Nghiên cứu, ứng dụng động cơ BLDC để thiết kế hệ dẫn động servo

Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc MC LC TRANG PH BèA LI CAM OAN .5 DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT .6 DANH MC CC BNG DANH MC HèNH V, TH M U 10 CHNG 12 TNG QUAN V NG C V NG C BLDC 12 1.1 Gii thiu cỏc loi ng c: .12 1.1.1 ng c bc: .12 1.1.2 ng c mt chiu (DC) 12 1.2 So sỏnh ng c BLDC v ng c mt chiu cú chi than .13 1.3 Tng quan v ng c in mt chiu khụng chi than (BLDC Brushless Direct Current) 14 1.3.1 Gii thiu tng quan v ng c in mt chiu khụng chi than 14 1.3.2 Phõn loi 16 1.3.3 Cu to ng c BLDC .17 1.3.3.1 Stator: 17 1.3.3.2 Rotor: 19 1.3.3.3 Cm bin Hall: .20 1.4 Phng phỏp cp xung iu khin cho ng c BLDC: 22 1.5 Truyn ng cho ng c BLDC: 24 1.5.1 Chuyn mch mt cc tớnh: 24 1.5.2 Chuyn mch hai cc tớnh: 25 HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 Lun thc s khoa hc 1.5.3 GVHD: TS Bựi Quý Lc Quỏ trỡnh chuyn mch theo tớn hiu cm bin Hall: .26 1.6 Cỏc phng phỏp iu khin tc ng c in mt chiu 28 1.7 Phng phỏp iu ch rng xung: .29 CHNG :THIT K MCH IU KHIN 33 2.1 S cu trỳc iu khin ca h thng: 33 2.2 Mch nguyờn lý cỏc khi: 35 2.2.1 Cu Mosfet: 35 2.2.2 Mch lỏi iu khin Mosfet: .37 2.2.3 Khi ngun: .41 2.2.4 Khi nhn tớn hiu t Hall sensor: .41 2.2.5 Khi nhn tớn hiu t Encoder: 42 2.2.6 Khi vi iu khin: 43 2.2.7 Khi giao tip mỏy tớnh: .45 2.2.8 Khi hin th LCD: .46 2.2.9 Khi cỏch ly: 47 CHNG : PHN MM IU KHIN H THNG .48 3.1 Phng phỏp xỏc nh v trớ tng i ca Rotor v cm bin Hall .48 3.2 Xỏc nh bng th t cp xung cho ng c: 53 3.3 Phng phỏp nhn giỏ tr Encoder 54 3.4 Thut toỏn iu xung: 58 3.5 Thut toỏn iu khin ng c: .60 3.5.1 S thut toỏn: .60 3.5.2 Cỏc thut toỏn iu khin ng c: 63 3.5.2.1 iu khin ON-OFF: 63 3.5.2.2 iu khin PID: 63 3.5.2.3 Hai phng phỏp xỏc nh tham s PID ca Ziegler - Nichols 71 3.5.2.3.1 Phng phỏp Ziegler - Nichols th nht 71 HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc 3.5.2.3.2 Phng phỏp Ziegler - Nichols th hai 73 3.5.2.4 Gii thut PID: 74 3.6 Quỏ trỡnh xỏc nh b tham s PID bng thc nghim: 76 3.7 Lp trỡnh iu khin h thng: 77 CHNG : KT QU THC NGHIM 78 4.1 Hỡnh nh ng c: 78 4.2 Mụ hỡnh thc nghim: 80 4.3 Kt qu thc nghim ca ti: 81 4.3.1 Mch iu khin: .81 4.3.2 Giao din ca chng trỡnh iu khin t PC: 83 4.3.3 Kt qu chy ng c: 83 4.3.4 Nhng gp phi quỏ trỡnh thc hin ti 86 KT LUN .88 TI LIU THAM KHO 89 PH LC 90 CODE LP TRèNH CHO VI IU KHIN .90 CODE LP TRèNH CHO GIAO DIN IU KHIN: 103 HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc LI CAM OAN Tụi xin cam oan bn lun ti: Nghiờn cu, ng dng ng c BLDC thit k h dn ng servo tụi t thc hin di s hng dn ca thy giỏo TS Bựi Quý Lc Cỏc s liu v kt qu hon ton trung thc Ngoi cỏc ti liu tham kho ó dn cui sỏch tụi m bo rng khụng chộp cỏc cụng trỡnh ca ngi khỏc Nu phỏt hin cú s sai phm vi iu cam oan trờn, tụi xin hon ton chu trỏch nhim Hc viờn thc hin Trnh Minh Sn HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT ng c DC ng c in mt chiu ng c BLDC ng c mt chiu khụng chi than VK Vi iu khin PID B iu khin t l, tớch phõn, vi phõn PWM Pulse Width Modulation - iu ch rng xung ADC Analog ta Digital Converter - B chuyn i tng t - s MOSFET Metal Oxide Semi - conductor Field Effect Transistor BEMF Back EMF - Sc phn in ng EMF Sc in ng DANH MC CC BNG Bng 1.1: So sỏnh gia ng c mt chiu cú chi than v khụng chi than [10] .14 Bng 1.2: Trng thỏi ca sensor v cỏc tớn hiu iu khin 28 Bng 3.1: Bng s liu thc nghim 51 Bng 3.2: Trng thỏi quy c ca cm bin Hall: .52 Bng 3.3: Th t cp xung ng c quay cựng chiu kim ng h .54 Bng 3.4: Th t cp xung ng c quay ngc chiu kim ng h 54 HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc DANH MC HèNH V, TH Hỡnh 1.1- Cu to ca ng c mt chiu khụng chi than 17 Hỡnh 1.2: Stator ng c BLDC 18 Hỡnh 1.3: Sc in ng cm ng phn hi hỡnh thang .19 Hỡnh 1.4: Sc in ng cm ng phn hi hỡnh sin 19 Hỡnh 1.5: Cỏc cỏch b trớ nam chõm Rotor 20 Hỡnh 1.7: S nguyờn lý hot ng ca ng c BLDC 22 Hỡnh 1.8: Th t chuyn mch 23 Hỡnh 1.9: S chuyn mch mt cc tớnh ca ng c BLDC 25 Hỡnh 1.10 Chuyn mch hai cc tớnh ca ng c BLDC 25 Hỡnh 1.11: Mch cu ba pha .27 Hỡnh 1.12: Dng xung v mch in PWM .29 Hỡnh1.13- S iu khin ng c theo rng xung PWM 31 Hỡnh 1.14 - S thay i in ỏp thay i rng xung in ỏp cp .32 Hỡnh 2.1: S cu trỳc h thng .34 Hỡnh 2.2: Mch nguyờn lý cu MOSFET 35 Hỡnh 2.3: S mụ t hot ng ca cỏc MOSFET 36 Hỡnh 2.4: Mosfet v IGBT 36 Hình2.5 Vớ d iu khin mosfet cụng sut .37 Hỡnh 2.6- S IC IR2103 .38 Hỡnh 2.7: Thụng s k thut ca IC IR 2103 .39 Hỡnh 2.8 - S IR2103 39 Hỡnh 2.9 : S mch lỏi iu khin FET 40 Hỡnh 2.10: Mch nguyờn lý ngun 41 Hỡnh 2.11: Mch nguyờn lý nhn tớn hiu cm bin Hall 42 HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc Hỡnh 2.12: Mch nguyờn lý nhn tớn hiu Encoder .43 Hỡnh 2.13: Mch nguyờn lý iu khin .43 Hỡnh 2.14: Mch nguyờn lý giao tip mỏy tớnh 46 Hỡnh 2.14: Mch nguyờn lý Hin th LCD 46 Hỡnh 2.15: Mch nguyờn lý cỏch ly 47 Hỡnh 3.1: S cỏc kờnh ADC 48 Hỡnh 3.2: Mch nguyờn lý xỏc nh giỏ tr cm bin Hall 49 Hỡnh 3.3: S thut toỏn xỏc nh tớn hiu cm bin Hall 50 Hỡnh 3.4: S th t chuyn mch 53 Hỡnh 3.5: S gii thut cỏch c tớn hiu encoder 56 Hỡnh.3.6 s ca iu xung: 58 Hỡnh 3.7 Biu xung ch Phase correct PWM 59 Hỡnh 3.8: S thut toỏn iu khin tc ng c 61 Hỡnh 3.9: S thut toỏn iu khin v trớ ng c 62 Hỡnh 3.10: S h iu khin vũng h .64 Hỡnh 3.11: S h iu khin vũng kớn 64 Hỡnh 3.12: c tớnh quỏ ca h h (a) v h kớn (b) 64 Hỡnh 3.13: S thut toỏn iu khin PID 65 Hỡnh 3.14: Thit lp hm PID 66 Hỡnh 3.15: Nhim v ca b iu khin PID .71 Hỡnh 5.16: Xỏc nh tham s cho mụ hỡnh xp x (12) ca i tng 72 Hỡnh 3.17: Xỏc nh hng s khuch i ti hn 73 Hỡnh 3.18: S gii thut PID 75 Hỡnh 3.19:ỏp ng ca h thng vi Kp=1 76 Hỡnh 3.20:ỏp ng ca h thng vi Kp=1, Ki=Kd=0,01 77 Hỡnh 4.1: Cu to ng c BLDC s dng thc nghim 78 Hỡnh 4.3: V trớ cỏc cm bin Hall ca ng c BLDC .79 HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc Hỡnh 4.4: ng c BLDC c lp ghộp hon chnh 79 Hỡnh 4.5: Mụ hỡnh thc nghim ca ti 80 Hỡnh 4.6 :S mch in lp trờn (Top Layer) 81 Hỡnh 4.7: S mch in lp di (Bottom Layer) 82 Hỡnh 4.8: Hỡnh nh mch iu khin ng c sau hn cỏc linh kin 82 Hỡnh 4.9: Giao din chng trỡnh iu khin t mỏy tớnh 83 Hỡnh 4.10:Kt qu iu khin tc ng c .84 Hỡnh 4.11:Kt qu iu khin v trớ ng c .85 HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc M U Hin nay, t ng hoỏ cỏc nh mỏy cụng nghip Vit Nam ngy cng c u t v phỏt trin vỡ t ng hoỏ lm tng nng sut lao ng, tng cht lng sn phm v lm gim giỏ thnh ch to sn phm ú l chỡa khoỏ cho s thnh cụng; nu khụng t ng hoỏ, chỳng ta s b lc hu v thua cỏc i th cnh tranh khỏc Trong cỏc h thng t ng hoỏ núi chung v cỏc mỏy CNC núi riờng, ng c in úng vai trũ truyn ng cho cỏc b phn v lm cho cỏc b phn chuyn ng theo ý mun ca ngi s dng Trong cỏc h thng t ng, loi ng c mt chiu c s dng ph bin vỡ cỏc u im ca nú ng c in mt chiu cú chi than i t rt sm, cú nhiu ng dng v úng vai trũ quan trng cỏc h thng sn xut t ng vỡ nú cú mụmen ng ln, kớch thc nh gn, kh nng gia tc nhanh Tuy nhiờn nhc im ca loi ng c ny cng khụng ớt nh phỏt sinh tia la in quỏ trỡnh hot ng, mụmen quỏn tớnh ca roto ln; nhiu trng hp khụng c s dng vỡ d gõy nguy him cho ngi s dng v h thng khc phc c cỏc nhc im ny, loi ng c in mt chiu khụng chi than (BLDC Brushless Direct Current) ó i ỏp ng yờu cu thc tin ca sn xut m ng c mt chiu cú chi than khụng ỏp ng c ng c BLDC cú c tớnh c ging ng c mt chiu cú chi than l ng thng, cú mụmen ng ln Tuy nhiờn ng c BLDC thc hin quỏ trỡnh chuyn mch bng cỏc mch in t nờn ng c quay khụng gõy tia la in, vỡ vy cụng vic bo trỡ, bo dng hoc sa cha, thay th loi ng c cng c giỏm i ỏng k Trc õy, trỡnh khoa hc k thut cũn thp, cỏc cụng c thc hin vic nghiờn cu cỏc ng c BLDC gp khú khn nờn vic s dng loi ng c ny cụng nghip hay cỏc h thng t ng cũn cha cao Hin nay, vi s phỏt trin HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 10 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc ca cụng ngh vi x lý, cụng ngh ch to cỏc van in t chu c dũng cao v cú thi gian chuyn mch thp, tin cy cao, vic ng dng ng c BLDC cụng nghip v cỏc mỏy CNC l cú th thc hin c gúp phn vo vic nghiờn cu v ng dng loi ng c ny, tụi ó c giao nhim v nghiờn cu ti Nghiờn cu, ng dng ng c mt chiu khụng chi than (BLDC) vic thit k h dn ng servo Tụi xin chõn thnh cm n s hng dn nhit tỡnh ca thy giỏo TS Bựi Quớ Lc, b mụn Mỏy ma sỏt vin C khớ trng i hc Bỏch Khoa H Ni, cỏc thy cụ giỏo b mụn Mỏy ma sỏt ó giỳp em hon thnh bn lun ny Do thi gian ngn v nng lc bn thõn cũn hn ch nờn kt qu ca em chc chn cũn nhiu thiu sút, em rt mong nhn c s úng gúp ý kin ca thy cụ giỏo H Ni, ngy 20 thỏng 10 nm 2010 Hc viờn thc hin Trnh Minh Sn HVTH: Trnh Minh Sn CHCT 2009 11 Lun thc s khoa hc GVHD: TS Bựi Quý Lc switch(MT_Config){ case 0: /// chya PID Pid_Err = MT_SetV-MT_CurV; Pid_dErr = Pid_Err - Pid_ErrOld; // Pid_dErr = dao ham Pid_Err if(Pid_PwmSet_V){ if(Pid_Pwm>1) Pid_Pwm-=1; }else if(Cur_V9) b-= 7; return a*16+b; } unsigned int GetInt(unsigned char a, unsigned char b,unsigned char c, unsigned d){ return GetByte(a,b)*256 + GetByte(c,d); } #define RXB8 #define TXB8 #define UPE #define OVR #define FE #define UDRE #define RXC #define FRAMING_ERROR (1