Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi”

Với đề tài đã cho, bản luận văn đã nghiên cứu, giải quyết tương đối hoàn chỉnh và hợp lý thể hiện về mặt lý thuyết đã nghiên cứu một cách tổng quan và ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến để nâng cao chất lượng điều khiển vị trí động cơ bước. Đây là một phương pháp tương đối phức tạp, nhưng trong thực tế đang được sử dụng khá phổ biến, với yêu cầu của đề tài nghiên cứu và nâng cao chất lượng điều khiển vị trí động cơ bước đã chọn phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến để nghiên cứu và ứng dụng. Với phương pháp này đã tiến hành xây dưng mô hình toán của động cơ bước và tổng hợp được một hệ điều khiển ổn định phục vụ cho hệ điều khiển chính xác động cơ bước, trên cơ sở chọn bộ điều khiển PID tuyến tính đã đánh giá sơ bộ chất lượng hệ thống, từ đó đã chọn phương pháp điều khiển hệ kín thích nghi để nâng cao chất lượng hệ điều khiển, đây là phương pháp điều khiển mới và ứng dụng hợp lý cho hệ truyền động này. Bên cạnh hoàn chỉnh lý thuyết luận văn đã tiến hành kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink để xác định sự ổn định vị trí của động cơ bước và kiểm định đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước. Từ kết quả tổng quát trên bản luận văn đã giải quyết và cho một số kết quả như sau: Phân tích được cấu tạo, nguyên lý làm việc, các phương pháp điều khiển và những ứng dụng của động cơ bước, từ đó đã chọn ra một loại động cơ bước để có thể điều chỉnh vị trí chính xác. Xây dựng, thiết kế được bộ điều khiển vị trí động cơ bước đã tổng hợp, mô phỏng đánh giá chất lượng ổn định, đảm bảo cho việc ứng dụng điều khiển vị trí động cơ bước. Nâng cao chất lượng hệ truyền động này đã thiết kế được bộ điều khiển hệ kín thích nghi nhằm nâng cao chất lượng của hệ, qua so sánh với hệ PID tuyến tính thì kết quả tốt hơn.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG TRỌNG DIỄN

NGHIÊN CỨU VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS CAO XUÂN TUYỂN

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Hoàng Trọng Diễn học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành Kỹ thuật

điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số 1 - BQP

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” dưới sự

hướng dẫn của TS Cao Xuân Tuyển là công trình nghiên cứu riêng của tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều được ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu nào khác mà không được ghi trong danh mục

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luân văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng dẫn

tận tình của thầy TS Cao Xuân Tuyển, luận văn với đề tài “Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS Cao Xuân Tuyển đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác

giả hoàn thành luận văn này

Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học

Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập

Tác giả

Hoàng Trọng Diễn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 2

1.1 Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo 2

1.1.1 Giới thiệu 2

1.1.2 Các loại đông cơ bước 3

1.1.3 Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu 4

1.1.4 Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance) 5

1.1.5 Động cơ bước lai (Hybrid) 6

1.2 Ứng dụng của động cơ bước 7

1.3 Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước 7

1.3.1 Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực 7

1.3.2 Sơ đồ nguyên lí mạch động lực và các nguyên lí điều khiển động cơ bước đơn cực 15

1.3.3 Nguyên tắc điều chỉnh tốc độ vị trí và đảo chiều động cơ bước 24

1.3.4.Kết luận 28

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC30 2.1 Mô hình toán học động cơ bước 30

2.2 Bộ điều khiển vị trí hệ hở 33

2.3.Tổng quan về phàn cứng của vi xử lý TMS 320 F2812 34

2.3.1 Giới thiệu chung về vi xử lý TMS 320 F2812 34

2.3.2 Phần cứng của vi xử lý F2812 37

2.3.3 Sơ đồ chức năng của vi xử lý TMS320F2812 38

2.4 Động cơ bước đơn cực (unipolar) 48

2.5 Mạch động lực điều khiển động cơ bước 48

2.5.1 Động cơ bước đơn cực 48

2.5.2 Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước 51

2.6 Thiết kế phần mềm cho động cơ bước dùng vi xử lý TMS320F2812 52

2.6.1 Mã ccs (ex 24 ) của chế độ bước đủ 2 pha on 52

2.6.2 Mã ccs của chết độ bước đủ 1 pha on 54

2.6.3 Mã ccs của chét độ nửa bước 55

2.6.4 Chế độ vi bước 56

2.7 Thao tác với chương trình dịch Ccstudio 58

2.7.1 Màn hình khởi động chương trình 58

2.7.2 Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812 58

2.7.3 Mở Project 59

2.7.4 Dịch chương trình 60

2.7.5 Nạp mã chương trình vào bộ nhớ 61

2.7.6 Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước 62

2.8 Bộ điều khiển vị trí hệ kín PID cho PMSM 62

2.8.1 Sơ đồ mạch phần cứng 62

2.8.2 Phần mềm điều khiển hệ thống 64

2.9 Thiết kế bộ điều khiển hệ kín gồm bộ điều khiển dòng điện phi tuyến Backstepping và bộ điều khiển vị trí PID mờ cho động cơ PMSM 69

2.9.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ kín, sơ đồ nguyên lý và sơ đồ khối mạch phần cứng cho hệ thống điều khiển PMSM 69

2.9.2 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping mạch vòng điều khiển vị trí động cơ PMSM 71

2.9.3 Thiết kế bộ điều chỉnh thành phần I q 75

2.9.4 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi Backstepping mạch vòng điều khiển vị trí động cơ PMSM 77

2.9.5.Kết luận 79

CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 81

3.1 Kết quả mô phỏng trong MATLAB 81

3.1.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống kín 81

3.2 Kết quả thí nghiệm 85

3.2.1 Mô hình thí nghiệm 85

3.2.2 Kết quả thí nghiệm 86

3.3 Kết luận 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.21 Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ bước đủ 2

pha

19

Hình 1.27 Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay thuận 26

Hình 2.26 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển thành phần dòng phi tuyến

Backstepping Id

75

Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí thích nghi phi tuyến

Backstepping

76

Hình 3.4 Sự thay đổi hệ số ma sát của động cơ trong quá trình làm

việc

82

Hình 3.6 Sai lệch vị trí với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến

Backstepping và bộ điều khiển phi tuyến Backstepping

82

tuyến Backstepping và phi tuyến backstepping

83

nghi phi tuyến Backstepping

84

Hình 3.10 Dòng điện pha của động cơ với bộ điều khiển hệ kín phi

tuyến Backstepping

84

Hình 3.13 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG và Bo mạch

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI

Controller : Bộ điều khiển

VR : Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance)

Hybrid : Động cơ bước lai

Bipola : Động cơ bước lưỡng cực

Uniporla : Động cơ bước đơn cực

PMSM : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

PID : Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích

phân, đạo hàm)

MỞ ĐẦU

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong nghành Tự động hóa, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác như điều khiển rô bốt, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển bắt Do vậy động cơ bước phải được điều chỉnh tốc độ để phù hợp trong quá trình sản xuất

Với những điều kiện cụ thể của từng ứng dụng như vậy thì điều khiển tốc độ động cơ bước là một yêu cầu cần thiết của máy sản xuất

Từ những yêu cầu trên, đề tài luận văn của tôi sẽ nghiên cứu hệ điều khiển vị trí của động cơ bước, đồng thời nâng cao chất lượng của hệ điều

khiển Với cách đặt vấn đề như vậy nên đề tài luận văn được chọn là: ”Nghiên

cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi”

Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, các phương pháp điều khiển và ứng dụng của động cơ bước

Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ bước

Chương 3: Mô phỏng, thí nghiệm và kết luận

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

Hoàng Trọng Diễn

Động cơ bước làm việc là nhờ các bộ chuyển mạch điện đưa các tín hiệu điều khiển vào stator theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay

và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vào stator của động cơ bước thì rotor động cơ

sẽ quay một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào các cuận dây stator thay đổi liên tục thì rotor sẽ quay liên tục (nhưng chuyển động ấy vẫn là theo các bước rời rạc)

Trong khi động cơ một chiều không chổi than có rotor thường là nam châm vĩnh cửu (số đối cực 2p=2) và cần có một cảm biến vị trí rotor (để thực hiện chức năng tạo ra các tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ

tự đổi chiều) thì động cơ bước rotor dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp năm châm N-S xen kẽ nhau để tạo thành các cặp cực lớn hơn và không cần có bộ cảm biến vị trí rotor Có thể điều khiển dòng 1 chiều vào cuộn dây stator để có từ trường quay liên tục nên động cơ 1 chiều không chổi than quay liên tục Đối với động cơ bước vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào các cuộn dây stator rời rạc nên rotor quay theo các bước

Giống như động cơ đồng bộ tốc độ thấp công suất nhỏ động cơ bước có các bối dây tạo thành các pha trên stator, đồng thời trên cả stator và rotor đều

có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện Động cơ đồng bộ thì cần dòng diện kích thích để tạo từ trường kích thích, còn động cơ bước thì không cần yếu tố này

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là thiết bị số mà

ở đó các thông tin số hóa đã thiết lập sẽ được chuyển thành các bước quay của động cơ Động cơ bước sẽ thực hiên các lệnh đã số hóa từ máy tính

Một hệ thống động cơ bước thường có sơ đồ khối như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước

Bộ điều khiển (Controller) sẽ tạo ra xung, mạch điều khiển động cơ bước (Driver) nhận các xung tạo ra các xung với công xuất cần thiết cấp 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

1.1.2 Các loại đông cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ 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 xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển động quay với góc quay tỉ lệ với số xung đư vàu các cuộn dây stator

Về cấu tạo động cơ bước được coi là tổng hợp của 2 loại động cơ: Động cơ một chiều không chổi than và động cơ đồng bộ công suất nhỏ, tốc độ

quay của rotor động cơ bước phụ thuộc vào tần số của xung cấp cho các cuộn dây stator, chiều quay phụ thuộc vào thứ tự các cuộn dây được cấp xung

Động cơ bước gồm có ba loại chính:

- Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu

- Động cơ bước từ kháng

- Động cơ bước lai

1.1.3 Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu

Động cơ bước hoạt động trên cơ sở tương tác giữa các nam châm vĩnh cửu ở phía rotor và từ trường của 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 stato là các cuộn dây Rotor sẽ chuyển động khi cuộn dây stator nhận được xung điện khi nó sinh ra từ trường để tương tác với từ trường của rotor làm rotor quay

Hình 1.2 Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu

*Stator

Hai bộ phận chính của stator là lõi thép (mạch từ) và dây quấn

- Lõi thép làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dập theo khuôn rồi ghép lại với nhau thành hình trụ rỗng, mặt trong của lá thép có phay rãnh để đặt dây quấn

- Trong rãnh đặt dây quấn có thể là dây quấn 2 pha, ba pha, 4 pha hoặc

5 pha Dây quấn của động cơ thường là dây đồng, có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật Dây quấn được chia thành nhiều pha, mỗi pha có một tổ bối dây,

mỗi tổ bối dây có W số vòng dây và được lồng vào cực từ của stator

Phía ngoài stator có vỏ bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm, hai đầu stator có hai nắp làm bằng cùng vật liệu với vỏ và bắt chặt vào vỏ Trên nắp

máy có lắp ổ trục để đỡ trục quay của rotor

*Rotor

Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo thường không

có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) và được lồng vào phía trong của Stator Rotor thường là 2 hoặc 6 cực từ có cực tính xen kẽ nhau xen kẽ nhau

Các góc bước thường là 1,8o; 7,5o; 30o; 45o; và 90o Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ hơn các loại khác Chúng cũng có đặc tính chống rung tốt hơn Hạn chế của loại động cơ này là

có mô-men xoắn tương đối thấp được sử dụng khi yêu cầu tốc độ thấp

1.1.4 Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance)

Động cơ bước từ kháng (VR) về cơ bản khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM) ở chỗ, rotor của nó không dùng nam châm vĩnh cửu,

có cấu tạo như rotor động cơ đồng bộ, nhưng không có dây quấn kích thích

và do đó không có mô-men để giữ rotor khi dừng Startor có cấu tạo tương tự như động cơ bước nam châm vĩnh cửu Rotor được chế tạo từ các vật liệu sắt

từ mềm có các răng và rãnh Khi cuộn dây stator được cung cấp điện các răng của rotor xếp thẳng hàng với các cực của stator, khi stator không được cấp năng lượng không có từ trường trong khe hở không khí giữa stator và rotor vì vậy không có mô men tương tác giữa stator và rotor , 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 từ kháng

Ở 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

1.1.5 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 kháng Mô-men chủ yếu được tạo ra trong động cơ lai là do tương tác giữa 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 tương tự như động cơ bước nam châm vĩnh cửu, và rotor là hình trụ và từ hóa như động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM) với

răng rãnh giống như một động cơ bước từ kháng(VR) Điều này dẫn đến mô men của động cơ bước lai lớn hơn mô men của hai loại động cơ trên

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai được dùng phổ biến hơn so với động cơ bước từ kháng

Trong phạm vi đồ án này chỉ tập chung vào nghiên cứu điều khiển động

cơ bước Nam Châm Vĩnh Cửu bao gồm động cơ đơn cực và lưỡng cực

1.2 Ứng dụng của 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

1.3 Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước

1.3.1 Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực

Hình 1.5 Cấu tạo dây quấn 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

1.3.1.1 Sơ đồ mạnh động lực động cơ bước lưỡng cực (Bipola)

a) Sơ đồ sử dụng 2 mạch cầu

Hình 1.6 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, Q1và Q4 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q1 qua cuộn dây rồi qua Q4 về mát 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

b) Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu

Hình 1.7 Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu

Khi T1 và T4 được cấp xung, cuộn dây pha 1 được cấp xung dương và

có dòng chay qua theo chiều thuận, từ dương nguồn +V qua T1, qua cuộn dây pha 1qua T4 về mát

Ngược lại,khi T3 và T2 được cấp xung cuộn dây pha 1 được cấp xung

âm và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T3, qua cuộn dây pha 1 qua T2 về mát

Khi T3 và T6 được cấp xung cuộn dây pha 1 được cấp xung âm và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T3, qua cuộn dây pha 2 qua T6 về mát

Ngược lại, khi T5 và T4 được cấp xung cuộn dây pha 2 được cấp xung dương và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T5, qua cuộn dây pha 2 qua T4 về mát

1.3.1.2 Nguyên lý điều khiển động cơ bước lưỡng cực (bipola)

a) Chế độ điều khiển bước đủ 1 pha được cấp xung

Hình 1.8 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 B Tiếp theo khi pha C được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn D Tiếp theo khi pha B được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn A Tiếp theo khi pha D được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn dây C 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 1.9 Dạng xung trong dây quấn

Sơ đồ mô tả dòng diện chạy trong cuộn dây :

Hình 1.10 Chiều dòng điện chạy trong cuộn dây b) Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung

Nguyên lý: tại bước 1 khi cả hai pha A và B được cấp xung rotor sẽ chuyển động một góc 900 và nó bị khóa chặt vào khoảng giữa pha A và B Tiếp theo cả hai pha được cấp xung, nhưng pha B đảo cực tính điện áp, 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 1.11 Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung

Giản đồ xung trong chế độ 2 pha on

Hình 1.12 Dạng xung của chế độ 2 pha on

c) Chế động hoạt động nửa bước

S

N ROTOR N

S N

STEP 8 STEP 7

N

Hình 1.13 chế độ hoạt động nửa bước

Bước 1 ( step 1): Cả 2 pha được cấp điện với cực tinh như hình ở bước 1 roto đang từ vị trí thẳng với 2 cực của pha A được quay đi 1 góc 45 độ theo chiều thuận kim đồng hồ

Bước 2 ( step 2): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 1 còn pha A thì không được cấp điện roto quay đi 1 góc 45 độ ở vị trí thẳng với 2 cực của cuộn pha B

Bước 3 ( step 3): Pha B được cấp điện với cực tính giữ nguyên như bước 2 pha A đước cấp điện với cực tính ngược lại với bước 1.Roto được quay thêm 1 góc 45 độ nữa

Bước 4 ( step 4): Ngừng cấp điện pha B pha A được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 3 roto quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 5 ( step 5): Cả 2 pha đều cấp điện trong đó pha A có cực tính được giữ nguyên như bước 4 pha B được cấp xung có cực tính ngược với cực tính ở bước 3 roto lại được quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 6 ( step 6): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 5 pha A ngừng cấp điện roto quay thêm 45 độ nữa

Bước 7 ( step 7): Cả 2 pha được cấp điện trong đó pha B giữ nguyên cực tính như bước 6 pha A được cấp xung áp với cực tính ngược với bước 5 Roto quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 8 ( step 8): Pha B ngừng cấp điện pha A được cấp điện với cực tính giữ nguyên như bước 7 roto lại quay thêm 1 góc 45 độ nữa

Như vậy sau 8 bước thì roto đã quay được 1 vòng và trở về vị trí bạn đầu của nó

Chế độ hoạt động nửa bước : Ở chế độ này động cơ có thể di chuyển ở các góc có độ phân giản gấp 2 lần ở 2 chế độ điều khiển bước đủ

1 pha và 2 pha

Dấu “+” và dấu “-” được để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào động cơ

Giản đồ xung điện áp cấp cho các cuộn dây:

Hình 1.14 Giản đồ xung cấp cho các cuộn dây

d) Chế độ điều khiển vi bước

Bước đủ và bước nửa bước trong hoạt động di chuyển động cơ bước có

xu hướng hơi giật, số bước di chuyển cũng có giới hạn bởi số lượng cực mà các roto có thể có Để khac phục điều này tức để roto chuyển động liên tục và không bị giật, người ta sử dụng chế độ vi bước, ở đó bộ điều khiển sẽ cấp các song dòng điện và điện áp hình Sin cho cuộn dây

Hình 1.15 Pha của dòng điện ở chế độ vi bước

Hai sóng điện hình Sin trong hai pha lệch nhau một góc 90 độ điện, tương tự dòng điện xoay chiều hai pha chạy trong dây quấn hai pha máy điện xoay chiều Từ trường được tạo ra là từ trường quay hai pha

1.3.2 Sơ đồ nguyên lí mạch động lực và các nguyên lí điều khiển động cơ bước đơn cực

1.3.2.1 Sơ đồ mạch động lực động cơ bước đơn cực ( uniporla)

Hình 1.16 Mạch động lực động cơ bước đơn cực

Dộng cơ bước đơn cực thường có 5 đầu ra :

Hình 1.17 Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:

Để thuyết minh nguyên lý hoạt động của sơ đồ, ta lấy ví dụ động cơ đơn cực có bốn cuộn dây A,B,C,D ở phia stator và rotor có hai cực, điều khiển theo chế độ bước đủ với một pha được cấp xung tại một thời điểm

Khi bộ vi điều khiển hoặc vi xử lý đưa xung vào Q1, không đưa xung vào Q2, Q3 và Q4, Q1 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây A , rotor quay đi một góc 90 độ

Tiếp tục, khi bộ vi điều khiển hoặc vi xử lý đưa xung vào Q2, không đưa xung vào Q1, Q3 và Q4, Q2 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây B , rotor quay đi một góc 90 độ tiếp theo

Tiếp tục, khi bộ vi điều khiển hoặc vi xử lý đưa xung vào Q3, không đưa xung vào Q1, Q2 và Q4, Q3 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây C , rotor quay đi một góc 90 độ tiếp theo

Tiếp tục, khi bộ vi điều khiển hoặc vi xử lý đưa xung vào Q4, không đưa xung vào Q1, Q2 và Q3, Q4 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây D , rotor quay đi một góc 90 độ tiếp theo

Sau 4 bước, rotor của động cơ quay được một vòng và trở về vị trí ban đầu

Cứ tiếp tục như vậy, rotor động cơ lại tiếp tục quay cho tới khi ngừng cung cấp xung cho các cuộn dây

1.3.2.2 Nguyên lí điều khiển động cơ bước đơn cực unipolar

a) Chế độ điều khiển bước đủ 1 pha được cấp xung tại 1 thời điềm

Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lí nối dây

* Giản đồ xung điện áp

Hình 1.19 Giản đồ của động cơ bước đơn cực ở chế độ bước đủ 1 pha

Chế độ bước đủ 1 pha : trong chế độ này chỉ có 1 cuộn dây được cấp xung điều khiển ở chế độ này góc bước tương tự như ở chế độ đủ bước tuy nhiên momen xoắn ít hơn đáng kể

Hình 1.20 Chế độ hoạt động bước đủ 1 pha ở động cơ bước đơn cực

Bước 1 ( step 1): Ở chế độ này chỉ có 1 pha A duy nhất được cấp điện với cực tính như hình vẽ ở bước 1, roto quay 1 góc 90 độ và ở vị trí thẳng đứng

Bước 2 ( step 2): Ở bước 2 dừng điện áp cấp cho pha A và cấp điện cho pha B, với cực tính như hình vẽ ở bước 2, roto tiếp tục quay 1 góc 90 độ

Bước 3 ( step 3): Bước 3 sẽ dừng cấp điện áp trên pha B thay vào đó sẽ cấp điện cho pha C, roto lại trở về vị trí thẳng đứng Tiếp tục quay roto với góc 90 độ

Bước 4 (step 4): Ở đây điện ap dừng cấp cho pha C và điện áp chỉ cấp cho pha D , với cực tính như hình trên ở bước 4, roto tiếp tục quay 1 góc 90 độ

Sau bước 4 roto đã quay được 1 vòng và trở lại vị trí ban đầu của nó b) Chế độ bước đủ 2 pha cùng 1 lúc

* Bảng xung điện áp cấp điện cho mỗi cuộn dây

* Giản đồ xung điện áp cấp điện cho các cuộn dây

Hình 1.21 Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ bước đủ 2 pha

Chế độ bước đủ 2 pha 1 lúc : Trong chế độ này chỉ có 2 cuộn dây được cấp xung điều khiển đồng thời và theo thứ tự liên tiếp trong khi duy trì dòng thay đổi Về cơ bản mỗi đầu vào từ trình điều khiển tương đương với 1 bước

Hình 1.22 chế độ bước đủ 2 pha cùng 1 lúc ở động cơ bước đơn cực

Bước 1 ( step 1): Ở bước này chỉ có 2 cuộn dây A và B được cấp điện với cực tính như hình vẽ ở bước 1 , roto quay 1 góc 90 độ

Bước 2 ( step 2): Ở bước này điện áp ngừng cấp cho cuộn dây A nhưng vẫn duy trì điện áp ở cuộn dây B và lại tiếp tục cấp điện áp cho cuộn dây C, roto lại tiếp tục quay 1 góc 90 độ

Bước 3 ( step 3): Bước này lại ngừng cấp xung cho cuộn dây B và vẫn duy trì cấp điện cho cuộn dây C, đồng thời lại cấp điện cho cuộn dây D, roto lại quay 1 góc 90 độ

Bước 4 ( step 4): Ở bước 4 ngừng cấp điện áp cho cuộn dây C duy trì điện áp cấp cho cuộn dây D và lại cấp điện áp cho cuộn dây A, roto lại quay

* Giản đồ xung điện áp

Hình 1.23 Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ nửa bước

Hình 1.24 Chế độ hoạt động nửa bước của động cơ bước đơn cực

Bước 1 ( step 1): Ở bước 1 chỉ có duy nhất cuộn dây A được cấp điện với cực tính như hình ở bước 1, roto quay 1 góc 45 độ theo chiều kim đồng hồ

và ở vị trí thẳng đứng

Bước 2 ( Step 2): Lúc này điện áp được cấp thêm cho cuộn dây B và vẫn giữ nguyên điện áp cấp cho A, với cực tính như hình trên ở bước 2 , roto tiếp tục chuyển động thêm một góc 45 độ theo chiều kim đồng hồ

Bước 3 ( Step 3): Tiếp tục ở bước 3 điện áp vẫn duy trì cấp cho B nhưng lúc này lại dừng cấp cho A, roto tiếp tục chuyển động quay 1 góc 45

độ và roto ở vị trí nằm ngang với các cực tính như ở bước thứ 3 trên hình

Bước 4 ( step 4): Điện áp cấp cho B vẫn tiếp tục được duy trì nhưng

lúc này điện áp lại cấp thêm cho C với cực tính như hình vẽ ở bước 4 Roto tiếp tục quay 1 góc 45 độ

Bước 5 ( step 5): Ở bước năm dừng điện áp cấp vào B chi có duy nhất cuộn dây C có điện, roto quay tiếp 1 góc 45 độ và roto lại ở vị trí thẳng đứng

Bước 6 ( step 6): Bước 6 điện áp được cấp thêm cho D nhưng vẫn duy trì điện áp cấp cho C, với cực tính như hình vẽ Tiếp tục roto quay thêm 1 góc

45 độ nữa

Bước 7 ( step 7): Ở đây dừng cấp điện áp cho C chỉ có 1 cuộn dây duy nhất được cấp xung là D, roto tiếp tục quay thêm 1 góc 45 độ nữa roto lại ở

vị trí nằm ngang, với cực tính như hình vẽ

Bước 8 ( step 8): Vẫn duy trì điện cấp vào B nhưng lúc này A lại được cấp xung 1 lần nữa, roto tiếp tục chuyển động 1 góc 45 độ

Sau bước 8 roto đã quay được 1 vòng và trở lại vị trí bạn đầu của nó

d) Chế độ vi bước

Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước như sau:

Hình 1.25 Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước

Chế độ vi bước: Chế độ bước đủ và nửa bước có nhược điểm là động

cơ bị giật Số bước di chuyển bị giới hạn bởi số cực của rotor Để khắc phục điều này ta sử dụng chế độ điều khiển vi bước.trong đó các xung đưa vào cuộn dây được thay bằng các nửa sóng hình Sin với mục đích để tạo ra từ trường quay tròn trong máy

Chế độ vi bước thường được ứng dụng trong các trường hợp yêu cầu định vị chính xác

Ưu điểm sử dụng kỹ thuật vi bước như sau:

- Chuyển động ở tốc độ thấp

- Tăng độ phân giải bước định vị như là kết quả của góc bước nhỏ hơn

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

Những hạn chế của kỹ thuật vi bước như sau:

Thay đổi tần số xung cấp cho cuộn dây

Ví dụ: Với pha A của động cơ bước đơn cực ở chế độ điều khiển 1 pha:

wawe drive

UNIPOLA MOTOR T

Ta có công thức:

=

Để thay đổi tần số ta thay đổi chu kỳ bằng cách như sau :

+ Tăng hoặc giảm t1 và giữ nguyên giá trị của t0

+ t1 và t0 cùng tăng hoạc cùng giảm cùng nhau

1.3.3.3 Nguyên tắc đảo chiều

Chiều quay của động cơ bước có thể thay đổi bằng cách đảo thứ tự các cuộn dây được cấp điện

Ví dụ dưới đây thể hiện sự đảo chiều quay của động cơ bước lưỡng cực trong chế độ hoạt động nửa bước như lí thuyết đã trình bày

Hình 1.27 Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay thuận

* Quay thuận

Bước 1 ( step 1): Hình vẽ mô tả động cơ quay thuận cả 2 pha được cấp điện với cực tính như hình ở bước 1, roto đang từ vị trí thẳng với 2 cực của pha A được quay đi 1 góc 45 độ theo chiều thuận kim đồng hồ

Bước 2 ( step 2): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 1 còn pha A thì không được cấp điện roto quay đi 1 góc 45 độ ở vị trí thẳng với 2 cực của cuộn pha B

Bước 3 (step 3): Pha B được cấp điện với cực tính giữ nguyên như bước 2 pha A đước cấp điện với cực tính ngược lại với bước 1.Roto được quay thêm 1 góc 45 độ nữa

Bước 4 (step 4): Ngừng cấp điện pha B pha A được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 3 roto quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 5 (step 5): Cả 2 pha đều cấp điện trong đó pha A có cực tính được giữ nguyên như bước 4 pha B được cấp xung có cực tính ngược với cực tính ở bước 3 roto lại được quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 6 (step 6): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 5 pha A ngừng cấp điện roto quay thêm 45 độ nữa

Bước 7 (step 7): Cả 2 pha được cấp điện trong đó pha B giữ nguyên cực tính như bước 6 pha A được cấp xung áp với cực tính ngược với bước 5 Roto quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 8 (step 8): Pha B ngừng cấp điện pha A được cấp điện với cực tính giữ nguyên như bước 7 roto lại quay thêm 1 góc 45 độ nữa

Như vậy sau 8 bước thì roto đã quay được 1 vòng và trở về vị trí bạn đầu của nó

* Quay ngược

STEP 2

S N

STEP 7

Hình 1.28 Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay ngược

Bước 1 ( step 1): Hình vẽ mô tả động cơ quay ngược cả 2 pha được cấp điện với cực tính như hình ở bước 1, nhưng pha B được cấp xung với cực tính ngược lại với chế độ quay thuận, roto đang từ vị trí thẳng với 2 cực của pha A được quay đi 1 góc 45 độ theo chiều ngược kim đồng hồ

Bước 2 ( step 2): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 1 còn pha A thì không được cấp điện roto quay đi 1 góc 45 độ ở vị trí thẳng với 2 cực của cuộn pha B

Bước 3 (step 3): Pha B được cấp điện với cực tính giữ nguyên như bước 2 pha A đước cấp điện với cực tính ngược lại với bước 1.Roto được quay thêm 1 góc 45 độ nữa

Bước 4 (step 4): Ngừng cấp điện pha B pha A được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 3 roto quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 5 (step 5): Cả 2 pha đều cấp điện trong đó pha A có cực tính được giữ nguyên như bước 4 pha B được cấp xung có cực tính ngược với cực tính ở bước 3 roto lại được quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 6 (step 6): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên như bước 5 pha A ngừng cấp điện roto quay thêm 45 đọ nữa

Bước 7 (step 7): Cả 2 pha được cấp điện trong đó pha B giữ nguyên cực tính như bước 6 pha A được cấp xung áp với cực tính ngược với bước 5 Roto quay thêm góc 45 độ nữa

Bước 8 (step 8): Pha B ngừng cấp điện pha A được cấp điện với cực tính giữ nguyên như bước 7 roto lại quay thêm 1 góc 45 độ nữa

Như vậy sau 8 bước thì roto đã quay được 1 vòng và trở về vị trí bạn đầu của nó

1.3.4.Kết luận

Như vậy qua phân tích và tiến hành mô phỏng với chế độ vi bước của động cơ hybrid (là sự kết hợp giữa động cơ bước phản kháng và động cơ nam châm vĩnh cửu) làm mục iêu nghiên cứu Đồng thời sử dụng sơ đồ đấu lưỡng cực cho động cơ

CHƯƠNG II:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC

2.1 Mô hình toán học động cơ bước

Trong bản luận văn này, ta xây dựng mô hình toán học cho động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PMSM), có hai pha dây quấn đặt ở stator và rotor

là nam châm vĩnh cửu, được mô tả như ở hình ( 2.1)

Áp dụng định luật Kiếc Hốp 2 cho mạch vòng cuộn dây stator thứ nhấtcủa động cơ, ta có:

Va – là điện áp đặt vào cuộn dây thứ nhất của động cơ (cuộn dây a)

R – lad điện trở cuộn dây

a

 - là từ thông móc vòng với cuộn dây a

Vì hai cuộn dây stator đặt lệch nhau trong không gian 900điện, nên không

có hỗ cảm giữa hai dây quấn, nghĩa là hệ số hỗ cảm giữa hai dây quấn bằng không Do đó từ thông móc vòng với cuộn dây a được xác định như (2.2.2)