Xây dựng thuật toán và ứng dụng phần mềm matlab simulink điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN BÁ HÂN XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hoá Mã số : 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -i- LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Bá Hân Sinh ngày: 03 tháng 02 năm 1980 Học viên lớp cao học K14 – Tự động hoá – Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên – đại học Thái Nguyên Hiện công tác Công ty TNHH thành viên 43 – Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng dựa hướng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực Nếu có sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Bá Hân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - ii - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐCMC Động 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 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -3MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1 Tổng quan động điện MCKCT 1.1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc động điện MCKCT 1.1.2 Mơ hình tốn học phương trình đặc tính ĐCMCKCT 1.2 Hệ truyền độngđộng điện chiều không chổi than 16 1.2.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động cực tính) 16 1.2.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) 18 1.3 Kết luận 19 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 20 2.1 Cấu trúc hệ truyền động động MCKCT 20 2.2 Xác định điều khiển: Ở ta phải thực hai toán: 21 2.2.1 Bài toán (Xác định luật điều khiển): thực dựa việc tổng hợp hệ thống truyền động 21 2.2.2 Bài toán (Lựa chọn thiết bị thực luật điều khiển): 27 2.3 Card ghép nối: 28 Thư viện ArduinoIO: 30 2.4 Bộ biến đổi lượng 31 2.4.1 Giới thiệu IC MC33035 32 2.4.2 Thiết kế mạch tạo xung điều khiển 36 2.5 Mạch đo tín hiệu phản hồi 39 2.5.1 Đo tín hiệu dòng điện 39 2.5.2 Mạch đo tín hiệu tốc độ 40 2.6 Kết luận 41 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 43 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 43 3.1.1 Động MCKCT 43 3.1.2 Thiết bị biến đổi lượng 44 3.1.3 Tạo tín hiệu điều khiển 45 3.1.4 Thiết bị hiển thị 46 3.1.5 Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue 46 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -43.1.6 Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A 47 3.1.7 Thiết bị lấy tốc độ 47 3.1.8 Mơ hình thực nghiệm hệ thống 48 3.2 Thực nghiệm 49 Tham số điều khiển mạch vòng dòng điện mạch vòng tốc độ theo (2.12) (2.16) 49 3.3 Kết luận chương 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 Kết luận 56 Kiến nghị 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -5DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo ĐCMCKCT Hình 1.2 Sơ đồ khối ĐCMCKCT Hình 3- Stator ĐCMCKCT Hình Các dạng sức điện động ĐCMCKCT Hình 1.5 - Rotor ĐCMCKCT Hình Các dạng Rotor động chiều khơng chổi than Hình 7- Mơ hình mạch điện ĐCMCKCT Hình 8- Mơ hình thu gọn ĐCMCKCT 11 Hình 9- Sơ đồ khối ĐCMCKCT 13 Hình 10 - Sơ đồ pha tương đương ĐCMCKCT 14 Hình 11 - Đặc tính làm việc đặc tính ĐCMCKCT 16 Hình 12 - Minh hoạ nguyên lý làm việc ĐCMCKCT truyền động cực 17 Hình 13-Thứ tự chuyển mạch chiều quay từ trường stator 17 Hình 14- Chuyển mạch hai cực tính ĐCMCKCT 18 Hình Sơ đồ hệ truyền động động MCKCTsử dụng SIMULINK 20 Hình 2 - Sơ đồ cấu trúc pha ĐCMCKCT 21 Hình 3- Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 25 Hình 2.4-Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 26 Hình 5- Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 29 Hình 6- Các khối chức thư viện ArduinoIO 30 Hình 7- Sơ đồ cấu trúc BBĐ động sử dụng MC33035 34 Hình 8- Mạch tạo xung điều dùng MC33035 36 Hình 9- Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 37 Hình 10- Sơ đồ nguyên lý BBĐ ĐCMCKCT 39 Hình 11- Sơ đồ khối ACS712 39 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -6Hình 12- Sơ đồ mạch đo dòng điện 40 Hình 13- Đặc tính vào ACS712 40 Hình 14- Tín hiệu xung từ cảm biến Hall 41 Hình 15- Mạch đo tốc độ động 41 Hình 1- Động thực nghiệm 43 Hình Bộ biến đổi lượng cấp cho động MCKCT 44 Hình 3- Máy tính có cài đặt Matlab Simulink 45 Hình 4- Cấu trúc hai mạch vòng Matlab Simulink 46 Hình 5- Card ghép nối ArduinoDue 47 Hình 6- Khâu lấy tín hiệu dòng điện 47 Hình 7- Khâu lấy tín hiệu tốc độ 48 Hình 8- Mơ hình thực nghiệm hệ thống 48 Hình - Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng bước nhảy 49 Hình 10 Đáp ứng dòng điện động với tín hiệu đặt dạng bước nhảy 50 Hình 11- Cấu trúc hệ với tín hiều đặt biến thiên theo hàm sin 50 Hình 12- Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng hàm sin 52 Hình 13- Đáp ứng dòng điện động với tín hiệu đặt dạng hàm sin 53 Hình 14- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 53 Hình 15- Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng bậc thang 54 Hình 16- Đáp ứng dòng điện động với tín hiệu đặt dạng bậc thang 55 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -7- MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Tuy nhiên, điể ệ : ; - Sinh tia lửa điện trình làm việc Để (Ví dụ Chính lý mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng Một điều quan trọng hệ truyền động động chiều không chổi than việc cấp dòng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí từ trường roto Như xác vị trí roto việc xây dựng thuật tốn điều khiển dòng cấp cho cuộn dây Stato nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab - Simulink để thực thuật toán điều khiển cần thiết hướng nghiên luận án Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -8- - Thực thuật tốn điều khiển máy tính thơng qua phần mềm Matlab - Simulink Kết dự kiến: - Xây dựng mơ hình tốn học động chiều không chổi than - Xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển động chiều khơng chổi than - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than Phương pháp phương pháp luận: - Phương pháp luận: + Nghiên cứu lý thuyết động chiều khơng chổi than, phân tích lựa chọn, xây dựng cấu trúc thuật toán luật điều khiển - Phương pháp nghiên cứu: + Phân tích tổng hợp hệ mơ hình tốn, mơ phỏng, kiểm chứng + Xây dựng mơ hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết Cấu trúc luận văn Luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan động điện chiều không chổi than Chương 2: Thiết kế hệ truyền động động chiều không chổi than Chương 3: Thực nghiệm Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -1- CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1 Tổng quan động điện MCKCT 1.1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc động điện MCKCT Động chiều (ĐCMC) thơng thường có hiệu suất cao đặc tính chúng thích hợp với truyền động servo Tuy nhiên, hạn chế cấu tạo chúng cần có cổ góp chổi than, thứ dễ bị mòn yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên Để khắc phục nhược điểm người ta chế tạo loại động không cần bảo dưỡng cách thay chức cổ góp chổi than chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor) Những động biết đến động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu hay gọi động chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor) Do cổ góp chổi than nên động khắc phục hầu hết nhược điểm động chiều có vành góp thơng thường So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thơng thường: Mặc dù người ta nói đặc tính tĩnh ĐCMCKCT ĐCMC thơng thường hồn tồn giống nhau, thực tế chúng có khác biệt đáng kể vài khía cạnh Khi so sánh hai loại động mặt công nghệ tại, ta thường đề cập tới khác giống chúng Bảng 1.1 so sánh ưu nhược điểm hai loại động Khi nói chức động điện, khơng quên ý nghĩa dây quấn đổi chiều Đổi chiều q trình biến đổi dòng điện chiều đầu vào thành dòng xoay chiều phân bố cách xác dòng điện tới dây quấn phần ứng động Ở động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 44 - 3.1.2 Thiết bị biến đổi lượng Nguồn điện chiều chỉnh lưu không điều khiển từ máy biến áp pha lọc Bộ biến đổi lượng cấp cho động hình 3.2 có thơng số sau: Điện áp: 48V Cơng suất: 500W Bảo vệ thấp áp: 42V ± 1V Điện áp điều khiển: 1V → 4.2V Dòng điện max: 28A ± 1A Góc pha: 120 o Hình Bộ biến đổi lượng cấp cho động MCKCT Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 45 - 3.1.3 Tạo tín hiệu điều khiển - Trong phạm vi đề tài, ta sử dụng Matlab Simulink để điều khiển hệ truyền động sử dụng động MCKCT Hình 3- Máy tính có cài đặt Matlab Simulink - Cấu trúc mạch vòng tốc độ mạch vòng dòng điện điều khiển hệ truyền động sử dụng động MCKCT Matlab Simulink Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 46 - Rw RI Hình 4- Cấu trúc hai mạch vòng Matlab Simulink 3.1.4 Thiết bị hiển thị Thiết bị hiển thị thiết bị cho ta quan sát trạng thái, đặc tính hệ thống Để làm việc đó, có nhiều cơng cụ thực được, ví dụ phần mềm Control-desk kèm card điều khiển DSP1104 Tuy nhiên để sử dụng Control-desk ta bắt buộc phải có DSP1104 Như ta sử dụng Matlab-Simulink để thực điều khiển Thông qua card ghép nối Arduino máy tính nhận tín hiệu trạng thái tốc độ dòng điện thực hệ Do đó, ta sử dụng cơng cụ hiển thị Simulink để vẽ đặc tính thể trạng thái động hệ thống 3.1.5 Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue Card ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi hình 3.5 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 47 - Hình 5- Card ghép nối ArduinoDue 3.1.6 Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A Khâu lấy tín hiệu phản hồi dòng điện hình 3.6 Hình 6- Khâu lấy tín hiệu dòng điện 3.1.7 Thiết bị lấy tốc độ Từ đầu cảm biến Hall, ta dùng mạch hình 3.7 để đo tín hiệu tốc độ hệ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 48 - Hình 7- Khâu lấy tín hiệu tốc độ 3.1.8 Mơ hình thực nghiệm hệ thống Hình 8- Mơ hình thực nghiệm hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 49 - 3.2 Thực nghiệm Tham số điều khiển mạch vòng dòng điện mạch vòng tốc độ theo (2.12) (2.16) 3.2.2.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào bước nhảy - Các tham số hệ thống: Tốc độ đặt 2800v/ph - Đáp ứng tốc độ động cơ: Hình - Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng bước nhảy Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 50 - - Đáp ứng dòng điện động cơ: Hình 10 Đáp ứng dòng điện động với tín hiệu đặt dạng bước nhảy 3.2.2.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào biến thiên theo hàm sin - Cấu trúc hệ điều tốc động MCKCT với đầu vào biến thiên theo hàm sin: 1.03 Setup Ardui no1 com7 Real -T i me Pacer Speedup = Ardui no IO Setup T op Li mi t Real -T i me Pacer 0.97 Bottom Li mi t SP_Speed ~= SP_Speed_Si ne Enabl e Speed CT _Speed Current Speed Speed Enabl e RPI(s) w R PI(s) I Current Saturati on Speed Control l er Current Control l er Card & BLDC Hình 11- Cấu trúc hệ với tín hiều đặt biến thiên theo hàm sin Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 51 - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 52 - - Các tham số hệ thống: Tín hiệu tốc độ đặt: 2300+500sin(2πt/30) - Đáp ứng tốc độ động cơ: Hình 12- Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng hàm sin - Đáp ứng dòng điện động cơ: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 53 - Hình 13- Đáp ứng dòng điện động với tín hiệu đặt dạng hàm sin 3.2.2.3 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào dạng bậc thang - Cấu trúc hệ điều tốc động MCKCT với đầu vào dạng bậc thang: 1.03 Setup Ardui no1 com7 Real -T i me Pacer Speedup = Ardui no IO Setup T op Li mi t Real -T i me Pacer 0.97 Bottom Li mi t SP_Speed ~= SP_Speed_P Enabl e Speed Speed Speed Enabl e R PI(s) w R PI(s) I CT _Speed Current Current Saturati on Speed Control l er Current Control l er Card & BLDC Hình 14- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang - Các tham số hệ thống: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Tín hiệu tốc độ đặt 2800v/ph, 1500v/ph, 2000v/ph - Đáp ứng tốc độ động cơ: Hình 15- Đáp ứng tốc độ động với tín hiệu đặt dạng bậc thang - Đáp ứng dòng điện động cơ: Hình 16- Đáp ứng dòng điện động với tín hiệu đặt dạng bậc thang 3.2.2.4 Đánh giá kết thực nghiệm Từ kết thực nghiệm trên, thấy số đặc điểm sau: - Bộ điều khiển Simulink thực điều khiển hệ truyền động động MCKCT - Đáp ứng hệ thống ln bám theo tín hiệu đặt cho dù tín hiệu đặt dạng khác - Thời gian xác lập nhanh, lượng điều chỉnh nhỏ 3.3 Kết luận chương Chương trình bày thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ truyền động sử dụng động MCKCT với điều khiển thực môi trường Matlab-Simulink Thực thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động MCKCT với giá trị điều khiển tính toán Simulink kết đạt với lý thuyết phân tích KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn giải đựợc vấn đề sau: - Nghiên cứu tổng quan động MCKCT - Tổng hợp điều khiển mạch vòng hệ truyền động động MCKCT - Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink để thực thuật toán điều khiển hệ truyền động động MCKCT - Xây dựng thực nghiệm hệ truyền động động MCKCT với điều chỉnh thực môi trường Simulink kết thực nghiệm đáp ứng yêu cầu đề Kiến nghị Nghiên cứu áp dụng thuật điều khiển đại như: điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu, điều khiển mờ vào điều khiển hệ truyền động động chiều không chổi than TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi (1999), Điều chỉnh tự động truyền động điện, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động không đồng xoay chiều ba pha, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh 48531EMS – Chapter 12 Brushless DC motors Bhim Singh – B P Singh – (Ms) K Jain (2002), Implementation of DSP based Digital Speed for Permanent Magnet Brushless dc Motor, Department of Electrical Engineering, IIT, New Delhi Bimal K Bose (1996), Power Electronics and Variable Frequency Drives, University of Tennessee, Knoxville, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., NewYork Devendra Rai, Brushless dc Motor – Simulink simulator, Department of Electronics and Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka, India DSP-based Electric Drives Laboratory, Getting Started with dSPACE, University of Minnesota Jianwen Shao (2003), Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives, Virginia Tech University Texas Instruments (1997), DSP Solutions for BLDC Motors, Literature Number: BPRA055 Arduino, http://arduino.cc ... nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng Một điều quan trọng hệ truyền động động chiều không chổi than việc cấp... Thực thuật tốn điều khiển máy tính thơng qua phần mềm Matlab - Simulink Kết dự kiến: - Xây dựng mơ hình tốn học động chiều không chổi than - Xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển động chiều. .. Simulink để thực thuật toán điều khiển cần thiết hướng nghiên luận án Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than Số hóa Trung