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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN BÁ HÂN XÂY DỰNG THUẬT TỐN 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 NGƢỜI HƢỚNG 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 – Trƣờng 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 phịng Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng dựa hƣớng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực Nếu có sai tơi xin hồn toàn 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/ - iii MỤC LỤC CHƢƠNG 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 phƣơng 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 CHƢƠNG 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): đƣợc 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 Thƣ viện ArduinoIO: 30 2.4 Bộ biến đổi lƣợng 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 dịng điện 39 2.5.2 Mạch đo tín hiệu tốc độ 40 2.6 Kết luận 41 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 43 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 43 3.1.1 Động MCKCT 43 3.1.2 Thiết bị biến đổi lƣợng 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/ - iv 3.1.6 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 chƣơng 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/ -vDANH 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 không 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 tƣơng đƣơng 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 trƣờng 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 thƣ 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/ - vi Hình 12- Sơ đồ mạch đo dịng 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 lƣợng 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 dịng 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 bƣớc nhảy 49 Hình 10 Đáp ứng dịng điện động với tín hiệu đặt dạng bƣớc 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 dịng 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 dịng điện động với tín hiệu đặt dạng bậc thang 55 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - vii - MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Tuy nhiên, điể ệ : ; - Sinh tia lửa điện q trình làm việc Để (Ví dụ Chính lý mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng Một điều quan trọng hệ truyền động động chiều khơng chổi than việc cấp dịng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí từ trƣờng roto Nhƣ xác đƣợc vị trí roto việc xây dựng thuật tốn điều khiển dịng cấp cho cuộn dây Stato nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab - Simulink để thực thuật toán điều khiển cần thiết hƣớng nghiên luận án Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều khơng chổi than Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - viii - - Thực thuật toán điều khiển máy tính thơng qua phần mềm Matlab - Simulink Kết dự kiến: - Xây dựng mơ hình tốn học động chiều khơng chổi than - Xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển động chiều không chổi than - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than Phƣơng pháp phƣơng pháp luận: - Phương pháp luận: + Nghiên cứu lý thuyết động chiều không 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 đƣợc chia làm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan động điện chiều không chổi than Chƣơng 2: Thiết kế hệ truyền động động chiều không chổi than Chƣơng 3: Thực nghiệm Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -1- CHƢƠNG 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 thƣờng 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 mịn u cầu bảo trì, bảo dƣỡng thƣờng xuyên Để khắc phục nhƣợc điểm ngƣời ta chế tạo loại động không cần bảo dƣỡng cách thay chức cổ góp chổi than chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn nhƣ biến tần sử dụng transitor cơng suất chuyển mạch theo vị trí rotor) Những động đƣợc biết đến nhƣ động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu hay cịn gọi động chiều khơng chổi than BLDC (Brushless DC Motor) Do khơng có cổ góp chổi than nên động khắc phục đƣợc hầu hết nhƣợc điểm động chiều có vành góp thơng thƣờng So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thơng thƣờng: Mặc dù ngƣời ta nói đặc tính tĩnh ĐCMCKCT ĐCMC thơng thƣờng 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 thƣờng đề cập tới khác giống chúng Bảng 1.1 so sánh ƣu nhƣợc điểm hai loại động Khi nói chức động điện, không đƣợc quên ý nghĩa dây quấn đổi chiều Đổi chiều q trình biến đổi dịng điện chiều đầu vào thành dòng xoay chiều phân bố cách xác dịng 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 đƣợc chỉnh lƣu không điều khiển từ máy biến áp pha lọc Bộ biến đổi lƣợng cấp cho động nhƣ hình 3.2 có thơng số sau: Điện áp: 48V Công suất: 500W Bảo vệ thấp áp: 42V ± 1V Điện áp điều khiển: 1V → 4.2V Dịng điện max: 28A ± 1A Góc pha: 120o 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 vịng Matlab Simulink 3.1.4 Thiết bị hiển thị Thiết bị hiển thị thiết bị cho ta quan sát đƣợc trạng thái, đặc tính hệ thống Để làm đƣợc việc đó, có nhiều cơng cụ thực đƣợc, ví dụ nhƣ phần mềm Control-desk kèm card điều khiển DSP1104 Tuy nhiên để sử dụng đƣợc Control-desk ta bắt buộc phải có DSP1104 Nhƣ ta sử dụng Matlab-Simulink để thực điều khiển Thơng qua card ghép nối Arduino máy tính nhận đƣợc tín hiệu trạng thái tốc độ dịng điện thực hệ Do đó, ta sử dụng công 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 nhƣ 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 dịng điện nhƣ 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 nhƣ 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 dịng 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 Arduino1 com7 Real-Time Pacer Speedup = Arduino IO Setup Real-Time Pacer Top Limit 0.97 Bottom Limit SP_Speed ~= SP_Speed_Sine Enable Speed Speed Speed Enable RPI(s) w R PI(s) I CT_Speed Current Saturation Speed Controller Current Current Controller 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 dịng 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 Arduino1 com7 Real-Time Pacer Speedup = Arduino IO Setup Real-Time Pacer Top Limit 0.97 Bottom Limit SP_Speed ~= SP_Speed_P Enable Speed CT_Speed Current Speed Speed Enable PI(s) R w PI(s) R I Saturation Speed Controller Current Current Controller 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/ - 54 - Tín hiệu tốc độ đặt lần lƣợt 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: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 55 - Hình 16- Đáp ứng dịng 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 đƣợc 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, lƣợng điều chỉnh nhỏ 3.3 Kết luận chƣơng Chƣơng trình bày thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ truyền động sử dụng động MCKCT với điều khiển đƣợc thực môi trƣờng Matlab-Simulink Thực thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động MCKCT với giá trị điều khiển đƣợc tính tốn Simulink kết đạt đƣợc với lý thuyết phân tích Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 56 - 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 đƣợc thực môi trƣờng Simulink kết thực nghiệm đáp ứng đƣợc yêu cầu đề Kiến nghị Nghiên cứu áp dụng thuật điều khiển đại nhƣ: điều khiển thích nghi, điều khiển tối ƣu, điều khiển mờ vào điều khiển hệ truyền động động chiều khơng chổi than Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 57 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dƣơng 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 sƣ 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 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 58 - Arduino, http://arduino.cc Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... Thực thuật toán điều khiển máy tính thơng qua phần mềm Matlab - Simulink Kết dự kiến: - Xây dựng mô hình tốn học động chiều khơng chổi than - Xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển động chiều không. .. nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động chiều không chổi than đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng Một điều quan trọng hệ truyền động động chiều khơng chổi than việc... KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 2.1 Cấu trúc hệ truyền động động MCKCT Một cách tổng quát sơ đồ khối hệ truyền động động MCKCT với mạch vòng phản hồi dòng điện tốc độ sử dụng