(Luận văn thạc sĩ) điều khiển động cơ DC không chổi quét bằng phương pháp FOC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MÃO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 6 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MÃO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Trần Mão Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10 – 12 - 1988 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Quê quán: Vinh Giang, Phú Lộc, Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 111/26, Tây Lân, Tân Tạo, Bình Tân, TP HCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: maotranktd@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 02/2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Tên đồ án: Nghiên cứu giao tiếp Ethernet Vi điều khiển LM3S9B96 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Người hướng dẫn: Thạc Sỹ Nguyễn Đình Phú III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 05/2012- Công Ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Thiết kế, lắp ráp, chế tạo, bảo 09/2015 Kỹ Thuật Hữu Tồn Phát trì máy CNC i LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên ghi rõ họ tên) ii CẢM TẠ CẢM TẠ Với đóng góp, hướng dẫn tận tình Thầy/Cơ bạn, với cố gắng thân với kiến thức học Tơi thực đề tài hồn thành mục tiêu đề luận văn tốt nghiệp Tôi chân thành cảm ơn tất Thầy/Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức suốt trình học tập Đặc biệt Thầy/Cô Khoa Điện – Điện Tử, trang bị kiến thức vô quý báu để tơi hồn thành luận văn Trên hết, tơi chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Dƣơng Hồi Nghĩa, TS Phạm Đình Trực – Trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM, hướng dẫn, bảo tận tình suốt trình làm luận văn Với hướng dẫn hai Thầy, học hỏi kiến thức góp phần nâng cao hiểu biết hoàn thành luận văn với yêu cầu đặt Tôi chân thành cảm ơn tất bạn lớp nhiệt tình đóng góp ý kiến để luận văn hoàn thiện Đây thành cơng đề tài góp phần tạo nên sản phầm hồn chỉnh Cuối tơi xin chân thành cảm ơn gia đình tích cực động viên, khuyến khích, tạo điều kiện thuận lợi trực tiếp hỗ trợ kinh phí để luận văn hoàn thành Ngƣời thực đề tài Trần Mão iii TĨM TẮT TĨM TẮT Động khơng chổi than DC (BLDC) sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng cơng nghiệp hiệu cao, mơ-men xoắn cao khối lượng thấp Luận văn sử dụng thuật toán điều khiển PID-FOC, Fuzzy-FOC để kiểm soát tốc độ vị trí động BLDC Bài viết cung cấp nhìn tổng quan hiệu suất điều khiển PID thông thường, điều khiển Fuzzy, điều khiển Fuzzy- PID Đó khó khăn để điều chỉnh thơng số nhận đặc điểm kiểm sốt ổn định cách sử dụng điều khiển PID thơng thường bình thường Khi Fuzzy có khả kiểm sốt đặc điểm ổn định dễ dàng cho việc tính tốn Để điều khiển động BLDC, điều khiển Fuzzy-PID thiết kế điều khiển động BLDC Các kết thực nghiệm xác minh điều khiển Fuzzy-PID có hiệu kiểm soát tốt điều khiển PID thơng thường Các mơ hình, điều khiển mơ động BLDC thực cách sử dụng MATLAB / SIMULINK ABSTRACT Brushless DC (BLDC) motors are widely used for many industrial applications because of their high efficiency, high torque and low volume This thesis proposed a improved Fuzzy-FOC, PID-FOC controller to control speed and position of Brushless DC motor This thesis provides an overview of performance conventional PID controller and Fuzzy PID controller It is difficult to tune the parameters and get satisfied control characteristics by using normal conventional PID controller As the Fuzzy has the ability to satisfied control characteristics and it is easy for computing, In order to control the BLDC motor, a Fuzzy PID controller is designed as the controller of the BLDC motor The experimental results verify that a Fuzzy PID controller has better control performance than the conventional PID controller The modeling, control and simulation of the BLDC motor have been done using the software package MATLAB/SIMULINK iv MỤC LỤC MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.2 Các kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ đề tài 1.5 Giới hạn đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Hướng nghiên cứu CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống Servo 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Hệ thống điều khiển 2.1.3 Cấu hình hệ thống servo 2.1.4 Phân loại .10 2.2 Động BLDC 10 2.2.1 Giới thiệu chung 10 2.2.2 Cấu tạo động BLDC .12 2.2.3 Sức điện động cảm ứng .15 2.2.4 Nguyên lý hoạt động động BLDC 17 2.3 Phương trình động hệ quy chiếu 20 2.3.1 Phương trình động hệ quy chiếu phase cố định .20 2.3.2 Vector không gian 22 2.3.3 Phương trình động hệ quy chiếu quay d-q 25 2.3.4 Mối quan hệ hệ trục tọa độ tĩnh hệ trục tọa độ quay .26 2.3.5 Mối quan hệ hệ trục tọa độ quay abc hệ trục tọa độ quay d-q 26 2.4 Điều khiển động BLDC 27 2.5 Phương pháp Field Oriend Control (FOC) 28 v MỤC LỤC 2.5.1 Cơ sở lý thuyết 28 2.5.2 Sơ đồ khối .31 2.5.3 Phương trình sử dụng việc điều khiển 31 2.6 Thuật toán điều khiển động BLDC .33 2.6.1 Thuật toán điều khiển PID 33 2.6.2 Thuật toán điều khiển Fuzzy logic 38 2.6.3 Điều khiển PID mờ .45 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC46 3.1 Điều khiển tốc độ động BLDC thuật toán PID 46 3.1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động BLDC 47 3.1.2 Bộ biến đổi dùng FET 48 3.1.3 Kỹ thuật điều chế SVM 49 3.1.4 Các khâu sơ đồ hệ thống .51 3.1.5 Kết mô 52 3.2 Điều khiển vị trí động BLDC thuật tốn PID 54 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động BLDC 54 3.2.2 Kết mô 55 3.3 Điều khiển vị trí động thuật tốn Fuzzy logic .57 3.3.1 Sơ đồ khối điều khiển vị trí .57 3.3.2 Các bước thực mô 58 3.3.3 Kết mô 61 3.4 Đánh giá kết 62 3.4.1 Điều khiển tốc độ 62 3.4.2 Điều khiển vị trí 62 3.4.3 So sánh FOC_PID FOC_FUZZY 63 3.5 Điều khiển vị trí động BLDC thuật toán FUZZY- PID 64 3.5.1 Sơ đồ hệ thống 64 3.5.2 Kết mô 65 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .67 vi MỤC LỤC 4.1 KẾT LUẬN 67 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 vii DANH MỤC HÌNH DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Quá trình điều khiển trực tiếp [1] Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vịng lặp hở (Khơng có thơng tin phản hồi) [1] Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vịng kín sử dụng thơng tin phản hồi [1] Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát máy điện quay Hình 2.1 Các thành phần hình thành nên cấu servo [2] Hình 2.2 Sử dụng vòng lặp hở [3] .8 Hình 2.3 Sử dụng vịng lặp kín [3] Hình 2.4 Sơ đồ khối với hai vịng hồi tiếp vị trí tốc độ [3] Hình 2.5 Hai loại cấu thực thi hồi tiếp phổ biến [3] Hình 2.6 Phân loại động Servo 10 Hình 2.7 Hình dáng ngồi động BLDC .10 Hình 2.8 Cấu trúc động BLDC [4] 12 Hình 2.9 Rotor có nam châm gắn bề mặt [5] .13 Hình 2.10 Rotor có nam châm ẩn bên lõi [5] 14 Hình 2.11 Các phân bố cuộn dây Stator [5] .15 Hình 2.12 Minh họa kết cấu động BLDC 15 Hình 2.13 Sức điện động cảm ứng cuộn dây pha 17 Hình 2.14 Sự trùng pha sức điện động cảm ứng dòng điện [6] 18 Hình 2.15 Cách bố trí cảm biến Hall động BLDC [7] 19 Hình 2.16 Tín hiệu cảm biến hall sensor [8] .20 Hình 2.17 Vector khơng gian dòng stator [9] 23 Hình 2.18 Vector khơng gian dịng stator thành phần hệ quy chiếu tĩnh [9] 23 Hình 2.19 Vector khơng gian dịng stator thành phần hệ quy chiếu quay d-q [9] .24 Hình 2.20 Biến đổi từ miền phase sang hệ quy chiếu quay [10] 25 Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý mạch lực [8] 27 viii CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC Hình 3.14 Giản đồ vị trí chế độ đặt 10 vịng Hình 3.15 Giản đồ vị trí chế độ đặt 15 vòng 56 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC  Nhận xét: - Hình 3.13: đặt giá trị vị trí vịng: sau thời gian 1s nhảy lên Khi ta đặt giá trị tốc độ qua khâu PID tạo số vượt ngưỡng, vượt qua giá trị 30 xác lập đây, thêm khâu bảo hòa để tránh tượng vượt giá trị thực tế, đạt vị trí định, tốc độ giảm từ từ sai số khơng q cao, gần tới vị trí tốc độ giảm xuống tiến 0, chí vọt lố qua trị âm để quay vị trí mong muốn - Hình 3.13, 3.14, 3.15: Rõ ràng ta thấy gia tăng vị trí thời gian đáp ứng lâu, đồng thời vận tốc tăng lên, nhiên có khâu bảo hòa nên giá trị vận tốc đạt đến 30 vịng/s xác lập Khi đạt giá trị đặt mong muốn tốc độ xác lập 3.3 Điều khiển vị trí động thuật toán Fuzzy logic 3.3.1 Sơ đồ khối điều khiển vị trí Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí thuật tốn Fuzzy logic 57 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC Hình 3.17 Sơ đồ điều khiển vị trí thuật tốn Fuzzy Matlab/simulink Hình 3.18 Sơ đồ khối Fuzzy Logic 3.3.2 Các bước thực mô Bước 1: Từ cửa sổ Matlab, nhập vào fuzzy, cửa sổ sau 58 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC Bước 2: Tạo luật fuzzy Bước 3: Hiệu chỉnh ngõ vào- 59 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC Bước 4: Đặt tên file FOC_FUZZY Bước 5: Xuất tín hiệu workspace 60 CHƢƠNG 3: MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC 3.3.3 Kết mơ Hình 3.19 Giản đồ vị trí chế độ đặt vịng Hình 3.120 Giản đồ vị trí chế độ đặt 10 vịng 61 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC Hình 3.21 Giản đồ vị trí chế độ đặt 15 vòng Đánh giá kết 3.4 3.4.1 Điều khiển tốc độ - Để đạt vận tốc cao hơn, rõ ràng thời gian xung vượt ngưỡng torque nhiều, giá trị vận tốc xác lập với giá trị đặt torque lại ban đầu - Khi tăng tốc lên torque tăng theo thay đổi tới tốc độ ổn định xác lập 3.4.2 Điều khiển vị trí - Càng gia tăng vị trí thời gian xác lập tăng (0.5s, 1.7s, 2s) - Tại khoảng thời gian ban đầu, mơ xuất tín hiệu vượt ngưỡng bảo hịa (V=30), giúp nhanh tới vị trí xác lập (0.1s, 1.5s, 1.75s) - Delta sai số