Sử dụng IC đo dòng ACS712 loại 30A do hãng Allegro sản xuất. ACS712 là loại cảm biến đổi dòng điện ra điện áp chuẩn 0-5V, sơ đồ khối ACS712 nhƣ hình 2.17 và hình 2.18.
Hình 2.17 Sơ đồ khối ACS712
Sơ đồ mạch đo dòng:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đặc tính vào ra của ACS712 nhƣ hình 2.19.
Hình 2.19 Đặc tính vào ra của ACS712 2.6.2. Mạch đo tín hiệu tốc độ
Do động cơ MCKCT có các tín hiệu cảm biến Hall nên ta sử dụng luôn tín hiệu đó để xác định tín hiệu tốc độ động cơ, phƣơng pháp đo tốc độ này giống nhƣ việc đo tốc độ bằng phƣơng pháp mã xung (encoder). Các tín hiệu Hall đƣợc cách ly bằng cách ly quang, đƣa vào Card ghép nối để tính ra tốc độ quay và chuyển lên bộ khuếch đại tổng hợp. Tín hiệu xung từ cảm biến Hall và mạch lấy tín hiệu tốc độ nhƣ hình 2.20 và hình 2.21.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.21 Mạch đo tốc độ động cơ
2.7. Kết luận chƣơng 2
Chƣơng 2 đã trình bày việc thiết kế hệ thống truyền động sử dụng động cơ MCKCT. Trong cấu trúc 2 mạch vòng phản hồi tốc độ và dòng điện, luật điều khiển (2.15) và (2.19) đƣợc xác định theo phƣơng pháp Modul tối ƣu. Để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính sử dụng Card Arduino, đây là card có nhiều tính năng nhƣng luận văn chỉ sử dụng tính năng giao tiếp. Mạch tạo xung điều khiển bộ biến đổi cấp nguồn cho động cơ sử dụng MC33035, qui luật đóng cắt các van đƣợc thực hiện thông qua vị trí roto và đƣợc xác định bằng cảm biến Hall. Để thực hiện luật điều khiển (2.15), (2.19) dùng thiết bị điều khiển số đó là máy tính với phần mềm Matlab-Simulink. Ngoài chứng năng điều khiển máy tính còn làm các nhiệm vụ khác nhƣ tạo tín hiệu chủ đạo, tổng hợp các tín hiệu và hiển thị kết quả.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM
3.1. Các thiết bị thực nghiệm
3.1.1. Động cơ MCKCT
Động cơ sử dụng nhƣ hình 3.1 có mã hiệu BM 1418ZXF với các thông số sau:
Điện trở một pha: Rƣ = 0.445 (Ω) Điện cảm một pha: Lƣ = 0.00585 (H) Tốc độ định mức: nđm = 2800 (v/ph) Dòng định mức: Iđm = 11.8 (A) Momen định mức: Tđm = 249.11 (N.m) Momen quán tính: Jm = 0.117 (kg.m2) Hệ số momen: Ct = 2.94 (N.m/A) Hệ số sức điện động: Ce = 2.38 (V/rad/s) Điện áp định mức: Vđm = 48 (V) Công suất định mức: P = 500 (W) Hình 3.1 Động cơ thực nghiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.1.2. Thiết bị biến đổi năng lượng
Nguồn điện một chiều đƣợc chỉnh lƣu không điều khiển từ máy biến áp một pha và các bộ lọc.
Bộ biến đổi năng lƣợng cấp cho động cơ nhƣ hình 3.2 và có thông số sau:
Điện áp: 48V
Công suất: 500W
Bảo vệ thấp áp: 42V ± 1V
Điện áp điều khiển: 1V → 4.2V
Dòng điện max: 28A ± 1A
Góc pha: 120o
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
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 cơ MCKCT.
Hình 3.3 Máy tính có cài đặt Matlab Simulink
Cấu trúc mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng điện điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ MCKCT trên Matlab Simulink.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.1.4. Thiết bị hiển thị
Thiết bị hiển thị là thiết bị cho ta quan sát đƣợc các trạng thái, đặc tính của hệ thống. Để làm đƣợc việc đó, có rất nhiều công cụ có thể thực hiện đƣợc, ví dụ nhƣ phần mềm Control-desk đi kèm cùng card điều khiển DSP1104. Tuy nhiên để sử dụng đƣợc Control-desk ta bắt buộc phải có DSP1104.
Nhƣ trên ta đã sử dụng Matlab-Simulink để thực hiện các bộ điều khiển. Thông qua card ghép nối Arduino máy tính đã nhận đƣợc các tín hiệu trạng thái tốc độ và dòng điện thực của hệ. Do đó, ta sẽ sử dụng các công cụ hiển thị của Simulink để vẽ các đặc tính thể hiện trạng thái động của hệ thống.
3.1.5. Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue
Card ghép nối giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi nhƣ hình 3.5.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.1.6. Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A
Khâu lấy tín hiệu phản hồi dòng điện nhƣ hình 3.6
Hình 3.6 Khâu lấy tín hiệu dòng điện
3.1.7. Thiết bị lấy tốc độ
Từ đầu ra của cảm biến Hall, ta dùng mạch nhƣ hình 3.7 để đo tín hiệu tốc độ của hệ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.1.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống
Hình 3.8 Mô hình thực nghiệm hệ thống
3.2. Thực nghiệm
3.2.1. Cấu trúc thực nghiệm hệ truyền động động cơ MCKCT
Cấu trúc điều khiển hệ truyền động động cơ MCKTC hai mạch vòng phản hồi tốc độ và dòng điện nhƣ hình 3.9. SP_Speed Speed 1.03 Top Limit PI(s) Speed Controller Speed Saturation SP_Speed_Sine Real-Time Pacer Speedup = 1 Real-Time Pacer ~= 0 Enable PI(s) Current Controller Current Enable CT_Speed Speed Current Card & BLDC 0.97 Bottom Limit Setup Arduino1 com7 Arduino IO Setup Hình 3.9 Cấu trúc thực nghiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Mô hình vật lý động cơ MCKCT gồm mạch ghép nối máy tính, mạch điều khiển bộ biến đổi nghịch lƣu và động cơ MCKCT với tín hiệu vào cho phép hoạt động En, tín hiệu điều khiển tốc độ CT_Speed và tín hiệu ra là các tín hiệu trạng thái tốc độ và dòng điện động cơ.
- Đáp ứng tốc độ hệ thống
Hình 3.10 Đáp ứng tố độ hệ thống khi chưa hiệu chỉnh - Đáp ứng dòng điện hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Nhận xét: Qua các đáp ứng hệ thống với bộ điều chỉnh tổng hợp đƣợc ta thấy, tốc độ động cơ chƣa bám theo tín hiệu đặt, độ nhấp nhô tốc độ và mô men lớn.
Sau quá trình hiệu chỉnh trên ta tìm đƣợc các tham số bộ hiệu chỉnh nhƣ sau:
Bộ điều khiển tốc độ:
KP = 0.0321,
KI = 0.00107.
Bộ điều khiển dòng điện:
KP = 0.28504
KI = 1.097.
3.2.2. Kết quả thực nghiệm
3.2.2.1. Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào bước nhảy
Cấu trúc hệ điều tốc động cơ MCKCT với đầu vào là hàm bƣớc nhảy.
SP_Speed Speed 1.03 Top Limit PI(s) Speed Controller Speed Saturation SP_Speed_Step Real-Time Pacer Speedup = 1 Real-Time Pacer ~= 0 Enable PI(s) Current Controller Current Enable CT_Speed Speed Current Card & BLDC 0.97 Bottom Limit Setup Arduino1 com7 Arduino IO Setup
Hình 3.12 Cấu trúc hệ với tín hiều đặt là hàm bước nhảy - Tín hiệu tốc độ đặt: 2800v/ph.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Đáp ứng tốc độ động cơ:
Hình 3.13 Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin - Đáp ứng dòng điện động cơ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.2.2. Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào biến thiên theo hàm sin
- Cấu trúc hệ điều tốc động cơ MCKCT với đầu vào biến thiên theo hàm sin:
SP_Speed Speed 1.03 Top Limit PI(s) Speed Controller Speed Saturation SP_Speed_Sine Real-Time Pacer Speedup = 1 Real-Time Pacer ~= 0 Enable PI(s) Current Controller Current Enable CT_Speed Speed Current Card & BLDC 0.97 Bottom Limit Setup Arduino1 com7 Arduino IO Setup
Hình 3.15 Cấu trúc hệ với tín hiều đặt biến thiên theo hàm sin - Tín hiệu tốc độ đặt: 2300+500sin(2πt/30),
- Đáp ứng tốc độ động cơ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Đáp ứng dòng điện động cơ:
Hình 3.17 Đáp ứng dòng điện động cơ 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 cơ MCKCT với đầu vào dạng bậc thang:
SP_Speed Speed 1.03 Top Limit PI(s) Speed Controller Speed Saturation SP_Speed_P Real-Time Pacer Speedup = 1 Real-Time Pacer ~= 0 Enable PI(s) Current Controller Current Enable CT_Speed Speed Current Card & BLDC 0.97 Bottom Limit Setup Arduino1 com7 Arduino IO Setup
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Tín hiệu tốc độ đặt lần lượt 2800v/ph, 1500v/ph, 2000v/ph.
- Đáp ứng tốc độ động cơ:
Hình 3.19 Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang - Đáp ứng dòng điện động cơ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.2.4. Đánh giá kết quả thực nghiệm
Từ các kết quả thực nghiệm trên, có thể thấy một số đặc điểm sau:
- Hệ thống đã xác định đƣợc vị trí roto dùng cảm biến Hall để điều khiển bộ biến đổi năng lƣợng cấp cho động cơ MCKCT.
- Bộ điều khiển trên Simulink đã thực hiện điều khiển đƣợc hệ truyền động động cơ MCKCT.
- Đáp ứng của hệ thống luôn bám theo tín hiệu đặt cho dù các tín hiệu đặt là các dạng khác nhau.
- Thời gian xác lập nhanh, lƣợng quá điều chỉnh nhỏ.
- Tuy nhiên, độ nhấp nhô mômen còn cao.
3.3. Kết luận chƣơng 3
Chƣơng 3 đã trình bày về các thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ truyền động sử dụng động cơ MCKCT với bộ điều khiển đƣợc thực hiện trên môi trƣờng Matlab- Simulink. Thực hiện thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động cơ MCKCT với giá trị điều khiển đƣợc tính toán trên Simulink và các kết quả đạt đƣợc đúng với lý thuyết đã phân tích.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Luận văn đã giải quyết đựợc những vấn đề sau:
- Nghiên cứu tổng quan về động cơ MCKCT.
- Nghiên cứu phƣơng pháp xác định vị trí roto, lựa chon phƣơng pháp sử dụng cảm biến Hall.
- Tổng hợp bộ điều khiển các mạch vòng hệ truyền động động cơ MCKCT.
- Xây dựng và thực nghiệm hệ truyền động động cơ MCKCT và kết quả thực nghiệm đã đáp ứng đƣợc các yêu cầu đã đề ra.
Kiến nghị
Nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp xác định vị trí roto động cơ MCKCT không sử dụng cảm biến (phƣơng pháp sensorless).
Nghiên cứu áp dụng các thuật điều khiển hiện đại nhƣ: điều khiển thích nghi, điều khiển tối ƣu, điều khiển mờ,… vào điều khiển động cơ một chiều không chổi than nhằm khử dao động momen, nâng cao chất lựợng của hệ điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dƣơng Văn Nghi (1999), Điều
chỉnh tự động truyền động điện, nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
2. Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha, nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
3. Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sƣ điều khiển tự động, nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
1. 48531EMS – Chapter 12. Brushless DC motors
2. 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.
3. Bimal K Bose (1996), Power Electronics and Variable Frequency Drives, University of Tennessee, Knoxville, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., NewYork.
4. Devendra Rai, Brushless dc Motor – Simulink simulator, Department of Electronics and Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka, India.
5. DSP-based Electric Drives Laboratory, Getting Started with dSPACE, University of Minnesota.
6. Jianwen Shao (2003), Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives, Virginia Tech University.
7. Texas Instruments (1997), DSP Solutions for BLDC Motors, Literature Number: BPRA055