Sử dụng bộ lọc Kalman nâng cao chất lượng động cơ bước

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 khiển nhận c

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

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 rotor và có khả năng cố định rotor vào 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 khiển nhận các xung tạo ra công xuất cần thiết cho các cuộn dây của 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)

Một động cơ bước hoạt động trên hiệu ứng tương tác giữa rotor là một nam châm vĩnh

cửu và từ trường tạo ra từ các cuộn dây stator Hình vẽ sau cho thấy một sơ đồ điển hình động cơ bước nam châm vĩnh cửu Rotor là các nam châm vĩnh cửu còn startor là các cuộn dây, rotor sẽ chuyển động khi cuộn dây của startor nhận được xung điện nó sẽ sinh

ra từ trường để tương tác với từ trường của rotor và làm cho rotor quay

Hình 1.2: Sơ đồ động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu

Các tính năng chính của động cơ nam châm vĩnh cửu là rotor sử dụng nam châm vĩnh cửu không có tiếp xúc trực tiếp Hạn chế của loại động cơ này là nó có mô-men xoắn tương đối thấp được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ thấp Khi không cung cấp dòng điện cho các cuộn dây , hoặc cung cấp một năng lượng nhỏ, lực từ tính được hình thành giữa rotor và stator lực từ này tạo ra mô-men xoắn dư

1.4 Động cơ biến từ trở (Variable Reluctance)

Động cơ biến từ trở (VR) cốt lõi của nó về cơ bản khác với PM ở chỗ nó rotor không dùng nam châm vĩnh cửu và do đó không có mô-men xoắn còn lại để giữ rotor ở một vị trí khi tắt Điều này có nghĩa là cường độ trường có thể được thay đổi, cấu trúc lõi cảm ứng từ các ngăn của stator là các lá thép mỏng Rotor được chế tạo từ các vật liệu từ mềm có các răng và khe Khi cuộn dây stator được cung cấp dòng điện các răng của rotor xếp thẳng hàng với các điểm cực của stator, khi stator không được cấp năng lượng không có cảm ứng từ hình thành trong kho ảng không giữa stator và rotor vì vậy không có mô men xoắn dư

giữa chúng Vì vậy mỗi khi stator được cấp năng lượng thì rotor sẽ chuyển đến vị trí mới

Hình 1.3: Mặt cắt ngang của động cơ bước biến từ trở

Các động cơ được thể hiện trong hình trên rotor có bốn răng chúng cách nhau 90 độ và startor có 6 cực Vì vậy, khi các cuộn dây được cung xung thì 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 nam châm vĩnh cửu, và rotor là hình trụ và từ

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 kế mạch điều khiển có thể dễ dàng điều

khiển cả hai loại động cơ

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 của rotor của động cơ di chuyển chỉ số độ bằng số lượng xung được cung cấp Chúng ta có thể kiểm soát các xung được số lượng xung cung cấp như vậy sẽ kiểm soát được về vị trí và tốc độ Rotor của động cơ sinh ra mô-men xoắn từ sự tương tác từ trường giữa stator và rotor Công xuất của từ trường là tỷ lệ thuận với số lượng xung cung cấp cho stator và số vòng trong cuộn dây , làm cho trục động cơ biến đổi một chính xác Giống như hai cực của một nam châm cùng cực đẩy nhau và khác cực thì hút nhau

Hình 1.5: Mặt cắt ngang của rotor và stator

Hình trên cho thấy mặt cắt ngang điển hình của rotor và stator của một động cơ bước Từ

sơ đồ này, chúng ta có thể thấy stator đó có bốn cực, và rotor có 6 cực Vì vậy rotor cần được cung cấp 12 xung điện để di chuyển 12 bước để hoàn thành một vòng Nói một cách khác để nói điều này là rotor sẽ di chuyển chính xác 30 độ cho mỗi xung của động cơ điện nhận được Khi không được cung cấp xung cho động cơ, từ tính còn lại trong các nam

châm rotor sẽ chốt chặt hoặc sắp xếp thiết lập các cực từ của rotor nó với các cực từ của một trong những nam châm stator Điều này có nghĩa là rotor sẽ có 12 vị trí có thể bị chố t chặn Khi rotor trong chố t chặt vị trí, nó sẽ duy trì lực từ trường để giữ cho trục di chuyển tiếp đến vị trí tiếp theo Khi xung điện được cung cấp , nó tạo ra một từ trường trong cuộn dây của stator, khi đó cuộn dây trở thành một nam châm Một trong các cuộn dây cho các cặp trở thành cực bắc, và cuộn dây khác sẽ trở thành cực nam Khi điều này xảy ra, cuộn dây stator là cực bắc sẽ thu hút răng gần nhất rotor có tính phân cực ngược lại,

và cuộn dây stator là cực Nam sẽ thu hút răng gần nhất rotor rằng có phân cực đối diện Khi dòng chảy thông qua các cực, rotor sẽ có một điểm thu hút mạnh hơn vào các cuộn dây stator, và mô-men xoắn tăng được gọi là moment xoắn giữ Bằng cách thay đổi dòng chảy để các cuộn dây stator tiếp theo, từ trường sẽ có thay đổi 90 ° Rotor sẽ chỉ di chuyển

30 ° trước khi từ trường của nó một lần nữa sẽ sắp xếp với sự thay đổi trong cuộn dây stator Từ trường trong stator được liên tục thay đổi làm cho rotor di chuyển thông qua 12 bước để góc di chuyển tổng cộng là 360 ° Trong hình trên, chúng ta có thể thấy rằng khi cung cấp cho các cuộn dây stator trên và dưới, các cuộn dây này sẽ trở thành một nam châm với phần đầu của cuộn dây là cực bắc, và phần dưới cùng của cuộn dây là cực nam

Kết thúc sự đối diện cực rotor, mà là cực bắc, sẽ sắp xếp với cực nam của stator Một đường thẳng được đặt trên mảnh cực nam nằm ở vị trí 12 giờ Trong hình a để có thể theo dõi chuyển động của nó như dòng điện được chuyển từ một cuộn dây stator tiếp theo Trong hình b dòng điện các cuộn dây trên và dưới đã được tắt, và dòng điện được cung cấp cho các cuộn dây stator ở bên phải và bên trái của động cơ Cuộn dây phía bên phải là cực bắc cuộn dây trái là cực nam Trong điều kiện này, cực rotor dịch chuyển đến v ị trí tiếp theo sẽ có thể phù hợp với từ trường do stator tạo ra

Trong hình c, chúngta có thể thấy rằngcác cuộn dây stator trên và dưới được cung cấpnăng lượng một lần nữa, nhưng này thời gian đầu cuộn dây là cực nam của từ trường vàphía dưới cuộn dây là cực bắc Sự thay đổi trong từ trường sẽ làm cho rotor một lần nữa

di chuyển một góc 30 °

Trong hình d chúng ta có thể thấy rằng hai bên cuộn dây stator được một lần nữa được cung cấp năng lượng, sự thay đổi này cực sẽ làm cho rotor di chuyển góc 300

trong chiều kim đồng hồ Chúng ta sẽ nhận thấy rằng các rotor đã di chuyển bốn bước mỗi góc bước 30 °, như vậy rotor đã di chuyển tổng cộng 120 ° so với vị trí ban đầu của nó

2.2 Ứng dụng động cơ bước

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa chúng được ứng dụng

trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự

trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển 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

Chương II: Mô hình toán học động cơ bước và điều khiển động cơ bước

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

Khi các cuộn dây được cung cấp xung nó tạo ra hai cực từ ở trong stator Ví dụ như trên hình vẽ cuộn dây 3 sinh ra từ trường là cực bắc và cuộn dây 4 cực nam từ trường này đẩy rotor chuyển động một góc 900 khi cuộn 1 và 4 được cung cấp xung cuộn 2 là cực bắc , cuộn 1 là cực nam làm cho rotor chuyển động một góc tiếp theo là 900

như vậy rotor ở một

vị trí ổn định với từng vị trí chỉ có pha 2 cung cấp Ngoài ra từ trường do các cuộn dây stator sinh ra ngược chiều so với từ trường của rotor

S=NP

S số bước đủ của rotor

N là số cực rotor

P là số pha stator

Góc bước (radian) trên mỗi bước được cho bởi:

Mô-men xoắn của động cơ TMJ có thể được viết là:

Km là hệ số không đổi của động cơ

θ (t) là vị trí thực tế rotor

Phương trình chung giữa VJ (t) và Ij(t) được cho bởi:

Trường hợp, emfj là sức điện động cảm ứng trong pha j

R là điện trở của các cuộn dây

L là điện cảm của cuộn dây

Tuy nhiên, emfj trong mỗi cuộn dây có thể được thể hiện như sau:

ω là vận tốc quay của rotor

Mô-men xoắn tổng số tạo ra bởi các bước được đưa ra như sau:

(1)

Sử dụng phương trình trên và xem xét các phương trình chuyển động của một động cơ bước

(2)

J là quán tính của rotor và tải

Tl là ma sát mô-men xoắn / tải mô-men xoắn

B là ma sát

Vận tốc góc được cho bởi

(3)

Ba phương trình 1,2,3 là cơ sở cho việc mô tả mô hình của một động cơ bước PM Do đó

có 2 vị trí chuyển động cơ PM với Nr là số răng của rotor và hai vị trí (jφ) ở mức 0 và (π / 2) các phương trình sau sẽ là cơ sở

% vận tốc góc

2.Tiêu chí lựa chọn động cơ bước và tính các thông số

2.1 Tiêu chí lựa chọn động cơ bước

Khi được chọn một động cơ bước, căn cứ vào các yếu tố sau:

- Tốc độ hoạt động các bước / giây

- Mô-men xoắn trong

- Tải quán tính trong

- Yêu cầu của góc bước

- Thời gian tăng tốc

- Thời gian để giảm tốc

- Loại điều khiển được sử dụng

Xem xét kích thước và trọng lượng

Quán tính của tải (I= mô men tải (1b-In2 ))

cho một phiến tròn mỏng

hình trụ rỗng

W là trọng lượng tính bằng pounds

r bán kính hình trụ

r1 bán kính bên trong của hình trụ rỗng

r2 bán kính bên ngoài của hình trụ rỗng

2.2.2 Tải

Công thức cho quán tính tương đương để vượt qua ma sát trong hệ thống và men xoắn đủ để bắt đầu hoặc ngừng tất cả các tải quán tính như sau:

T là mô men xoắn

I là mô men tải (1b-In2 )

α là gia tốc góc trong rad/S2

1/24 là hệ số biến đổi để chuyển đổi đơn vị lực hút

2.2.3 Ma sát tăng tốc và ma sát quay

Công thức tính mô-men xoắn cần thiết để luân phiên tăng tốc tải quán tính là:

T là mô men xoắn

2

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

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 nối vào hai cặp cầu khác nhau còn các đầu A nối với C, B nối với D được nối tại phía trong của động cơ Hoặc mạch ở bên ngoài

Hình 2.3 Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar Các transistor từ Q1- Q4 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy qua cuộn dây 1 Khi có tín hiệu điều khiển từ A1 và C1 Q1vaf Q4 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q1 qua cuộn dây rồi qua Q4 về đất Khi có tín hiệu điều khiển từ B1 và D1, Q2 và Q3 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q3 qua cuộn dây rồi qua Q2 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo hướng ngược lại

Các transistor từ Q5- Q8 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy qua cuộn dây của động cơ Khi có tín hiệu điều khiển từ A2 và C2 thì Q5 và Q8 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q5 qua cuộn dây rồi qua Q8 về đất Khi có tín hiệu điều khiển từ B2 và D2, Q6 và Q7 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q7 qua cuộn dây rồi qua Q6 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo hướng ngược lại Như vậy căn cứ vào dạng xung từ mạch điều khiển đưa vào

đầu vào của các mạch cầu dòng qua các cuộn dây sẽ thay đổi phù hợp với các chế độ cho động cơ bước

3.1.3 Nguyên lí điều khiển động cơ bipolar

Hình 2.4: Nguyên lí điều khiển động cơ

Từ trên hình vẽ chúng ta thấy rằng khi các chuyển mạch A-D đóng dòng điện chạy từ

nguồn qua A rồi qua cuộn dây qua D về đất còn khi các chuyển mạch B-C đóng dòng điện chạy từ nguồn qua C rồi qua cuộn dây qua B về đất, ở mạch trên hình vẽ chỉ sử dụng hai đường tín hiệu điều khiển vì vậy cần dùng thêm hai mach đảo để tín hiệu điều khiển vào

các chuyển mạch A-D và B-C là có pha luôn ngược nhau

3.1.4 Chế độ bước đủ một pha được cấp xung (một pha ON)

Hình 2.5: Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung

Nhìn trên hình vẽ chúng ta nhận thấy rằng khi pha A được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn C Tiếp theo khi pha C được

900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn Như vậy qua một vòng bốn bước vị trí của rotor quay lại vị trí ban đầu ( cách dịch chuyển như vậy người ta gọi là một pha ON)

+ Giản đồ xung để điều khiển các cuộn dây như sau:

Hình 2.6 : Dạng xung trong các cuộn dây

+ Sơ đồ mô tả dòng điện chạy trong các cuộn dây

Hình 2.7: Chiều dòng điện trong các cuộn dây

3.1.5 Chế độ bước đủ khi cả hai pha được cung cấp xung

+ Hình vẽ mô tả chế độ bước đủ khi cả hai pha được cung cấp xung:( hai pha ON)

+ Nguyên lí bước tại bước 1 khi cả hai pha A được cung cấp xung rotor sẽ chuyển động một góc 900 và nó bị khóa chặt vào khoảng không giữa pha A và B Tiếp theo cả hai pha B được cung cấp xung rotor sẽ chuyển động một góc 900

và nó bị khóa chặt vào khoảng không giữa pha A và B Tuần tự như vậy qua bốn bước rotor quay lại về vị trí ban đầu ( cách dịch chuyển như vậy người ta gọi là hai pha ON)

Hình 2.8 : Chế độ bước đủ 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

+ Loại động cơ bước có năm đầu ra

Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1,2, và 3, 4 được nối vào các transistor khác nhau còn các đầu A , C, B , D được nối với nguồn cung cấp cho động cơ bước Các đầu này có thể nối tại phía trong của động cơ hoặc nối với nhau tại mạch ngoài

+ Cấu trúc động cơ bước unipolar có sáu đầu dây ra

Hình 2.10: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar

Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1,2, và 3, 4 được nối vào các transistor khác nhau còn các đầu A nối với C ( đầu số 3), còn B nối với D ( đầu số 6) được nối với nguồn cung cấp cho động cơ bước Các đầu này có thể nối tại phía trong của động cơ hoặc nối với nhau tại mạch ngoài

3.2.2 Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ unipolar:

Hình 2.11: Nguyên lí điều khiển động cơ bước unipolar

Sơ đồ trên dùng hai chuyển mạch để điều khiển dòng điện qua các cuộn dây của mô tơ

bước khi chuyển mạch phía bên trái đóng dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây O-A về điểm đất

Khi chuyển mạch phía bên phải đóng dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây O-C về điểm đất , như vậy từ nguyên lí trên các chuyển mạch được cung cấp xung dòng điện chỉ chạy theo một chiều nhất định đây chính là dặc điểm riêng của động cơ bước unbipolar

3.3 Chế độ nửa bước

+ Nguyên lí chuyển đổi nửa bước

Nhìn trên sơ đồ chúng ta nhận thấy rằng khi pha A-B được cung cấp xung còn pha C-D không được cung cấp xung góc bước của rotor là 450 Tiếp theo pha A-B được cung cấp xung còn pha C-D cũng được cung cấp xung góc bước thứ hai của rotor cũng là là 450 Khi pha A-B không được cung cấp xung còn pha C-D được cung cấp xung góc bước của rotor

là 450

Hình 2.12: Chuyển mạch của rotor ở chế độ nửa bước

nhưng xung đưa vào pha C- D đổi cực tính góc bước của rotor lại bước tiếp một góc

450Cứ tuần tự như vậy sau tám bước rotor sẽ dịch chuyển hết một vòng

+ Bảng thống kê về góc bước, dấu của dòng điện tại các pha:

+ Giản đồ xung cho chế độ nửa bước như sau:

Hình 2.13: Giản đồ dạng xung ở chế độ nửa bước

3.2.3 Sơ đồ mạch động lực dùng unipolar

Hình 2.14: Sơ đồ mạch động lực dùng unbipolar Các transistor từ Q là các khóa đóng mở khi nhận xung từ mạch diều khiển gửi đến để tạo dòng điện chạy qua cuộn dây riêng Khi có tín hiệu điều khiển từ A, C, B ,D , các

transistor Q lần lượt dẫn điện dòng chạy từ nguồn qua qua cuộn dây rồi qua transitor về đất trong trường hợp này dòng chạy theo hướng nhất định khác với mach bipolar

Như vậy tùy vào dạng xung từ mạch điều khiển đưa vào đầu vào A,B,C,D các transistor đẫn điện dòng qua các cuộn dây phù hợp với các chế độ cho động cơ bước Các đi ốt mắc

từ cực D của transitor trường nhằm bảo vệ các transistror khi từ trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái tắt vì có xung ngược xuất hiện trên cuộn dây của động cơ khi các transistror khi

từ trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái tắt làm chập giữa cực D và S của transistor

3.3 Chế độ vi bước :

Sơ đồ cấu trúc điều khiển chế độ vi bước

Θcon góc quay đặt trước

Ip là giá trị đặt của dòng điện đỉnh thông qua giá trị này điều chỉnh tố độ động cơ

Va* l giá trị điện áp đưa vào động cơ

2 phase PMW là mạch tạo thay đổi độ rộng xung

Dual H- Bridge converter là cầu kép để chuyển đổi các xung đưa vào động cơ có thể dùng mạch có dạng sau:

Bước đủ và nửa bước trong hoạt động di chuyển động cơ bước có xu hướng hơi giật Số bước di chuyển cũng được giới hạn bởi số lượng cực mà các rotor có thể có Số lượng bước có thể được tăng lên bằng cách sử dụng bộ điều khiển đưa xung tới động cơ trong quá trình từng bước Ngoài ra để giảm các vấn đề cộng hưởng bằng cách sử dụng với một

tốc độ bước thấp người ta đưa tín hiệu điều khiển bằng tín hiệu trông giống như một sóng sin

19

Hình 2.15: Pha của dòng điện trong chế độ vi bước

Hình vẽ trên cho thấy rằng dòng điện chạy trong hai cuộn dây tính luôn là lệch pha với nhau Thực tế rằng dòng điện ở pha riêng tăng hoặc giảm tín hiệu hình sin và cô sin 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 là kết quả của góc bước nhỏ hơn

3 Mômen xoắn cực đại ở cả hai mức bước thấp và cao

Những hạn chế của kỹ thuật vi bước như sau:

Hình 2.17: Sơ đồ khối mạch hở tốc độ và dòng điện

- Mô tơ nhận xung từ mạch điều khiển làm cho rotor quay

Trong sơ đồ trên không có hồi tiếp về tốc độ và dòng điện nên mạch được gọi là hở tốc độ

và dòng điện

4.2 Mạch kín đối với tốc độ và hở dòng điện

Hình 2.18 Sơ đồ khối mạch kín đối với tốc độ và hở dòng điện

+ Giải thích chức năng các khối

M

Dr iv

er

M

T

Mạch cộng

Hình 2.19 : Sơ đồ khối mạch kín dòng điện và hở

Chức năng các khối các khối có tên tương tự như trong sơ đồ hình vẽ trước Trong sơ đồ này có thêm bộ lọc Kalman lấy dòng điện, điện áp tại các cuộn dây của mô tơ bước qua thuật toán của bộ đưa đến mạch cộng để tiến hành so sánh với tốc độ đặt trước tạo ra sai số , sai số này đưa đến mạch PWM sẽ làm cho góc bước của mô tơ chính xác

4.4 Mạch kín tốc độ và dòng điện

+

PID Tốc độ

đặt

Bộ lọc

Kalman

Tạo xung kênh A

Tạo xung kênh B

C ộ n

g

1

C ộ n

Mạch điều khiển

Mô tơ bước

Ua,ia

, ib

Ub

Bộ lọc

Kalman

Hình 2.20 Sơ đồ khối mạch kín tốc độ và dòng điện

- Chức năng các khối như sau:

- Mô tơ nhận xung từ mạch điều khiển làm cho rotor quay

- bộ lọc Kalman lấy dòng điện, điện áp tại các cuộn dây của mô tơ bước qua thuật toán của bộ đưa đến mạch cộng để tiến hành so sánh với tốc độ đặt trước tạo ra sai số , sai số này đưa đến mạch PWM sẽ làm cho góc bước của mô tơ chín xác

- PDI là mạch tích phân tỉ lệ tích phân giữa hai tần số dấu của điện áp ra

Chương III: Ứng dụng bộ lọc Kalman và sử dụng động cơ

bước

1 Giới thiệu

Bộ lọc Kalman (KF) là một phương thức để tính toán có độ tin cậy của hệ thống được đại diện bởi Gaussians Trong chương này, sẽ khảo sát quá trình làm việc KF như thế nào và làm thế nào sử dụng Gaussian để khảo sát độ tin cậy của hệ thống

2 Thông tin chung

Tất cả các trạng thái không sử dụng thông tin hồi tiếp trong nhiều trường hợp và một nhu

cầu để dự tính biến không có trạng thái để thực hiện điều khiển thông tin phản hồi trạng thái Dự tính biến trạng thái vô hạn thường được gọi là nhận xét Một thiết bị (hoặc một máy tính chương trình) dự tính hay nhận xét các trạng thái được gọi là một trạng thái nhận xét hoặc đơn giản chỉ là một nhận xét Nếu nhận xét trạng thái nhận xét tất cả các biến trạng thái của hệ thống, bất kể cho dù một số biến trạng thái là có sẵn để đo trực tiếp, nó được gọi là trạng thái đầy đủ để nhận xét Một nhận xét dự tính ít hơn so với kích thước của vector- trạng thái được gọi là giảm để nhận xét trạng thái hoặc đơn giản là nhận xét theo thứ tự nhận xét Nếu thứ tự của các nhận xét trạng thái giảm để có thể tối thiểu, nhận xét được gọi là tối thiểu để nhận xét trạng thái Về cơ bản, có hai hình thức của việc thực hiện các dự tính: vòng lặp mở và vòng lặp đóng Sự khác biệt giữa hai là một thuật ngữ hiệu chỉnh, liên quan đến các lỗi dự toán, được sử dụng để điều chỉnh đáp ứng của các dự tính Một dự toán khép kín được gọi là một trạng thái Ước lượng vòng lặp mở, đặc biệt là ở tốc độ thấp, độ lệch tham số có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cả hai đĩa ở trạng thái ổn định và quá trình quá độ Tuy nhiên, nó có thể cải thiện mạnh mẽ chống lại không phù hợp thông số và tín hiệu tiếng ồn bằng cách sử dụng nhận xét vòng khép kín Một nhận xét có thể được phân loại theo các loại đại diện được sử dụng với dây chuyền được nhận xét thấy Nếu dây chuyền là xác định, sau đó nhận xét là một nhận xét xác định;

nếu không nó là một nhận xét ngẫu nhiên Các nhận xét được sử dụng phổ biến nhất là loại

Luenberger và Kalman Nhận xét Luenberger (LO) là loại xác định, và bộ lọc Kalman (KF) là loại ngẫu nhiên Bộ lọc Kalman cơ bản là chỉ áp dụng cho các hệ thống ngẫu nhiên tuyến tính, và hệ thống không tuyến tính sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) cung cấp các dự tính của các trạng thái của một hệ thống và các thông số EKF là một bộ lọc đệ quy (dựa trên kiến thức của các số liệu thống kê của trạng thái và đo lường nhiễu), áp dụng cho thời gian phi tuyến tính hệ thống ngẫu nhiên khác nhau Các nhận xét Luenberger cơ bản là áp dụng cho các hệ thống tuyến tính, thời gian xác định và bất biến Luenberger mở rộng (ELO) là áp dụng cho hệ thống phi tuyến tính Tóm lại, EKF và ELO là phi tuyến tính ước lượng và EKF là áp dụng hệ thống ngẫu nhiên và ELO được áp dụng cho các hệ thống xác định Các thuật toán đơn giản và dễ dàng điều chỉnh của các ELO có thể đưa ra một vài ưu điểm so với EKF thông thường Tuy nhiên, EKF là không nhạy cảm với những thay đổi tham 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

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 Về mặt lý thuyết, KF là một ước lượng cho những gì được gọi là tuyến tínhbậc hai Gaussian , đây là vấn đề đánh giá trạng thái tức thời của một hệ thống tuyến tính từ một phép đo tuyến tính liên quan đến trạng thái, nhưng bị lỗibởi nhiễu ồn trắng Gaussian Dự đoán kết quả là tối ưu tĩnh đối với bất kỳ chức năng bậc hai của lỗi dự toán Từ quan điểm điểm toán học, KF là một tập hợp cácphương trình cung cấp một giải pháp hiệu quả tính toán đệ quy của phương pháp bình phương ít nhất Bộ lọc này có ứng dụng quan trọng trong một vài khía cạnh Nó cung cấp dự tính trạng thái trong quá khứ, hiện tại và tương lai Điều này đạt được ngay cả khi các đặc điểm chính xác của mô hình hệ thống chưa được biết Nó là một phần của nền tảng của chuyên ngành khác - lý thuyết điều khiển hiện đại

KF là một thủ thuật cực kỳ hiệu quả và linh hoạt trong việc kết hợp các kết quả nhiễu ở đầu ra của cảm biến để ước lượng trạng thái của hệ thống với động thái không chắc chắn , khi áp dụng cho một hệ thống vật lý, hoặc bộ lọc sẽ chịu ảnh hưởng của hai nguồn nhiễu

1.Quá trình nhiễu- ví dụ, nhiễu nhiệt trong một điện trở, mà nó là một phần của hệ thống

2 Đo nhiễu- ví dụ, lượng tử nhiễu

- Trạng thái dự tính bằng phương pháp ngoại suy

- Dự tính hiệp phương sai bằng phương pháp ngoại suy

- Bộ lọc được tính toán

- Cập nhật trạng thái dự tính

- Cập nhật hiệp phương sai dự tính

Chúng tôi sử dụng KF để đánh giá trạng thái X(k) ϶ Rn của một hệ thống rời rạc kiểm soát thời gian Hệ thống này được mô tả bởi một phương trình sai phân tuyến tính ngẫu

Ma trận A (n*n) trong các phương trình khác nhau (3.1) là ma trận chính có liên quan thỏa mãn ở bước k thay thế tại bước k + 1 Ma trận B ( nx1) xác lập giữa đầu vào u trạng thái

x Ma trận C trong phương trình đo lường (3.2) xác lập giữa trạng thái đo lường z (k) Khi hiệp phương sai sai số đo R (k) gần bằng không, trọng số bởi K (k) cho phép đo thực

tế z (k) được " đáng tin cậy " nhiều và nhiều hơn, trong khi đo lường dự đoán

được tin cậy ít hơn và ít hơn.Mặt khác, z đo thực tế (k) được tin cậy ít hơn và ít hơn là một

dự toán tiên lỗi hiệp phương sai P (k) phương pháp tiếp cận không, và dự đoán đo lường

được tin cậy hơn và nhiều hơn nữa Thuật toán Kalman bộ lọc có thể được xem như là một hình thức dự toán thông tin phản hồi.Các thiết lập của phương trình lọc Kalman

có thể được tách ra hai nhóm

1 Các phương trình cập nhật thời gian

2 Phương trình đo cập nhật

Các phương trình cập nhật thời gian dự báo trạng thái hiện tại và lỗi ước tính các hiệp phương sai trong thời gian để có được một ước tính ưu tiên cho các bước thời gian tiếp theo Các phương trình cập nhật đo lường xử lý các thông tin phản hồi Nói cách khác, nó kết hợp một phép đo mới vào và dự toán tiên nghiệm để có được một sửa chữa dự toánsau Do đó, các phương trình cập nhật thời gian là phương trình tiên đoán, và các phương trình cập nhật đo lường là phương trình hiệu chỉnh Như vậy, các bộ lọc Kalman là một thuật toán dự đoán hiệu chỉnh để cung cấp một giải pháp đệ quy để hệ thống rời rạc thời gian tuyến tính, như hình 3.1

Hình 3.1 Chu trình bộ lọc Kalman

Các phương trình cập nhật thời gian và đo lường được trình bày dưới đây:

phương trình cập nhật thời gian

3.5 3.6

phương trình đo cập nhật:

3.7

3.8 3.9

Phương trình cập nhật thời gian dự đoán trạng thái và hiệp phương sai từ bước thời gian k đến bước k +1 Để tính toán Kalman đạt K (k) là công việc đầu tiên trong phương trình đo cập nhật Sau đó, z (k) thu được bằng cách đo lường thực tế của hệ thống kết hợp các phép đo thực tế và là một trong những ước tính trong phương trình (3.7), chúng tôi tạo ra một dự toán tính sau Bước cuối cùng là tính toán một lỗi hiệp phương sai sau Đây là hoạt động đệ quy của KF Sau khi cặp cập nhật từng thời gian và đo lường, các thuật toán đệ quy được lặp đi lặp lại với trước đó một ước tính sau để dự đoán một ước tính mới Tính chất đệ quy này là lợi thế lớn nhất của

KF Điều này làm cho việc thực hiện thực tế của bộ lọc Kalman dễ dàng hơn nhiều

và khả thi sau đó thực hiện của các bộ lọc Wiener, bởi vì các bộ lọc Weiner có được ước tính bằng cách sử dụng tất cả các dữ liệu trực tiếp Ngược lại, các bộ lọc

Kalman chỉ sử dụng các dữ liệu ngay lập tức trước đó để dự đoán trạng thái hiện tại Thuật toán lọc Kalman tiêu chuẩn được thể hiện trong hình 3.2

Hình 3.2: Thuật toán bộ lọc Kalman tiêu chuẩn

3.2 Tiêu chuẩn thuật toán bộ lọc Kalman

Một số giả thiết của bộ lọc Kalman thời gian rời rạc là:

1 Các trạng thái động là tuyến tính và thời gian bất biến

2 Các phương trình đo là tuyến tính và thời gian bất biến

3 Các số liệu thống kê nhiễu là tĩnh

Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể nhận được các giải pháp trạng thái ổn định của hệ thống ước tính trước khi chạy các thuật toán lọc Kalman Bây giờ sẽ chỉ ra cách để tìm

3.3 Điều chỉnh bộ lọc

Điều chỉnh nhiễu Q (k) và đo lường lỗi hiệp phương sai ma trận R (k) là cần thiết

để thực hiện tốt bộ lọc Kalman Thông thường, họ có thể đo lường gianh giới tách rời trước khi hoạt động của bộ lọc Đặc biệt hợp lý để đo ma trận hiệp phương sai lỗi R (k), bởi vì chúng ta sẽ có thể mất một số phép đo mẫu gianh giới tách rời để xác định phương sai của sai số đo Đây là giá trị ban đầu cần thiết cho các bộ lọc đo lường hoạt động của hệ thống Q (k) là thường rất khó để có được Ví dụ các nguồn nhiễu thường được sử dụng để đại diện cho những điều không chắc chắn của sự năng động hệ thống Một mẫu xấu có thể trở nên đáng tin cậy hơn bằng cách chọn Q(k) thích hợp Q(k) lớn có nghĩa là không chắc chắn được đưa vào các mô hình dự toán Hoạt động lọc tốt phụ thuộc vào sự lựa chọn thích hợp của R (k) và Q (k) Điều chỉnh thường được thực hiện bằng ngoại tuyến với sự giúp đỡ của các phương pháp thống kê

4 Bộ lọc Kalman mở rộng

Tiêu chuẩn KF thời gian rời rạc ước tính trạng thái x(k) єRn hệ thống rời rạc bởi một phương trình tuyến tính khác nhau Trong các ứng dụng thực tế, nhiều hệ thống động và cảm biến không hoàn toàn tuyến tính Do đó, bộ lọc Kalman tiêu chuẩn sẽ không phù hợp với đánh giá hệ thống Một bộ lọc Kalman mở rộng là phương pháp tối ưu giám sát trạng thái có thể được sử dụng cho việc lập trạng thái dự đoán và tham số của một hệ thống phi tuyến tính động trong thời gian thực bằng cách sử dụng theo dõi tín hiệu nhiễu Điều này giả định rằng nhiễu đo lường và nhiễu của hệ thống là không tương quan Các nguồn nhiễu có phép tính toán không chính xác của

đo lường và mô hình hóa Trong giai đoạn đầu tiên của các tính toán, các trạng thái được dự đoán bằng cách sử dụng một mô hình toán học (trong đó có dự tính trước đây) và trong giai đoạn thứ hai trạng thái dự đoán được liên tục sửa chữa bằng cách

sử dụng một chương trình chỉnh sửa bằng thông tin phản hồi Lược đồ này làm cho việc sử dụng các phép đo thực tế bằng cách thêm một thuật ngữ để các trạng thái dự đoán (mà là thu được trong giai đoạn đầu tiên) Thời hạn bổ sung có chứa các khác biệt trọng số của các tín hiệu đo lường và ước tính tín hiệu ra Dựa trên độ lệch từ giá trị ước tính, EKF cung cấp một giá trị đầu ra tối ưu ngay lập tức cho đầu vào tiếp theo Một hệ thống phi tuyến với trạng thái vector x (k) є Rn được đưa ra bởi

phương trình sai phân ngẫu nhiên phi tuyến

3.12

Với đo lường Z(k) є Rm

3.13

Ở đây, các biến ngẫu nhiên ξ (k) và η (k) là dự kiến và nhiễu đo lường, tương ứng

và được giả định là có và độc lập với nhau với các phân bố xác suất thông thường

Trong phương trình động, không tuyến tính chức năng f (.) Liên quan trạng thái tại bước thời gian k cho trạng thái tại bước thời gian k + 1 và bao gồm hàm u(k) và nhiễu ξ (k) bằng không Để đánh giá một quá trình phi tuyến tính khác biệt và mối quan hệ đo lường, chúng ta bắt đầu bằng cách viết phương trình mới một ước tính

về (3.12) và (3.13)

3.14 3.15

ở đây

x (k +1) và z (k) là trạng thái thực tế và trạng thái đo lường

và các vectơ gần đúng và vectơ đo lường

là một ước tính phía sau của trạng thái tại k bước

các biến ngẫu nhiên w (k) và v (k) đại diện cho quá trình và nhiễu đo lườngA là ma trận Jacobian của các dẫn xuất một phần của f (.) Đối với x

W là ma trận Jacobian của các dẫn xuất một phần của f (.) Liên quan đến w,

H là ma trận Jacobian của các dẫn xuất một phần của h (.) Đối với x,

Thời gian cập nhật phương trình:

3.20

3.21 Cập nhật các phương trình phép đo:

3.22

3.23 3.24

Cơ bản với bộ lọc Kalman rời rạc , các phương trình thời gian cập nhật dự báo trạng thái

và hiệp phương sai ước tính từ bước thời gian k đến bước k + 1 Cập nhật các phương trình

đo lường đúng các ước tính hiệp phương sai với đo lường V là đo đạc Jacobians tại bước

k, và nhiễu đo lường hiệp phương sai ở bước k Các hoạt động cơ bản của EKF của là tương tự như bộ lọc Kalman rời rạc tuyến tính như trong hình 4.2.Hình 4.3 dưới đây cung cấp một cái nhìn hoàn chỉnh của các phép tính của EKF, kết hợp các biểu đồ mức cao

Hình 3.3: Thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng

Các thuật toán EKF thực tế sử dụng cho hệ phi tuyến động và xây dựng ước tính, và tính toán sai lỗi của các ma trận hiệp phương được dựa trên ma trận Jacobian liên tục được dựa trên dự toán trạng thái mới nhất Phương pháp Jacobians A (k) và đo lường Jacobians H (k) là thời gian khác nhau ma trận dựa trên ước tính trạng thái mới nhất là một ước tính ưu

tiên lỗi hiệp phương sai P (k), là là một ước tính lại lỗi hiệp phương sai P(k) và đạt được

Kalman K (k) ma trận thời gian khác nhau dựa trên ước tính trạng thái mới nhất và nó đang tính toán trực tuyến Việc tăng tính toán của các bộ lọc Kalman mở rộng hơn các bộ lọc Kalman tuyến tính EKF có tính toán phức tạp hơn vì việc tính toán ma trận trực tuyến

5 Mẫu động cơ cho bộ lọc Kalman thời gian rời rạc mở rộng

Trong việc điều khiển máy AC-DC điều khiển đầu dò tốc độ cao như máy phát điện, hoặc các bộ mã hóa kỹ thuật số được sử dụng để có được thông tin tốc độ Sử dụng các cảm biến tốc độ có một số nhược điểm

- Thường chúng đắt tiền

- Các cảm biến tốc độ và các dây dẫn tương ứng sẽ mất không gian

- Trong môi trường bị lỗi, cảm biến tốc độ làm giảm độ tin cậy của hệ thống

Các cảm biến dẫn đến là làm giảm độ tin cậy của hệ thống và làm giảm lợi thế của một

hệ thống điều chỉnh động cơ Điều này đã dẫn đến sử dụng các phương pháp điều khiển không dùng cảm biến Mặt khác, tránh các cảm biến có nghĩa là sử dụng các thuật toán

bổ sung và các tính toán phức tạp gia tăng đòi hỏi phải có bộ vi xử lý tốc độ cao trong ứng dụng thời gian thực Ngày nay bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã trở thành rẻ hơn, và hiệu suất của nó lớn hơn, như một giải pháp nhằm tăng tính hiệu quả và giảm chi phí Một

số phương pháp hoàn toàn số hóa tương đối mới, được sử dụng đo tốc độ không dùng cảm biến trong lĩnh vực điều khiển Hệ thống kiểm soát vector truyền thống sử dụng các

phương pháp ước tính thông lượng và độ trượt dựa trên các phép đo của dòng điện pha

Sự khác biệt giữa hai vấn đề trên là một khái niện đúng, liên quan đến các lỗi tính toán, được sử dụng để điều chỉnh đáp ứng của các tính toán Một tính toán vòng khép kín được gọi là một nhận xét Sự nhận xét có thể được phân loại theo các loại đại diện được sử dụng

là nhận xét xác định và nhận xét ngẫu nhiên Các nhận xét Luenberger là loại xác định và các bộ lọc Kalman là loại ngẫu nhiên Bộ lọc Kalman là áp dụng cho các hệ thống ngẫu nhiên tuyến tính , và cho các hệ thống phi tuyến tính có thể được sử dụng các bộ lọc Kalman mở rộng, có thể cung cấp các ước tính của các trạng thái của một hệ thống hoặc của cả hai trạng thái và các thông số EKF là một bộ lọc đệ quy (dựa trên kiến thức của các số liệu thống kê của trạng thái và nhiễu tạo ra bởi hệ thống đo lường và mô hình hóa),

mà có thể được được áp dụng cho hệ thống phi tuyến tính ngẫu nhiên khác nhau Các nhận xét Luenberger cơ bản là áp dụng cho tuyến tính, hệ thống bất biến thời gian xác định Các nhận xét Luenberger mở rộng áp dụng hệ thống phi tuyến thời gian xác định khác nhau Tóm lại, có thể nhận thấy rằng cả hai EKF và ELO là ước lượng phi tuyến EKF là áp dụng cho các hệ thống ngẫu nhiên và ELO được áp dụng cho các hệ thống xác định Các thuật toán đơn giản và dễ dàng điều chỉnh của ELO có thể cung cấp cho một số ưu điểm hơn EKF Ở đây chọn sử dụng bộ lọc Kalman thời gian rời rạc mở rộng cho hệ thống không dùng cảm biến, việc ước tính tốc độ bằng cách sử dụng đo lường các trạng thái đo lường hiện tại Mô hình động cơ bước của Jacobians được mô tả như sau:

( Mẫu rời rạc của ma trận A)

Các phương trình cập nhật thời gian như sau:

Phương trình đo cập nhật như sau :

Sử dụng mô hình Jacobian ở trên đã đề cập để tìm cập nhật thời gian và phương trình đo lường cập nhật trong MATLAB Sử dụng mà chúng tôi đưa ra với giá trị trạng thái ổn định đạt được của Kalman mà chúng ta có thể sử dụng để mã cứng PIC16F877 để ước lượng các trạng thái

Chương IV: Thiết kế sơ đồ mạch phần cứng dùng vi điều khiển, viết

mã nguồn

1.Giới thiệu

Trong chương này, xây dựng cấu hình phần cứng thiết lập thử nghiệm và phần mềm, viết

mã nguồn Cấu hình phần cứng về cơ bản là sự kết hợp của một động cơ bước, dùng transistor lưỡng cực và transistor trường điều khiển động cơ và vi điều khiển (PIC16F877A) với một kết nối nối tiếp với PC thông qua một USART sử dụng một vi mạch Max 202 Các mô tả phần cứng bao gồm trước tiên mô tả transistor lưỡng cực và transistor trường điều khiển động cơ, tiếp theo chúng tôi mô tả các chip điều khiển PIC16F877A và các tính năng của nó, giao tiếp giữa PIC và PC thông qua một chip MAX-

202 để truyền dữ liệu, mạch khuếch đại thuật toán L193 nhận điện áp hồi tiếp từ các transistor công xuất đưa đến các đầu vào của PIC 16F877a, màn hình LCD để hiển thị các chế độ người sử dụng Mô tả sơ đồ phần cứng mạch hoàn thiện sẽ tiến hành xây dựng thuật toán phần mềm

2 Tổng quan Phần cứng

2.1 Động cơ bước

Các động cơ bước lai (HSM) nghiên cứu ở đây là một động cơ đồng bộ với hai pha.Nó có thể được đại diện bởi các mô hình tương tự như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) Mô hình của nó được cho bởi các hệ phương trình sau:

dia/dt=-(Ri/L)*ia+ Km/L* Ѡ*sin(N* θ) + ua/L

dib/dt=-(Ri/L)*ib+ Km/L* Ѡ*cos(N* θ) + ub/L

d Ѡ/dt=-Km/j*ia* sin(N* θ) +Km/j * ib * cos(N* θ) - Km/j * Ѡ –TL/j (1)

d θ /dt= Ѡ

- Ia , Ib là dòng điện qua cuộn a và b (A)

- R điện trở của cuộn dây pha (Ώ)

- L điện cảm của cuộn dây(H)

- Km là mô men không đổi(V.s/rad)

Các biến (ua,ub) và (ia,ib ) thay thế bằng (d, q) theo mẫu trục của rotor có thể thể hiện hệ phương trình trên theo dạng sau:

di/dt =-(R/L) +N Ѡ.iq +Ud/L

diq/dt =-(R/L) - N Ѡ.id –Km / Ѡ +Uq/L (3)

d Ѡ/dt = (Km / J).iq – (Kv /j).Ѡ – TL /j

d θ / dt = Ѡ

Trong hệ thống phi tuyến các mẫu giảm đi từ kết quả của hai phương trình đầu

Các hệ phương trình(3) trên theo mẫu chung sau đây:

x = f( x, u ) (4)

y =h( x)

Các thông số của động cơ được đưa ra trong bảng sau:

Động cơ bước lai Kí hiệu Tham số Đơn vị

Mô men xoắn J 2.02*10۸(-6) N-m-S^2/rad

2.2 Phần linh kiện động lực điều khiển động cơ

Hình 4.1: Mô tơ bước và các đi ốt bảo vệ Các đi ốt D1, D2, D3, D4 mắc song song với các cuộn dây dùng để khử điện áp ngược

- D3 mắc song song với cuộn dây 1-2 của mô tơ bước

- D4 mắc song song với cuộn dây 1-3 của mô tơ bước

- Mạch driver sử dụng linh kiện rời rạc để thay đổi xung chạy qua các cuộn dây sử dụng các cặp transitor NPN và PNP kết hợp với transistor trường trong đó tác dụng của các phần

tử như sau:

+ Q1, Q2, Q3 tạo dòng điện thay đổi qua cuộn dây mô tơ bước Q1 là bán dẫn NPN, Q3 là bán dẫn PNP, Q2 là transitor trường và chính là phần tử công xuất cho dòng điện chạy qua cuộn dây mô tơ bước

Hình 4.2 : Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước

+ R4 nhận xung từ port PD3 cung cấp chế độ cho Q1,Q2,Q3 động các điện trở R1, R2, R3,

R4 và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các transistor hoạt động

+ Q4 Q5, Q6 tạo dòng điện thay đổi qua cuộn dây mô tơ bước Q4 là bán dẫn oạt NPN Q6

là bán dẫn PNP, Q5 là transitor trường và chính là phần tử công xuất cho dòng điện chạy qua cuộn dây mô tơ bước

Hình 4.3 : Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước

- R6 nhận xung từ port PD2 cung cấp chế độ cho Q4,Q6,Q5 động các điện trở R7, R5, R8,

và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các transistor hoạt động

+ Q7, Q8, Q9 tạo dòng điện thay đổi qua cuộn dây mô tơ bước Q7 là bán dẫn NPN Q9 là bán dẫn PNP, Q8 là transitor trường và chính là phần tử công xuất cho dòng điện chạy qua cuộn dây mô tơ bước

- Các điện trở R7, R8 R 9, và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các transistor hoạt động

Hình 4.3 : Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước

+ R9 nhận xung từ port PD1 cung cấp chế độ cho Q7, Q8, Q9 động các điện trở R14, R15,

Hình 4.4 : Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước

+ Q10, Q11, Q12 tạo dòng điện thay đổi qua cuộn dây mô tơ bước Q10 là bán dẫn NPN Q12 là bán dẫn PNP, Q11 là transitor trường và chính là phần tử công xuất cho dòng điện chạy qua cuộn dây mô tơ bước

+ R14 nhận xung từ port PD0 cung cấp chế độ cho Q10,Q11,Q12 động các điện trở R13,

R15, R16, và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các transistor hoạt động

3 Vi điều khiển (PIC16F877A)

3.1 Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A

Hình 4.5: Sơ đồ chân của pic 16F 877A

Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý ở trên, ta rút ra các nhận xét ban đầu như sau :

- PIC16F877A có tất cả 40 chân

- PORT có 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND,

2 chân thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển

5 port của PIC16F877A bao gồm :

Trong kiến trúc phần cứng của PIC16F877A, người ta sử dụng thanh ghi TRISA ở địa chỉ 85H để điều khiển chức năng I/O trên Muốn xác lập các chân nào của PORTA là nhập (input) thì ta set bit tương ứng chân đó trong thanh ghi TRISA Ngược lại, muốn chân nào

là output thì ta clear bit tương các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào Analog của bộ ADC : thực hiện chức năng chuyển từ Analog sang Digital

- Ngõ vào điện thế so sánh

- Ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port)

PORTB

PORTB có 8 chân Cũng như PORTA, các chân PORTB cũng thực hiện được 2 chức năng : input và output Hai chức năng trên được điều khiển bới thanh ghi TRISB Khi muốn chân nào của PORTB là input thì ta set bit tương ứng trong thanh ghi TRISB, ngược lại muốn chân nào là output thì ta clear bit tương ứng trong TRISB

Thanh ghi TRISB còn được tích hợp bộ điện trở kéo lên có thể điều khiển được bằng chương trình

PORTC

PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên

Ngoài ra PORTC còn có các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng

- Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sử dụng trong điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ v.v…

- Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

PORTD

PORTD có 8 chân Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và output của PORTD tương tự như trên PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port)

PORTE

PORTE có 3 chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP

4 Vi mạch truyền thông nối tiếp (MAX202)

MAX202 thu phát được thiết kế cho RS-232 nguồn ± 10 V cung cấp không có sẵn Bo mạch chuyển đổi 5 V đầu vào thành ± 10 V cần thiết cho các mức độ đầu ra RS-232 MAX202 trình điều khiển và nhận đáp ứng tất cả các EIA/TIA-232E và CCITT V.28 chi tiết kỹ thuật tại một tốc độ dữ liệu 20 kbps chế độ tắt của MAX202 5 μW bảo tồn năng

lượng trong các hệ thống chạy bằng pin MAX202 kết nối PIC với máy PC thông qua một cổng nối tiếp như hình vẽ:

Hình 4.6: PIC để kết nối PC qua cổng truyền thông nối tiếp MAX202

Sơ đồ chân và sơ đồ mạch chi tiết bên ngoài của MAX202 được thể hiện trong hình sau:

T1IN 11 R1OUT 12

T2IN 10 R2OUT 9

C2-C1+

1

3

C8 100u

C9 100u

16 14