Điều khiển hệ truyền động điện dùng sensor có độ phân giải thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****************** LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG SENSOR CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP NGÀNH: TỰ ĐỘNG HỐ XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP MÃ SỐ: NGHIÊM XN TỒN Người hướng dẫn khoa học TS TẠ CAO MINH Hà Nội - 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****************** LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HỐ XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG SENSOR CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP NGHIÊM XUÂN TOÀN Hà Nội - 2008 MỤC LỤC MỤC LỤC ………………………………………………………………………1 LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………….4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SENSOR TỐC ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ …………………………… 1.1 Giới thiệu chung sensor tốc độ ………………………………………… 1.1.1 Giới thiệu chung …………………………………………………… 1.1.2 Nguyên lý hoạt động encoder, LED lỗ ……………… 1.2 Các phương pháp tính toán tốc độ trực tiếp ……………………………… 1.2.1 Phương pháp chênh lệch số ………………………………………… 1.2.2 Đếm xung đồng hồ xung Encoder ………………………… 1.2.3 Sự kết hợp hai phương pháp………………………………………… 10 CHƯƠNG II ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN………………………….12 2.1 Giới thiệu chung động chiều không chổi than………………….12 2.1.1 Giới thiệu chung…………………………………………………… 12 2.1.2 Cấu trúc chung động chiều không chổi than…………… 13 2.1.2.1 Cấu trúc động chiều dùng chổi than……… 24 2.1.2.2 Cấu trúc động chiều không chổi than….………… 15 1.Stator……………………………………………………………….15 2.Rotor……………………………………………………………… 15 3.Các cảm biến Hall………………………………………………….17 4.Chuyển mạch điện tử………………………………………………19 2.1.3 Một số đặc điểm điện động BLDC……………………… 20 2.1.3.1 Thứ tự chuyển mạch…………………………………………….20 2.1.3.2 Đặc tính dộng BLDC……………………………… 25 2.1.3.3 Sức phản điện động – Back EMF……………………………….26 2.2 Lựa chọn động cho ứng dụng………………………………………27 2.2.1 Yêu cầu momen lớn – MP……………………………………27 2.2.2 Yêu cầu momen trung bình – MRMS……………………………….27 2.2.3 Dải điều chỉnh tốc độ…………………………………………………28 2.3 So sánh động BLDC với số loại động khác…………………….29 CHƯƠNG III MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN……… ………….32 3.1 Các mơ tả tốn học động chiều khơng chổi than…………… 32 3.1.1 Mơ hình tốn học…………………………………………………….32 3.1.2 Momen điện từ……………………………………………………….34 3.1.3 Phương trình động học động BLDC………………………….35 3.2 Xây dựng phương trình đặc tính động chiều không chổi than.….… ………………………… 35 3.3 Sơ đồ cấu trúc động BLDC……………………………………… 37 CHƯƠNG IV TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN…………………………39 4.1 Mơ hình hệ thống điều khiển động BLDC…………………………… 39 4.1.1 Mơ hình pha động chiều khơng chổi than…………… 39 4.1.2 Mơ hình hệ thống điều khiển pha động BLDC………………….41 4.2 Tổng hợp điều chỉnh động BLDC………………………… 41 4.2.1 Hàm truyền đạt khối chức mơ hình hệ điều khiển 43 4.2.1.1 Khối biến đổi……………………………………………… 43 4.2.1.2 Khâu đo dòng điện – phản hồi dòng…………………………….44 4.2.1.3 Khâu đo tốc độ - phản hồi tốc độ……………………………….44 4.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện…………………………………… 45 4.2.3 Tổng hợp mạch vịng tốc độ………………………………………….47 4.3 Bộ chuyển đổi góc quay động cơ…………………………………… 49 CHƯƠNG V XÂY DỰNG BỘ QUAN SÁT TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG… ……………… 50 5.1 Phương pháp ước lượng tốc độ dùng sensor tốc độ có độ phân giải thấp….50 5.1.1 Giới thiệu chung phương pháp…………………………………….50 5.1.2 Nguyên tắc hoạt động……………………………………………… 53 5.2 Xây dựng quan sát tốc độ liên tục………………………………………57 5.3 Mô với đáp ứng dạng nhảy cấp cho hệ thống điều chỉnh………… 62 5.3.1 Mô hoạt động dùng Encoder (độ phân giải 256)…… …….65 5.3.2 Mô hoạt động dùng cảm biến biến Hall……………………….69 KẾT LUẬN…………………………………………………………………….75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………… 76 PHỤ LỤC…….……………………………………………………………… 77 CONTROL ELECTRIC DRIVE SYSTEMS USING LOW RESOLUTION SENSOR Abstract: According to recent developments in digital signal processor (DSP) technology, high frequency DSPs are widely use as controller in various system Conversely, low-resolution encoders are still widely used, especially for traction system, such as rolling stocks, electric vehicles, etc The accuracy remarkably degrades at low speed, where the encoder pulses cannot be detected at every control period The mentioned problems can be generally said that the controlling speed is faster than the sensing speed To solve this problem, a Instantaneous Speed Observer with dual sampling rates has been proposed to estimate the information between encoder’s pulses The principle of the Instantaneous Speed Observer is to estimate the state variables at every sampling period and to correct the error of estimation when an encoder pulse, which contains actual value, is detected Brushless DC Motor is one kind of permanent magnet synchronous motor, having permanets on the rotor and trapezoidal shape back EMF These Brushless DC Motor are generally controlled using a three-phase inverter, requiring a rotor position sensor for starting and for providing the proper commutation sequence to control the inverter These position sensors can be Hall sensors, resolvers, or absolute position sensors This Master thesis use Instantaneous Speed Observer to control Brushless DC Motor Simulation is executed and experimental control circuits are also given BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn “Điều khiển hệ truyền động điện dùng sensor có độ phân giải thấp” có tổng cộng chương Trong chương đầu tiên, luận văn đề cập đến sensor tốc độ phương pháp ước lượng tốc độ Trong chương 2, luận văn trình bày cấu trúc đối tượng điều khiển động chiều không chổi than, tìm hiểu nguyên tắc hoạt động cảm biến Hall so sánh động chiều không chổi than với loại động khác Trong chương 3, luận văn trình bày mơ hình tốn học xây dựng sơ đồ cấu trúc động chiều khơng chổi than Trong chương 4, luận văn trình bày mơ hình hệ thống điều khiển tổng hợp điều chỉnh hệ truyền động động chiều không chổi than Trong chương 5, luận văn sử dụng kết đạt chương đầu để xây dựng mơ hình mơ hoạt động động chiều không chổi than Trong chương xây dựng quan sát tốc độ liên tục để xác định tốc độ động xác Trong thời gian tới, tác giả luận văn tiếp tục nghiên cứu, để hoàn thiện hệ thống điều khiển khiển động chiều không chổi than sử dụng quan sát tốc độ liên tục LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp “ Điều khiển hệ truyền động điện dùng sensor có độ phân giải thấp ” tự thiết kế hướng dẫn Thầy giáo TS Tạ Cao Minh, Bộ mơn Tự động hóa XNCN – Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Học viên Nghiêm Xuân Toàn MỤC LỤC MỤC LỤC ………………………………………………………………………1 LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………….4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SENSOR TỐC ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ …………………………… 1.1 Giới thiệu chung sensor tốc độ ………………………………………… 1.1.1 Giới thiệu chung …………………………………………………… 1.1.2 Nguyên lý hoạt động encoder, LED lỗ ……………… 1.2 Các phương pháp tính tốn tốc độ trực tiếp ……………………………… 1.2.1 Phương pháp chênh lệch số ………………………………………… 1.2.2 Đếm xung đồng hồ xung Encoder ………………………… 1.2.3 Sự kết hợp hai phương pháp………………………………………… 10 CHƯƠNG II ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN………………………….12 2.1 Giới thiệu chung động chiều không chổi than………………….12 2.1.1 Giới thiệu chung…………………………………………………… 12 2.1.2 Cấu trúc chung động chiều không chổi than…………… 13 2.1.2.1 Cấu trúc động chiều dùng chổi than……… 24 2.1.2.2 Cấu trúc động chiều không chổi than….………… 15 1.Stator……………………………………………………………….15 2.Rotor……………………………………………………………… 15 3.Các cảm biến Hall………………………………………………….17 4.Chuyển mạch điện tử………………………………………………19 2.1.3 Một số đặc điểm điện động BLDC……………………… 20 2.1.3.1 Thứ tự chuyển mạch…………………………………………….20 2.1.3.2 Đặc tính dộng BLDC……………………………… 25 2.1.3.3 Sức phản điện động – Back EMF……………………………….26 2.2 Lựa chọn động cho ứng dụng………………………………………27 2.2.1 Yêu cầu momen lớn – MP……………………………………27 2.2.2 Yêu cầu momen trung bình – MRMS……………………………….27 2.2.3 Dải điều chỉnh tốc độ…………………………………………………28 2.3 So sánh động BLDC với số loại động khác…………………….29 CHƯƠNG III MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN……… ………….32 3.1 Các mơ tả tốn học động chiều khơng chổi than…………… 32 3.1.1 Mơ hình tốn học…………………………………………………….32 3.1.2 Momen điện từ……………………………………………………….34 3.1.3 Phương trình động học động BLDC………………………….35 3.2 Xây dựng phương trình đặc tính động chiều không chổi than.….… ………………………… 35 3.3 Sơ đồ cấu trúc động BLDC……………………………………… 37 CHƯƠNG IV TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHƠNG CHỔI THAN…………………………39 4.1 Mơ hình hệ thống điều khiển động BLDC…………………………… 39 4.1.1 Mô hình pha động chiều khơng chổi than…………… 39 4.1.2 Mơ hình hệ thống điều khiển pha động BLDC………………….41 4.2 Tổng hợp điều chỉnh động BLDC………………………… 41 4.2.1 Hàm truyền đạt khối chức mơ hình hệ điều khiển 43 4.2.1.1 Khối biến đổi……………………………………………… 43 4.2.1.2 Khâu đo dòng điện – phản hồi dòng…………………………….44 4.2.1.3 Khâu đo tốc độ - phản hồi tốc độ……………………………….44 4.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện…………………………………… 45 70 Chương V: Xây dựng quan sát tốc độ cho động chiều không chổi than mô hệ thống 71 Đặc tính tải: Hình 5.15 Đồ thị đặc tính tải Đặc tính tốc độ ước lượng tốc độ thực tế: Hình 5.16 Đồ thị tốc độ thực tế tốc độ ước lượng Chương V: Xây dựng quan sát tốc độ cho động chiều không chổi than mơ hệ thống 72 Đặc tính góc quay động Hình 5.17 Đồ thị góc thực tế góc ước lượng động chưa qua khâu chuyển đổi(-2pi,2pi) Hình 5.18 Đồ thị góc thực tế góc ước lượng động qua khâu chuyển đổi(-2pi,2pi) Chương V: Xây dựng quan sát tốc độ cho động chiều không chổi than mơ hệ thống 73 Do thực tế tín hiệu tốc độ nhận tín hiệu sau quan sát tốc độ liên tục nên việc mô mang ý nghĩa kiểm chứng lại tính đắn kết tính tốn Mơ hình hệ thống điều khiển pha động BLDC với phản hồi tốc độ lấy từ quan sát tốc độ hình 5.19 Tiến hành mơ với mơ hình ta đạt kết tương tự Trong sơ đồ mô hoạt động động chiều không chổi than, người viết có sử dụng lọc sau tín hiệu đặt Đó tín hiệu đặt hàm nhảy cấp nên thay đổi đột ngột Vì vậy, việc cần thiết phải làm chậm lại trình tăng giảm tín hiệu đặt Nói cách khác cần phải làm trễ tín hiệu đặt để làm giảm độ điều chỉnh Việc làm trễ tín hiệu thực cách sử dụng lọc Thực chất lọc hàm trễ có dạng bậc : T = loc + τ s f Trong đó, τ f số thời gian lọc Chương V: Xây dựng quan sát tốc độ cho động chiều không chổi than mơ hệ thống 74 Hình 5.19 Mơ hình hệ thống điều khiển pha động BLDC Chương V: Xây dựng quan sát tốc độ cho động chiều không chổi than mô hệ thống 75 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, luận văn giải vấn đề sau: - Tìm hiểu sensor tốc độ phương pháp tính tốn tốc độ trực tiếp - Tìm hiểu đặc trưng động chiều không chổi than, đặc tính điện - Xây dựng mơ hình tốn học sơ đồ cấu trúc động chiều không chổi than - Tổng hợp điều chỉnh hệ truyền động động chiều không chổi than - Xây dựng mơ hình mơ hoạt động động chiều khơng chổi than có dùng quan sát tốc độ liên tục nhằm xác định tốc độ động xác Trong thời gian tới, tác giả luận văn tiếp tục nghiên cứu quan sát tốc độ liên tục hoàn thiện điều khiển động chiều không chổi than với việc coi cảm biến Hall Encoder có độ phân giải thấp 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, 2007 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, 2002 Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thảnh, Hồng Sỹ Hồng, Giáo trình đo lường cảm biến đo lường , NXB Giáo Dục, 2005 Tiếng Anh S Sakai, Y Hori, “Ultra – low speed control of servomotor using low resolution rotary encoder”, Proc The 21st IEEE IECON, pp 615-620, Florida, USA, 1995 Lilit Kovudhikulrungsri, Discrete-Time Observer with Dual Sampling Rates and its Application to Drive Control with Wide Speed Range Ph.D.Thesis, The Department of Electrical Engineering, The University of Tokyo, 2003 James L., Kirtley Jr, Permanent Magnet “Brushless DC” Motors, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, USA, 2004 Nam-Joon Kim, Hee-Sung Moon, Dong-Seok Hyun, “Inertia Identification for the Speed Observer of the Low Speed Control of Induction Machines”, IEEE IECON, 1996 Uk-Youl Huh, Je-Hie Lee, Tae-Gyoo Lee, “A Torque Control Strategy of Brushless DC Motor with Low Resolution Encoder”, The Department of Electrical Engineering, Inha University 77 PHỤ LỤC Hàm Position % M-file S-function for converting a position signal into the range (-2*pi, 2*pi) % Description: % The Function converts a position signal into the range (-2*pi, 2*pi) % In puts: speed % Outputs: position in (-2*pi, 2*pi) function [sys,x0] = position(t,x,u,flag) pi= 3.14159265358979; h = 0.001; % Sampling time if abs(flag) == teta = x(1) + u(1)*h; % Integral of speed if ((teta >= 2*pi)|(teta