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

Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN .5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .6 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 12 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ VÀ ĐỘNG CƠ BLDC 12 1.1 Giới thiệu loại động cơ: .12 1.1.1 Động bước: .12 1.1.2 Động chiều (DC) 12 1.2 So sánh động BLDC động chiều có chổi than .13 1.3 Tổng quan động điện chiều không chổi than (BLDC – Brushless Direct Current) 14 1.3.1 Giới thiệu tổng quan động điện chiều không chổi than 14 1.3.2 Phân loại 16 1.3.3 Cấu tạo động BLDC .17 1.3.3.1 Stator: 17 1.3.3.2 Rotor: 19 1.3.3.3 Cảm biến Hall: .20 1.4 Phương pháp cấp xung điều khiển cho động BLDC: 22 1.5 Truyền động cho động BLDC: 24 1.5.1 Chuyển mạch cực tính: 24 1.5.2 Chuyển mạch hai cực tính: 25 HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 1.5.3 GVHD: TS Bùi Quý Lực Quá trình chuyển mạch theo tín hiệu cảm biến Hall: .26 1.6 Các phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều 28 1.7 Phương pháp điều chế độ rộng xung: .29 CHƯƠNG :THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 33 2.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống: 33 2.2 Mạch nguyên lý khối: 35 2.2.1 Cầu Mosfet: 35 2.2.2 Mạch lái điều khiển Mosfet: .37 2.2.3 Khối nguồn: .41 2.2.4 Khối nhận tín hiệu từ Hall sensor: .41 2.2.5 Khối nhận tín hiệu từ Encoder: 42 2.2.6 Khối vi điều khiển: 43 2.2.7 Khối giao tiếp máy tính: .45 2.2.8 Khối hiển thị LCD: .46 2.2.9 Khối cách ly: 47 CHƯƠNG : PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG .48 3.1 Phương pháp xác định vị trí tương đối Rotor cảm biến Hall .48 3.2 Xác định bảng thứ tự cấp xung cho động cơ: 53 3.3 Phương pháp nhận giá trị Encoder 54 3.4 Thuật toán điều xung: 58 3.5 Thuật toán điều khiển động cơ: .60 3.5.1 Sơ đồ thuật toán: .60 3.5.2 Các thuật toán điều khiển động cơ: 63 3.5.2.1 Điều khiển ON-OFF: 63 3.5.2.2 Điều khiển PID: 63 3.5.2.3 Hai phương pháp xác định tham số PID Ziegler - Nichols 71 3.5.2.3.1 Phương pháp Ziegler - Nichols thứ 71 HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực 3.5.2.3.2 Phương pháp Ziegler - Nichols thứ hai 73 3.5.2.4 Giải thuật PID: 74 3.6 Quá trình xác định tham số PID thực nghiệm: 76 3.7 Lập trình điều khiển hệ thống: 77 CHƯƠNG : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 78 4.1 Hình ảnh động cơ: 78 4.2 Mô hình thực nghiệm: 80 4.3 Kết thực nghiệm đề tài: 81 4.3.1 Mạch điều khiển: .81 4.3.2 Giao diện chương trình điều khiển từ PC: 83 4.3.3 Kết chạy động cơ: 83 4.3.4 Những vấn đề gặp phải trình thực đề tài 86 KẾT LUẬN .88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 90 CODE LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN .90 CODE LẬP TRÌNH CHO GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN: 103 HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng động BLDC để thiết kế hệ dẫn động servo” tự thực hướng dẫn thầy giáo TS Bùi Quý Lực Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài tài liệu tham khảo dẫn cuối sách tơi đảm bảo khơng chép cơng trình người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Học viên thực Trịnh Minh Sơn HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Động DC Động điện chiều Động BLDC Động chiều không chổi than VĐK Vi điều khiển PID Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân PWM Pulse Width Modulation - Điều chế độ rộng xung ADC Analog ta Digital Converter - Bộ chuyển đổi tương tự - số MOSFET Metal Oxide Semi - conductor Field Effect Transistor BEMF Back EMF - Sức phản điện động EMF Sức điện động DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh động chiều có chổi than không chổi than [10] .14 Bảng 1.2: Trạng thái sensor tín hiệu điều khiển 28 Bảng 3.1: Bảng số liệu thực nghiệm 51 Bảng 3.2: Trạng thái quy ước cảm biến Hall: .52 Bảng 3.3: Thứ tự cấp xung để động quay chiều kim đồng hồ .54 Bảng 3.4: Thứ tự cấp xung để động quay ngược chiều kim đồng hồ 54 HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Q Lực DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1- Cấu tạo động chiều không chổi than 17 Hình 1.2: Stator động BLDC 18 Hình 1.3: Sức điện động cảm ứng phản hồi hình thang .19 Hình 1.4: Sức điện động cảm ứng phản hồi hình sin 19 Hình 1.5: Các cách bố trí nam châm Rotor 20 Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động động BLDC 22 Hình 1.8: Thứ tự chuyển mạch 23 Hình 1.9: Sơ đồ chuyển mạch cực tính động BLDC 25 Hình 1.10 Chuyển mạch hai cực tính động BLDC 25 Hình 1.11: Mạch cầu ba pha .27 Hình 1.12: Dạng xung mạch điện PWM .29 Hình1.13- Sơ đồ điều khiển động theo độ rộng xung PWM 31 Hình 1.14 - Sự thay đổi điện áp thay đổi độ rộng xung điện áp cấp .32 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống .34 Hình 2.2: Mạch nguyên lý khối cầu MOSFET 35 Hình 2.3: Sơ đồ mơ tả hoạt động MOSFET 36 Hình 2.4: Mosfet IGBT 36 H×nh2.5 Ví dụ điều khiển mosfet công suất .37 Hình 2.6- Sơ đồ IC IR2103 .38 Hình 2.7: Thông số kỹ thuật IC IR 2103 .39 Hình 2.8 - Sơ đồ khối IR2103 39 Hình 2.9 : Sơ đồ mạch lái điều khiển FET 40 Hình 2.10: Mạch nguyên lý khối nguồn 41 Hình 2.11: Mạch ngun lý khối nhận tín hiệu cảm biến Hall 42 HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực Hình 2.12: Mạch nguyên lý khối nhận tín hiệu Encoder .43 Hình 2.13: Mạch nguyên lý khối điều khiển .43 Hình 2.14: Mạch nguyên lý khối giao tiếp máy tính 46 Hình 2.14: Mạch nguyên lý khối Hiển thị LCD 46 Hình 2.15: Mạch nguyên lý khối cách ly 47 Hình 3.1: Sơ đồ kênh ADC 48 Hình 3.2: Mạch nguyên lý xác định giá trị cảm biến Hall 49 Hình 3.3: Sơ đồ thuật tốn xác định tín hiệu cảm biến Hall 50 Hình 3.4: Sơ đồ thứ tự chuyển mạch 53 Hình 3.5: Sơ đồ giải thuật cách đọc tín hiệu encoder 56 Hình.3.6 sơ đồ khối khối điều xung: 58 Hình 3.7 Biểu đồ xung chế độ Phase correct PWM 59 Hình 3.8: Sơ đồ thuật tốn điều khiển tốc độ động 61 Hình 3.9: Sơ đồ thuật tốn điều khiển vị trí động 62 Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ điều khiển vòng hở .64 Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ điều khiển vịng kín 64 Hình 3.12: Đặc tính độ hệ hở (a) hệ kín (b) 64 Hình 3.13: Sơ đồ khối thuật toán điều khiển PID 65 Hình 3.14: Thiết lập hàm PID 66 Hình 3.15: Nhiệm vụ điều khiển PID .71 Hình 5.16: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ (12) đối tượng 72 Hình 3.17: Xác định số khuếch đại tới hạn 73 Hình 3.18: Sơ đồ giải thuật PID 75 Hình 3.19:Đáp ứng hệ thống với Kp=1 76 Hình 3.20:Đáp ứng hệ thống với Kp=1, Ki=Kd=0,01 77 Hình 4.1: Cấu tạo động BLDC sử dụng thực nghiệm 78 Hình 4.3: Vị trí cảm biến Hall động BLDC .79 HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực Hình 4.4: Động BLDC lắp ghép hồn chỉnh 79 Hình 4.5: Mơ hình thực nghiệm đề tài 80 Hình 4.6 :Sơ đồ mạch in lớp (Top Layer) 81 Hình 4.7: Sơ đồ mạch in lớp (Bottom Layer) 82 Hình 4.8: Hình ảnh mạch điều khiển động sau hàn linh kiện 82 Hình 4.9: Giao diện chương trình điều khiển từ máy tính 83 Hình 4.10:Kết điều khiển tốc độ động .84 Hình 4.11:Kết điều khiển vị trí động .85 HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực MỞ ĐẦU Hiện nay, tự động hoá nhà máy công nghiệp Việt Nam ngày đầu tư phát triển tự động hố làm tăng suất lao động, tăng chất lượng sản phẩm làm giảm giá thành chế tạo sản phẩm Đó chìa khố cho thành cơng; khơng tự động hố, bị lạc hậu thua đối thủ cạnh tranh khác Trong hệ thống tự động hố nói chung máy CNC nói riêng, động điện đóng vai trị truyền động cho phận làm cho phận chuyển động theo ý muốn người sử dụng Trong hệ thống tự động, loại động chiều sử dụng phổ biến ưu điểm Động điện chiều có chổi than đời từ sớm, có nhiều ứng dụng đóng vai trị quan trọng hệ thống sản xuất tự động có mơmen khởi động lớn, kích thước nhỏ gọn, khả gia tốc nhanh… Tuy nhiên nhược điểm loại động khơng phát sinh tia lửa điện q trình hoạt động, mơmen qn tính roto lớn; nhiều trường hợp khơng sử dụng dễ gây nguy hiểm cho người sử dụng hệ thống Để khắc phục nhược điểm này, loại động điện chiều không chổi than (BLDC – Brushless Direct Current) đời để đáp ứng yêu cầu thực tiễn sản xuất mà động chiều có chổi than khơng đáp ứng Động BLDC có đặc tính giống động chiều có chổi than đường thẳng, có mơmen khởi động lớn Tuy nhiên động BLDC thực trình chuyển mạch mạch điện tử nên động quay không gây tia lửa điện, cơng việc bảo trì, bảo dưỡng sửa chữa, thay loại động giám đáng kể Trước đây, trình độ khoa học kỹ thuật cịn thấp, cơng cụ để thực việc nghiên cứu động BLDC gặp khó khăn nên việc sử dụng loại động cơng nghiệp hay hệ thống tự động cịn chưa cao Hiện nay, với phát triển HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 10 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực công nghệ vi xử lý, công nghệ chế tạo van điện tử chịu dịng cao có thời gian chuyển mạch thấp, độ tin cậy cao, việc ứng dụng động BLDC công nghiệp máy CNC thực Để góp phần vào việc nghiên cứu ứng dụng loại động này, giao nhiệm vụ nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng động chiều không chổi than (BLDC) việc thiết kế hệ dẫn động servo” Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo TS Bùi Q Lực, mơn Máy ma sát – viện Cơ khí – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy cô giáo mơn Máy ma sát giúp em hồn thành luận văn Do thời gian ngắn lực thân hạn chế nên kết em chắn cịn nhiều thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010 Học viên thực Trịnh Minh Sơn HVTH: Trịnh Minh Sơn – CHCĐT 2009 11 Luận văn thạc sĩ khoa học GVHD: TS Bùi Quý Lực 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