Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HÀ VIỆT DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ RÔ TO TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HÀ VIỆT DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ RÔ TO TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 605 202 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN PHÒNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Thái Nguyên – 2014 - i - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Hà Việt Dũng Sinh ngày: 02 tháng 9 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 Trƣờng Cao đẳng Nghề Cơ điện Phú Thọ 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 sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Hà Việt Dũng - 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 động cơ MCKCT 7 1.2. Hệ truyền độngđộng cơ điện một chiều không chổi than 15 1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) 15 1.2.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) 17 1.3. Kết luận chƣơng 1 18 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 19 2.1. Đặc điểm khi làm việc và phƣơng pháp xác định vị trí roto 19 2.1.1. Đặc điểm khi làm việc 19 2.1.2. Phƣơng pháp xác định vị trí rotor 19 2.2.2. Phƣơng pháp không sử dụng cảm biến 20 2.1.3. Cảm biến Hall 21 2.2. Cấu trúc hệ truyền động động cơ MCKCT 24 2.3. Xác định bộ điều khiển 25 2.3.1. Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển) 25 2.3.2. Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển) 32 2.4. Card ghép nối 33 2.5. Bộ biến đổi năng lƣợng 36 2.5.1. Giới thiệu về IC MC33035 37 2.5.2. Thiết kế mạch tạo xung điều khiển 40 2.6. Mạch đo tín hiệu phản hồi 43 2.6.1. Đo tín hiệu dòng điện 43 2.6.2. Mạch đo tín hiệu tốc độ 44 2.7. Kết luận chƣơng 2 45 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 46 3.1. Các thiết bị thực nghiệm 46 - iv - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.1.1. Động cơ MCKCT 46 3.1.2. Thiết bị biến đổi năng lƣợng 47 3.1.3. Tạo tín hiệu điều khiển 48 3.1.4. Thiết bị hiển thị 49 3.1.5. Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue 49 3.1.6. Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A 50 3.1.7. Thiết bị lấy tốc độ 50 3.1.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống 51 3.2. Thực nghiệm 51 3.2.1. Cấu trúc thực nghiệm hệ truyền động động cơ MCKCT 51 3.2.2. Kết quả thực nghiệm 53 3.3. Kết luận chƣơng 3 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 Kết luận 59 Kiến nghị 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 - v - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG Hình 1.1 Cấu tạo động cơ MCKCT 3 Hình 1.2 Sơ đồ khối động cơ MCKCT 3 Hình 1.3 Stator của động cơ MCKCT 4 Hình 1.4 Các dạng sức điện động động cơ MCKCT 5 Hình 1.5 Rotor của động cơ MCKCT 6 Hình 1.6 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than 7 Hình 1.7 Mô hình mạch điện của động cơ MCKCT 8 Hình 1.8 Mô hình thu gọn của động cơ MCKCT 10 Hình 1.9 Sơ đồ khối của động cơ MCKCT 12 Hình 1.10 Sơ đồ một pha tƣơng đƣơng của động cơ MCKCT 13 Hình 1.11 Đặc tính làm việc và đặc tính cơ động cơ MCKCT 15 Hình 1.12 Nguyên lý làm việc của động cơ MCKCT truyền động một cực 15 Hình 1.13 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trƣờng stator 16 Hình 1.14 Chuyển mạch hai cực tính của động cơ MCKCT 17 Hình 2.1 Hiệu ứng Hall 20 Hình 2.2 Động cơ một chiều không chổi than - cấu trúc nằm ngang 20 Hình 2.3 Tích hợp cảm biến Hall vào một IC 22 Hình 2.4 Mô tả cảm biến Hall 22 Hình 2.5 Đặt cảm biến Hall bên trong động cơ 23 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạh đóng cắt nguồn cho động cơ 24 Hình 2.7 Sơ đồ hệ truyền động động cơ MCKCTsử dụng SIMULINK 25 Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc một pha động cơ MCKCT 26 Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 29 Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 31 Hình 2.11 Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 34 Hình 2.12 Các khối chức năng trong thƣ viện ArduinoIO 35 Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc BBĐ và động cơ sử dụng MC33035 38 Hình 2.14 Mạch tạo xung điều dùng MC33035 40 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 41 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi năng lƣợng 42 - vi - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.17 Sơ đồ khối ACS712 43 Hình 2.18 Sơ đồ mạch đo dòng điện 43 Hình 2.19 Đặc tính vào ra của ACS712 44 Hình 2.20 Tín hiệu xung từ cảm biến Hall 44 Hình 2.21 Mạch đo tốc độ động cơ 45 Hình 3.1 Động cơ thực nghiệm 46 Hình 3.2 Bộ biến đổi năng lƣợng cấp cho động cơ MCKCT 47 Hình 3.3 Máy tính có cài đặt Matlab Simulink 48 Hình 3.4 Cấu trúc hai mạch vòng trên Matlab Simulink 48 Hình 3.5 Card ghép nối ArduinoDue 49 Hình 3.6 Khâu lấy tín hiệu dòng điện 50 Hình 3.7 Khâu lấy tín hiệu tốc độ 50 Hình 3.8 Mô hình thực nghiệm hệ thống 51 Hình 3.9 Cấu trúc thực nghiệm 51 Hình 3.10 Đáp ứng tố độ hệ thống khi chƣa hiệu chỉnh 52 Hình 3.11 Đáp ứng tốc độ hệ thống khi chƣa hiệu chỉnh 52 Hình 3.12 Cấu trúc hệ với tín hiều đặt là hàm bƣớc nhảy 53 Hình 3.13 Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 54 Hình 3.14 Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 54 Hình 3.15 Cấu trúc hệ với tín hiều đặt biến thiên theo hàm sin 55 Hình 3.16 Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 55 Hình 3.17 Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 56 Hình 3.18 Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 56 Hình 3.19 Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 57 Hình 3.20 Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 57 Bảng 1.1 So sánh động cơ MCKCT với động cơ một chiều thông thƣờng 2 Bảng 2.1 Bảng quy luật điều khiển đóng cắt dòng dựa vào vị trí rotor 24 Bảng 2.2 Bảng giải mã tín hiệu từ cảm biến Hall và xung điều khiển các pha 39 - vii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề . Tuy nhiên, điể và trong quá trình làm việ : - ; - Sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc. Để (Ví dụ (Brushless DC Moto . 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 việc xác định chính xác vị trí roto để điều khiển việc cấp dòng cho cuộn dây Stato là cần thiết và cũng là hƣớng nghiên chính của bản luận án. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất giải pháp xác định vị trí roto động cơ một chiều không chổi than trong hệ truyền động. Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than với phƣơng pháp xác định vị trí roto đã nghiên cứu, để xuất. 3. Kết quả dự kiến: Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than. - viii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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: Phƣơng 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. Phƣơng 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 điện một chiều không chổi than. Chƣơng 3: Thực nghiệm Kết luận và kiến nghị. [...]... hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và tín hiệu phản hồi vị trí rô to động cơ MCKTC - 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 2.3 Xác định bộ điều khiển Ở đây ta phải thực hiện hai bài to n: 2.3.1 Bài to n 1 (Xác định luật điều khiển) Bài to n... điện không đổi một chiều Tại một thời điểm làm việc bộ điều khiển chỉ cho dòng điện một chiều chạy qua hai cuộn dây của hai pha tƣơng ứng với vị trí của rotor lúc đó Nhƣ vậy để động cơ làm việc đƣợc bắt buộc phải xác định đƣợc vị trí roto của động cơ tại mỗi thời điểm trong quá trình hoạt động Sau đây ta đi phân tích một số phƣơng pháp xác định vị trí roto trong động cơ MCKCT 2.1.2 Phương pháp xác định. .. 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 thông thƣờng, stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -7- Rotor lõi tròn với nam Rotor lõi tròn với nam Rotor lõi tròn, nam châm châm đặt trên bề mặt châm hình chữ nhật đƣợc hình chữ nhật chèn vào đặt trong rotor trong lõi rotor Hình 1.6 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than Không giống nhƣ động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của động cơ một chiều không chổi than đƣợc điều khiển bằng điện tử Tức là các cuộn dây của stator sẽ... của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục 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 đứng 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. .. cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài phƣơng tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử nhƣ biểu diễn trên hình 1.2 Từ hình 1.2 ta thấy rằng động cơ một chiều không chổi than chính là sự kết hợp của động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện... theo vị trí rotor Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -4Việc xác định vị trí rotor đƣợc thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết các cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sử dụng cảm biến quang học Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng đƣợc sử dụng. .. trình đặc tính cơ của động cơ một chiều thông thƣờng với động cơ MCKCT là giống nhau Đặc tính cơ của động cơ MCKCT giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thông thƣờng Tức là mối quan hệ giữa momen và tốc độ là các đƣờng tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác động cơ MCKCT không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn... nhỏ dẫn đến điều khiển không chính xác Do vậy phƣơng pháp này chỉ áp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và có đặc tính khởi động nhỏ Đề tài sử dụng phƣơng pháp điều khiển có cảm biến và sử dụng cảm biến Hall để xác định vị trí rotor trong điều khiển động cơ MCKCT 2.1.3 Cảm biến Hall Tín hiệu để điều khiển là tín hiệu số có dạng nhị phân 1/0 do đó cảm biến đều đƣợc chế tạo tích hợp trong một IC và dạng... vùng điều chỉnh của động cơ MCKCT có thể đƣợc mở rộng hơn Hình 1.11 Đặc tính làm việc và đặc tính cơ động cơ MCKCT 1.2 Hệ truyền động ộng cơ điện một chiều không chổi than 1.2.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) Hình 1.12 Nguyên lý làm việc của động cơ MCKCT truyền động một cực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 16 - Hình 1.13 Thứ tự chuyển mạch và chiều . tiêu nghiên cứu Đề xuất giải pháp xác định vị trí roto động cơ một chiều không chổi than trong hệ truyền động. Xây dựng thuật to n điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều. VIỆT DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ RÔ TO TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số:. 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