Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN BÁ HÂN XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 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 và Tự động hoá Mã số : 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên – 2014 - i - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi 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 đang công tác tại Công ty TNHH một thành viên 43 – Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực. Nếu có gì sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Bá Hân - ii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐCMC Động cơ một 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 - iii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1 1.1. Tổng quan về động cơ điện MCKCT 1 1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện MCKCT 1 1.1.2. Mô hình toán học và phƣơng trình đặc tính cơ của ĐCMCKCT 8 1.2. Hệ truyền độngđộng cơ điện một chiều không chổi than 16 1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) 16 1.2.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) 18 1.3. Kết luận 19 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 20 2.1. Cấu trúc hệ truyền động động cơ MCKCT 20 2.2 Xác định bộ điều khiển: Ở đây ta phải thực hiện hai bài toán: 21 2.2.1 Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển): đƣợc thực hiện dựa trên việc tổng hợp hệ thống truyền động 21 2.2.2 Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển): 27 2.3 Card ghép nối: 28 Thƣ viện ArduinoIO: 30 2.4. Bộ biến đổi năng lƣợng 31 2.4.1. Giới thiệu về 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 dòng điện 39 2.5.2. Mạch đo tín hiệu tốc độ 40 2.6 Kết luận 41 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 43 3.1. Các thiết bị thực nghiệm 43 3.1.1. Động cơ MCKCT 43 3.1.2. Thiết bị biến đổi năng 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 - iv - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.1.6. Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A 47 3.1.7. Thiết bị lấy tốc độ 47 3.1.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống 48 3.2. Thực nghiệm 49 Tham số bộ điều khiển mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ theo (2.12) và (2.16). 49 3.3. Kết luận chƣơng 3 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 Kết luận 56 Kiến nghị 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 - v - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo ĐCMCKCT 3 Hình 1.2 Sơ đồ khối ĐCMCKCT 3 Hình 1. 3- Stator của ĐCMCKCT 5 Hình 1. 4 Các dạng sức điện động ĐCMCKCT 6 Hình 1.5 - Rotor của ĐCMCKCT 6 Hình 1. 6. Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than 7 Hình 1. 7- Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT 9 Hình 1. 8- Mô hình thu gọn của ĐCMCKCT 11 Hình 1. 9- Sơ đồ khối của ĐCMCKCT 13 Hình 1. 10 - Sơ đồ 1 pha tƣơng đƣơng của ĐCMCKCT 14 Hình 1. 11 - Đặc tính làm việc và đặc tính cơ ĐCMCKCT 16 Hình 1. 12 - Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực 17 Hình 1. 13-Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trƣờng stator 17 Hình 1. 14- Chuyển mạch hai cực tính của ĐCMCKCT 18 Hình 2. 1. Sơ đồ hệ truyền động động cơ MCKCTsử dụng SIMULINK 20 Hình 2. 2 - Sơ đồ cấu trúc một pha ĐCMCKCT 21 Hình 2. 3- Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 25 Hình 2.4-Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 26 Hình 2. 5- Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 29 Hình 2. 6- Các khối chức năng trong thƣ viện ArduinoIO 30 Hình 2. 7- Sơ đồ cấu trúc BBĐ và động cơ sử dụng MC33035 34 Hình 2. 8- Mạch tạo xung điều dùng MC33035 36 Hình 2. 9- Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 37 Hình 2. 10- Sơ đồ nguyên lý BBĐ và ĐCMCKCT 39 Hình 2. 11- Sơ đồ khối ACS712 39 - vi - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2. 12- Sơ đồ mạch đo dòng điện 40 Hình 2. 13- Đặc tính vào ra của ACS712 40 Hình 2. 14- Tín hiệu xung từ cảm biến Hall 41 Hình 2. 15- Mạch đo tốc độ động cơ 41 Hình 3. 1- Động cơ thực nghiệm 43 Hình 3. 2. Bộ biến đổi năng lƣợng cấp cho động cơ MCKCT 44 Hình 3. 3- Máy tính có cài đặt Matlab Simulink 45 Hình 3. 4- Cấu trúc hai mạch vòng trên Matlab Simulink 46 Hình 3. 5- Card ghép nối ArduinoDue 47 Hình 3. 6- Khâu lấy tín hiệu dòng điện 47 Hình 3. 7- Khâu lấy tín hiệu tốc độ 48 Hình 3. 8- Mô hình thực nghiệm hệ thống 48 Hình 3. 9 - Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bƣớc nhảy 49 Hình 3. 10. Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng bƣớc nhảy 50 Hình 3. 11- Cấu trúc hệ với tín hiều đặt biến thiên theo hàm sin 50 Hình 3. 12- Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 52 Hình 3. 13- Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 53 Hình 3. 14- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 53 Hình 3. 15- Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 54 Hình 3. 16- Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 55 - vii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề . Tuy nhiên, điể ệ : - ; - Sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc. Để (Ví dụ . Chính vì lý do trên mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than đã và đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng. Một điều quan trọng trong hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than là việc cấp dòng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí của từ trƣờng roto. Nhƣ vậy khi đã xác đƣợc vị trí roto việc xây dựng thuật toán điều khiển dòng cấp cho cuộn dây Stato và nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab - Simulink để thực hiện thuật toán điều khiển này là cần thiết và cũng là hƣớng nghiên chính của bản luận án. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than. - viii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Thực hiện thuật toán điều khiển bằng máy tính thông qua phần mềm Matlab - Simulink. 3. Kết quả dự kiến: - Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than. - Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển động cơ một chiều không chổi than. - Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than. 4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận: - Phương pháp luận: + Nghiên cứu lý thuyết về động cơ một chiều không chổi than, phân tích lựa chọn, xây dựng cấu trúc và thuật toán luật điều khiển. - Phương pháp nghiên cứu: + Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán, mô phỏng, kiểm chứng. + Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than Chƣơng 2: Thiết kế hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than Chƣơng 3: Thực nghiệm Kết luận và kiến nghị. - 1 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1. Tổng quan về động cơ điện MCKCT 1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện MCKCT Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thƣờng có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dƣỡng thƣờng xuyên. Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dƣỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn nhƣ biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những động cơ này đƣợc biết đến nhƣ là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor). Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục đƣợc hầu hết các nhƣợc điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thƣờng. So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thông thƣờng: Mặc dù ngƣời ta nói rằng đặc tính tĩnh của ĐCMCKCT và ĐCMC thông thƣờng hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thƣờng đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Bảng 1.1 so sánh ƣu nhƣợc điểm của hai loại động cơ này. Khi nói về chức năng của động cơ điện, không đƣợc quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều. Đổi chiều là quá trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ. Ở động [...]... Hình 1 11 - Đặc tính làm việc và đặc tính cơ ĐCMCKCT 1.2 Hệ truyền động động cơ điện một chiều không chổi than 1.2.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 17 - Hình 1 12 - Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực Hình 1 13-Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator Hình 1.13 minh hoạ một ĐCMCKCT... là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng đƣợc sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản Nhƣ vậy, về mặt cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm có 3 phần chính đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xác định vị trí rotor, bộ mã hoá so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor của động cơ Stator: Khác với động cơ một chiều. .. KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 2.1 Cấu trúc hệ truyền động động cơ MCKCT Một cách tổng quát sơ đồ khối hệ truyền động động cơ MCKCT với 2 mạch vòng phản hồi dòng điện và tốc độ sử dụng máy tính với phần mềm Matlab- Simulink để điều khiển nhƣ hình 2.1: Vị trí rô to động cơ Máy tính Ucđ ĐỘNG BBĐ CƠ NĂNG LƢỢNG Điện áp 3 pha MCKCT Ua, Ub, Uc BỘ ĐIỀU KHIỂN n CARD GHÉP NỐI Phản hồi dòng... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 Ce n - 22 - - Kb, b : Hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của bộ biến đổi - Rd: Tổng trở bao gồm điện trở của bộ biến đổi và cuộn dây phần ứng động cơ - Te, Tm: Hằng số thời gian điện từ mạch điện rotor và hằng số thời gian điện cơ hệ thống truyền động điện - Ce: Hệ số sức điện động của động cơ - Eb, EĐ: Sức điện động của bộ biến đổi và của động cơ - , : Hệ số phản hồi dòng điện và tốc độ Ở đây... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 21 - hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và tín hiệu phản hồi vị trí rô to động cơ MCKCT - Động cơ MCKCT: Đối tƣợng điều khiển trong hệ truyền động Các trạng thái tốc độ, dòng điện và vị trí rô to đƣợc xác định từ các cảm biến và các tín hiệu này sẽ tham ra vào quá trình điều khiển hệ thống 2.2 Xác định bộ điều khiển: Ở đây ta phải thực hiện hai bài toán: 2.2.1 Bài toán 1 (Xác... đồ hệ truyền động động cơ MCKCTsử dụng SIMULINK Trong đó: - Bộ điều khiển: thực hiện tạo tín hiệu điều khiển theo quy luật yêu cầu - Card ghép nối: thực hiện chức năng trao đổi thông tin qua lại giữa bộ điều khiển; bộ biến đổi năng lƣợng và đối tƣợng điều khiển - Bộ biến đổi năng lƣợng: Cung cấp năng lƣợng cho động cơ truyền động Việc điều khiển dòng năng lƣợng bằng các chuyển mạch điện tử trên cơ. .. để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống nhƣ vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thƣờng 1.3 Kết luận Chƣơng 1 trình bày tổng quan về động cơ một chiều không chổi than gồm cấu trúc, một số khái niệm về các thông số điện của động cơ, các yêu cầu cần thiết khi lựa chọn động cơ và ƣu nhƣợc điểm của ĐCMCKCT so với một số loại động cơ khác Có thể thấy,.. .-2 - cơ một chiều thông thƣờng, sự đổi chiều đƣợc thực hiện bởi cổ góp và chổi than Ngƣợc lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn nhƣ transitor, MOSFET, GTO, IGBT ĐCMC thông thƣờng Nội dung Cấu trúc cơ khí ĐCMC không chổi than Mạch kích từ nằm trên Mạch kích từ nằm trên rotor stator Tính năng đặc biệt Đáp ứng nhanh và dễ điều Đáp ứng. .. 1.2.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng đƣợc quấn trên stator là phần ứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trong động cơ điện một chiều thông thƣờng dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transistor công suất đƣợc điều khiển theo vị trí tƣơng ứng của rotor Hình 1 1 4- Chuyển mạch hai cực tính... điện cơ khí đó là cổ góp và chổi than Do vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của nó đặc biệt là trong các truyền động yêu cầu tốc độ rất lớn, khi đó bộ chuyển mạch cơ khí không thể đáp ứng đƣợc ĐCMCKCT đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này, do đó đã mở ra nhiều hƣớng ứng dụng mới cho loại động cơ này Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 20 - CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU . hiện thuật toán điều khiển bằng máy tính thông qua phần mềm Matlab - Simulink. 3. Kết quả dự kiến: - Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than. - Xây dựng cấu trúc và thuật. thuật toán điều khiển động cơ một chiều không chổi than. - Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than. 4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận: - Phương. cứu - Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than. - viii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Thực