ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ BƯỚC Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 Học viên: Trần Văn Hà Giáo viên hướng dẫn khoa học: TS Cao Xuân Tuyển Thái nguyên, năm 2012 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ BƯỚC Cán bộ hướng dẫn :TS.Cao xuân Tuyển Người thực hiện: Trần Văn Hà Thái Nguyên 2012 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Trần văn Hà Lớp: Cao học - K13 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Người hướng dẫn khoa học: TS Cao Xuân Tuyển Ngày giao đề tài: Tháng 03 năm 2012. Ngày hoàn thành: tháng 12 năm 2012. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Cao Xuân Tuyển HỌC VIÊN Trần văn Hà BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước đó. Thái Nguyên, tháng 12 năm 2012 Tác giả luận văn Trần văn Hà 4 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn TS Cao Xuân Tuyển đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Trần Văn Hà 5 LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên hiện đại và đang được thừa hưởng những thành quả tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật. Cùng với sự phát triển của các nghành khoa học kỹ thuật khác như điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông, tự động hóa các dây truyền sản xuát vì vậy ngành tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ nó góp phần tăng năng xuất lao động và giảm chi phí về giá thành của các mặt hàng vì vậy tự động hóa không chỉ hiện đại và đa dạng mà còn có nhiều phương án tối ưu nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả trong sản xuất. Một trong những vấn đề tự động hóa em muốn đề cập đến trong đề tài tốt nghiệp này đó là dùng bộ lọc Kalman để nâng cao chất lượng của động cơ bước. Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Cao Xuân Tuyển cùng các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung: “Dùng bộ lọc Kalman để nâng cao chất lượng của động cơ bước”. Đề tài gồm các nội dung chính như sau: Chương I: Tổng quan về động cơ bước Trong chương này em trình bày một số loại động cơ bước có trên thị trường hiện nay, quá trình chuyển động của động cơ bước và phạm vi ứng dụng của chúng. Chương II: Mô hình toán học động cơ bước và các đại lượng điều khiển Nội dung chương này đề cập đén thông số của động cơ bước, các chế độ hoạt động của động cơ như bước đủ, nửa bước, vi bước , giản đồ xung tại cá chế độ trên và nguyên lí điều khiển các mạch bipolar, unipolar. Chương III: Ứng dụng bộ lọc Kalman và sử dụng động cơ bước Trong chương này đề cập đến bộ lọc Kalman ứng dụng các thuật toán của bộ lọc Kalman trong việc điều chỉnh vị trí của động cơ bước. Lựa chọn động cơ bước . Chương IV: Thiết kế sơ đồ mạch phần cứng dùng vi điều khiển, viết mã nguồn Nội dung chủ yếu của chương này đề cập đến thiết kế và xây dựng phần cứng hoàn thiện để điều khiển động cơ bước có áp dụng bộ lọc Kalman sử dụng PIC 16F877A để tạo ra các xung điều khiển động cơ ở các chế độ bước đủ quay thuận và ngược, nửa bước quay thuận và ngược, chọn góc quay, lựa chọn số vòng quay. Thiết lập sơ đồ phần mền . Viết mă nguồn cho mạch, mã mô phỏng trong MATLAB. Chương V: Kết quả mô phỏng trong Matlab Trong chươg này chủ yếu đưa ra két quả mô phỏng đối với mạch hở, mạch kín, mạch dùng bộ lọc Kalman. Đưa ra mạch thực nghiệm và chạy các chế độ trên mạch thực nghiệm 6 MỤC LỤC Chương I: Tổng quan về động cơ bước 1. Các loại động cơ bước nguyên lí và cấu tạo 1.1. Giới thiệu 1.2. Các loại động cơ bước 1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) (PM) 1.4. Động cơ biến thiên từ trở (Variable Reluctance) 1.5. Động cơ bước lai 2. Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ bước nguyên lí và phạm vi ứng dụng 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ bước 2.2 Ứng dụng động cơ bước Chương II: Mô hình toán học động cơ bước và điều khiển động cơ bước 1. Mô hình toán học của động cơ 2.Tiêu chí lựa chọn động cơ bước và tính các thông số 2.1. Tiêu chí lựa chọn động cơ bước 2.2 Tính toán các tham số 2.2.1. Mô men xoắn 2.2.2 Tải 2.2.3. Ma sát tăng tốc và ma sát quay 3. Nguyên lí cơ bản điều khiển động cơ bước, mạch điều chỉnh động cơ bước 3.1. Sơ đồ điều khiển động cơ bước bipolar 3.1.1. Cấu trúc động cơ bước bipolar 3.1.2. Sơ đồ mạch động lực điều khiển động cơ bước bipolar 3.1.3. Nguyên lí điều khiển động cơ bipolar 3.1.4.Chế độ bước đủ một pha được cấp xung (một pha ON) 3.1.5. Chế độ bước đủ khi cả hai pha được cung cấp xung 3.2. Sơ đồ điều khiển động cơ bước unipolar 3.2.1. Cấu trúc động cơ bước unbipolar 3.2.2. Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ unipolar: 3.2.3. Chế độ nửa bước 3.2.3. Sơ đồ mạch động lực dùng unipolar 3.3. Chế độ vi bước : Chương III: Ứng dụng bộ lọc Kalman và sử dụng động cơ bước 1. Giới thiệu 2. Thông tin chung 3. Bộ lọc Kalman 3.1 Giới thiệu 3. 2 Tiêu chuẩn thuật toán Kalman Filter 3.3 Điều chỉnh bộ lọc 4. Bộ lọc Kalman mở rộng 7 5. Mẫu động cơ cho bộ lọc Kalman thời gian rời rạc mở rộng Chương IV: Thiết kế sơ đồ mạch phần cứng dùng vi điều khiển, viết mã nguồn và mô phỏng 1. Giới thiệu 2. Tổng quan Phần cứng 2.1. Động cơ bước 2.2 Phần linh kiện động lực điều khiển động cơ 3. Vi điều khiển (PIC16F877A) 3.1. Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A 3.2. Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A 4. Vi mạch truyền thông nối tiếp (MAX202) 5. Màn LCD 6. Phần cứng 6.1. Mạch PIC16F877 nối -202 MAX6.2. Mạch transistor nối L193 Op-Amp 6.3. Mạch kết nối giữa L193 với PIC16F877 6.4. Mạch kết nối giữa PIC16F877 và mạch động lực 6.5. Mạch hoàn thiện 7. Tổng quan phần mềm 7.1. Giới thiệu 7.2 . Mã Matlab dùng cho mạch kín: 7.3. Mã Matlab dùng bộ lọc Kalman 7.4. CODE C Chương V: Mô phỏng trong matlab và kết quả thực nghiệm 1. Sơ đồ mô phỏng trong matlab dùng cho hệ thống mạch hở 1.1. Sơ đồ khối 1.2. Sơ đồ chi tiết hệ mạch hở 1.3. chức năng các khối như sau: 1.4. Dạng điện áp , d‡ng điện, mô men xoắn, góc bước sau quá trình mô phỏng có dạng như hình v‰ sau: 2. Sơ đồ mô phỏng mạch kín 2.1. Sơ đồ khối mô phỏng mô phỏng 2.2. Sơ đồ chi tiết 2.3. Chức năng các khối 2.4. Dạng điện áp , d‡ng điện, mô men xoắn, góc bước sau quá trình mô phỏng 3. Mô phỏng dùng bộ lọc Kalman 3.1. Sơ đồ khối 3.2. Chức năng các khối 3.3. Dạng tín hiệu về điện áp, d‡ng điện, mô men , góc bước sau quá trình mô phỏng có dạng như hình v‰ sau: 4 . Kết quả thực nghiệm 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối điều khiển động cơ bước 1 Hình 1.2: Sơ đồ động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu 2 Hình 1.3 : Mặt cắt ngang của động cơ bước biến thiên từ trở 3 Hình 1.4: Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai 3 Hình 1.5: Mặt cắt ngang của rotor và stator 3 Hình 1.5: Bước dịch chuyển của rotor so với vị trí cuộn dây stator 4 Hình 2.1: Mô hình của động cơ bước 7 Hình 2.2 Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước bipolar 10 Hình 2.3: Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar 10 Hình 2.4: Hình 2.4 Nguyên lí điềukhiển động cơ 11 Hình 2.5: Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung 11 Hình 2.6 : Dạngp xung trong các cuộn dây 12 Hình 2.7 : ChiỀu dòng điện trong các cuộn dây 12 Hình 2.8 : Ché độ bước đủ hai pha được cung cấp xung 13 Hình 2.9: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar 13 Hình 2.10: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar 14 Hình 2.11: Nguyên lí điều khiển động cơ bước unipolar 14 Hình 2.12: Chuyển mạch của rotor ở chế đọ nửa bước 15 Hình 2.13: Giản đồ dạng xung ở chế đọ nửa bước 16 Hình 2.14: Sơ đồ mạch động lực dùng unbipolar 16 9 Hình 2.15: Pha của dòng điện trong chế độ vi bước 17 Hình 2.16: Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước Hình 3.1: Thực hiện rời rạc chu trình lọc Kalman 17 Hình 3.2: Thuật toán lọc Kalman tiêu chuẩn 20 Hình 3.3: Thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng 21 Hình 4.1: Mô tơ bước và các đi ốt bảo vệ 23 Hình 4.2 : Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước 29 Hình 4.3 : Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước 30 Hình 4.4: Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước 30 Hình 4.5: Sơ đồ chân của pic 16F 877A 31 Hình 4.6: PIC để kết nối PC qua cổng truyền thông nối tiếp MAX202 32 Hình 4.7: Sơ đồ chân và các linh kiện bên ngoài vi mạch MAX202 34 Hình 4.8: Text LCD 16x2 35 Hình 4.9: Kết nối LCD với PIC. 36 Hình 4.10: Hoạt động của chân RS. 36 Hình 4.11: Mạch kết nối giữa PIC16F877 - MAX-202 37 Hình 4.12: Mạch khuếch đại thuật toán kết nối với trasistor trường 38 Hình 4.13: Mạch kết nối PIC16F877 và op- amp 39 Hình 4.14: Sơ đồ kết nối mạch động lực và PIC16F877 40 Hình 4.15: Sơ đồ mạch phần hoàn thiện 41 Hình 4.16: Lưu đồ của phần mềm 42 Hình 5.1: Sơ đồ khối mạch hở 44 10 [...]... động cơ Động cơ là khâu cuối cùng biến đổi các xung điện tạo ra mô men quay Sau đây sẽ có cái nhìn tổng quan về động cơ bước 1.2 Các loại động cơ bước Ba loại cơ bản của động cơ bước bao gồm: - Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) - Động cơ bước biến từ trở (Variable Reluctance) - Động bước cơ lai (hybrid) 1.3 Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) (PM) Một động cơ. .. các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in 17 Chương II: Mô hình toán học động cơ bước và điều khiển động cơ bước 1 Mô hình toán học của động cơ Phần này sử dụng một mô hình của động cơ bước 2 pha PM thể hiện trong hình vẽ sau đây để nghiên cứu cơ cấu điều khiển động cơ bước Hình 2.1: Mô hình động cơ bước. .. mỗi bước động cơ sẽ quay một góc 30 độ 1.5 Động cơ bước lai (hybrid) Động cơ bước lai được thực hiện bằng cách kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở Mô-men xoắn được tạo ra trong động cơ lai tương tác của từ trường của nam châm vĩnh cửu và từ trường sinh ra bởi các cuộn dây stator Hình 1.4: Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai Cấu trúc stator là tương tự như động cơ. .. hai loại động cơ 2 Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ bước nguyên lí và phạm vi ứng dụng 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ bước Động cơ bước cung cấp cho việc định vị chính xác và kiểm soát tốc độ mà không sử dụng các cảm biến hồi tiếp Các hoạt động cơ bản của động cơ bước cho phép rotor di chuyển đến một vị trí chính xác các bằng số lượng cấp mỗi lần cấp xung điện được đưa tới động cơ Vị trí... NỘI DUNG LUẬN VĂN Chương I: Tổng quan về động cơ bước 1 Các loại động cơ bước nguyên lí và cấu tạo 1.1 Giới thiệu Động cơ bước là một loại động cơ điện có cấu tạo, và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của... và rotor là hình trụ và từ hóa như động cơ PM với răng giống như một động cơ VR Điều này làm tăng đặc tính của mô-men xoắn của động cơ hơn so với hai loại động cơ VR và PM động cơ bước lai có góc bước nhỏ hơn so với động cơ nam châm vĩnh cửu, nhưng chúng rất đắt tiền 14 Động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ lai và được phổ biến hơn so với biến hơn hơn so với động cơ bước biến từ trở, và quá trình thiết... cho phép rotor bước các góc bước trung gian Các cuộn dây động cơ sẽ cần một tụ được nối trong ứng dụng này Vi bước một bước công nghệ động cơ tương đối mới điều khiển dòng điện trong cuộn dây động cơ Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước như sau: Hình 2.16: Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước Ưu điểm sử dụng kỹ thuật vi bước như sau: 1.Chuyển động ở tốc độ thấp 2 Tăng độ phân giải bước định vị như... tính là: T là mô men xoắn I0 là quán tính tải 1b-In2 Π = 3.1316 Ф là góc bước ở bên trong Ѡ là tốc độ bước các bước trên giây t là thời gian 3 Nguyên lí cơ bản điều khiển động cơ bước, mạch điều chỉnh động cơ bước 20 3.1 Sơ đồ điều khiển động cơ bước bipolar 3.1.1 Cấu trúc động cơ bước bipolar Hình 2.2: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước bipolar Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1-2, và 3-4 được... các vị trí cần thiết Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ công suất nhỏ và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự và tần số của xung chuyển đổi Một hệ thống điều khiển động cơ bước bao gồm các yếu tố cơ bản như trong hình vẽ sau: Hình1.1: Sơ đồ khối điều khiển động cơ bước Bộ vi xử lý tạo ra xung, mạch điều... số và được sử dụng cho hệ thống ngẫu nhiên (đo lường và mẫu nhiễu xét) thường được ưa tiên trong lĩnh vực ứng dụng điều khiển động cơ 3 Bộ lọc Kalman 3.1 Giới thiệu 33 Kalman đã viết bài báo nổi tiếng của ông mô tả một giải pháp đệ quy để các vấn đề dữ liệu rời rạc lọc tuyến tính Kể từ đó, do những tiến bộ lớn trong kỹ thuật số máy tính, bộ lọc Kalman đã là chủ đề của nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi . NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ BƯỚC Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 Học viên: Trần Văn Hà Giáo viên. bộ lọc Kalman và sử dụng động cơ bước Trong chương này đề cập đến bộ lọc Kalman ứng dụng các thuật toán của bộ lọc Kalman trong việc điều chỉnh vị trí của động cơ bước. Lựa chọn động cơ bước. TS Cao Xuân Tuyển Thái nguyên, năm 2012 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG