp điều khiển Hình 3.26 Chương trình mô hệ thống chưa có vòng lặp điều khiển 33 Kết quả: Trên oscilloscope Trên CCS Hình 3.27 Tín hiệu khối Mod6 – counter, tín hiệu cảm ứng Hall d Mô hệ thống có mạch vòng dòng điều khiển PI Chương trình mô phỏng: Hình 3.28 Chương trình mô có mạch vòng dòng điều khiển PI 34 Kết quả: Hình 3.29 Tín hiệu đầu Mod6 – counter, cảm biến Hall, tốc độ e Mô hệ thông có mạch vòng tốc độ điều khiển PI Chương trình điều khiển: Hình 3.30 Chương trình điều khiển 35 Kết quả: Hình 3.31 Tín hiệu đầu mod6 – counter, điện áp pha A, B,C CCS 36 KẾT LUẬN Sau tháng làm đồ án tốt nghiệp, hướng dẫn tận tình TS Phạm Tâm Thành giúp đỡ thầy cô giáo khoa Điện-Điện Tử bạn lớp đồ án tốt nghiệp em hoàn thành Đồ án đạt thành công sau : a Tìm hiểu nguyên lý hoạt động động chiều đăc biệt động ba pha không chổi than b Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động động ba pha không chổi than c Đi sâu nghiên cứu mạch công suất sử dụng hệ truyền động d Thực nghiệm động (BLDC) Tuy nhiên đồ án em hạn chế : Mô có độ xác không cao Quá trình thực nghiệm bị ảnh hưởng nhiễu Do thời gian kiến thức có hạn nên đồ án em không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận động viên, góp ý thẳng thắn, chân thành thầy cô bạn bè khóa để đồ án em hoàn thiện Một lần em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới thầy cô bạn bè, người bảo, động viên em nhiệt tình suốt năm qua, giúp em có vốn tri thức ngày giúp em có đủ khả để hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! Hải Phòng, ngày 11 tháng 11 năm 2016 Sinh viên Đỗ Ngọc Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 [1] Nguyễn Phùng Quang “ Matlab simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động ”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật - 2006 [2] Nguyễn Bính “ Điện Tử Công Suất”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật -2008 [3].Thân Ngọc Hoàn “ Máy Điện ” , Nhà xuất Giao thông vận tải -1999 [4] Trang web “www.ti.com” 38 [...]... một động cơ hệ thống lái tiêu biểu Hình 2.4 minh họa một hệ thống truyền động động cơ ba pha không chổi than( BLDC) Bảng điều khiển động cơ với DRV8312-C2-KIT điều khiển động cơ bước hoạc 2 động cơ một chiều Mạch chuyển đổi DC-AC có thể được điều khiển bằng một card điều khiển Piccolo hoặc card điều khiển Concerto 9 Hình 2.3 Card điều khiển DIP 2.3 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 2.3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động. .. CƠ BLDC 3.1 CẤU TRÚC MẠCH LỰC CHO ĐỘNG CƠ (BLDC) 3.1.1 Giới thiệu về các bộ biến đổi cho động cơ BLDC Đối với động cơ công suất lớn dùng trong công nghiệp như động cơ mà đề tài đang đề cập đến thì nguồn một chiều cấp cho động cơ BLDC không thể dùng các bộ nguồn điện một chiều có sẵn như acquy vì các bộ nguồn điện một chiều này không đủ năng lượng để cấp điện cho động cơ Vì vậy các động cơ có công suất. .. chổi than của động cơ một chiều thông thường 1.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG CHỔI THAN TRONG THỰC TẾ Động cơ BLDC phù hợp với các yêu cầu cần độ chính xác cao và momen cao, ngoại trừ các nhược điểm về giá cả và độ phức tạp trong điều khiển Nó có thể thỏa mãn các ứng dụng từ dải công suất thấp cỡ vài W đến công suất hàng trăm KW Do đó động cơ BLDC đang trở nên ngày càng phổ biến trong công. .. (trong động cơ điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transistor công suất được điều khiển theo vị trí tương ứng của rotor Hình 1.7 Chuyển mạch của động cơ BLDC Về bản chất, chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lưu độc lập với 6 van chuyển mạch được bố trí trên hình 1.7 Trong đó 6 chuyển mạch là các van công suất, đối với các loại động cơ công suất bé... Nếu động cơ được sử dụng có dạng EMF hình sin: + Thứ nhất, không đổi nhưng tạo thành từ các phần tử của một sóng hình sin (ba giai đoạn ON) sản xuất một hằng số mô men xoắn + Thứ hai, Giá trị mô men xoắn đước sản xuất là yếu Hình 2.7 Dạng sóng điện hình sin động cơ BLDC 2.2.2 Cấu trúc mạch động lực 12 Hình 2.8 Cấu trúc động lực điều khiển động cơ BLDC 13 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MẠCH CÔNG SUẤT CẤP NGUỒN ĐỘNG... cho loại động cơ này Động cơ ba pha BLDC từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ như trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng, động cơ truyền động xe đạp điện 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,... khiển động cơ (BLDC) Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển động cơ (BLDC) Trong đó: Speed refence:tốc độ đặt Speed computation: tính toán tốc độ Synchronization/ PWM control:đồng bộ hóa /điều khiển PWM Zero crossing detection& delay :phát hiện không và trễ PI controller: bộ điều khiển PI PID controller: bộ điều khiển PID Ba phase inverter: biến tần 3 pha 10 Động cơ BLDC đặc trưng với hai giai đoạn ON hoạt động kiểm... động sử dụng động cơ BLDC càng được thể hiện rõ rệt hơn so với động cơ một chiều truyền thống cũng như động cơ không đồng bộ, đặc biệt là trên các phương tiện di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ acquy, pin, hay năng lượng mặt trời 6 CHƯƠNG 2: DRV8312-C2-KIT VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BLDC 2.1 DRV8312-C2-KIT 2.1.1 Giới thiệu về DRV8312-C2-KIT DRV8312-C2-KIT là kit điều khiển động cơ ba pha không. .. càng phổ biến trong công nghiệp Động cơ một chiều thông thường có rất nhiều ưu thế về điều chỉnh tốc độ, nhược điểm lớn nhất trong cấu tạo cần có bộ chuyển mạch dòng điện cơ khí cổ góp và chổi than Do vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của nó đặc biệt là trong các truyền động yêu cầu tốc độ rất lớn, khi đó bộ chuyển mạch cơ khí không thể đáp ứng được Động cơ ba pha không chổi than đã khắc phục được nhược... chiều cho động cơ Ngoài ra đối với động cơ BLDC để cho động cơ quay thì chúng ta phải cấp điện cho các cuộn dây stator của động cơ theo quy luật đã định sẵn Để cấp điện thứ tự cho các cuộn dây thì sau khi chỉnh lưu ra điện áp một chiều chúng ta cho qua bộ nghịch luu nguồn áp để cấp điện cho động cơ 3.1.2 Tổng quan về IGBT Van IGBT được điều khiển bằng điện áp nên yêu cầu cực nhỏ với công suất điều khiển