Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Nghiên cứu hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều không chổi than
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã số:23.04.3898
Học viên: NGUYỄN ĐỨC HƢNG
Ngƣời HD Khoa học : TS. TRẦN XUÂN MINH
THÁI NGUYÊN - 2010
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ
NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
NGUYỄN ĐỨC HƢNG
THÁI NGUYÊN - 2010
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Đức Hƣng
Ngày tháng năm sinh: Ngày 04 tháng 07 năm 1978
Nơi sinh: Bệnh viện Gang Thép - Thái Nguyên
Nơi công tác: Trƣờng Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim
Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái
Nguyên
Chuyên ngành: Tự động hóa
Khóa học: K11- TĐH
TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Xuân Minh
Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên
GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
TS. Trần Xuân Minh
HỌC VIÊN
Nguyễn Đức Hƣng
DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của Thầy giáo TS.Trần Xuân Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc
liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào.
Tác giả luận văn
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
MỤC LỤC
Trang bìa phụ ………………………………………………………...…................1
Lời cam đoan …………………………………………………………….................2
Mục lục ………………………………………………………………......................3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ……………………………………...............6
Danh mục các bảng ……………………………………………………….................6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị …………………………………………….................7
Mở Đầu…………………………………………………………………..................11
Chƣơng1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI
THAN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KHÔNG CHỔI THAN…………………………………………………………….16
1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than………………………16
1.1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than…………………...16
1.1.2. Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than…………………………..18
1.2. Các hệ truyền động điện dùng ĐCMCKCT…………………………………...25
1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)………………..25
1.2.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)………………………….26
1.3. Một số đặc điểm về điện của ĐCMCKCT……………………………………27
1.3.1. Thứ tự chuyển mạch………………………………………...…...…...…..24
1.3.2. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của ĐCMCKCT………………………..30
1.3.3. Sức phản điện động……………………………………………………….30
1.4. Kết luận………………………………………………………………………..31
Chƣơng 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG
CHỔI THAN VÀ LỰA CHỌN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN…………………. 32
2.1. Mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than…………………...35
2.1.1. Mô hình toán học…………………………………………………………..35
2.1.2. Mômen điện từ…………………………………………………………….34
2.1.3. Phƣơng trình động học của ĐCMCKCT………………………………….35
2.2. Phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than…………...35
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3. Sơ đồ cấu trúc của ĐCMCKCT……………………………………………….37
2.4. Lựa chọn thuật toán điều khiển cho ĐCMCKCT……………………………..41
2.4.1. Đặt vấn đề…………………………………………………………………41
2.4.2. Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F4011………………………………39
2.4.2.1. Ngắt của DSPIC30F4011……………………………………………..44
2.4.2.2. Cổng vào ra của DSPIC30F4011……………………………………..45
2.4.2.3. Các bộ định thời…………………………………………………….46
2.4.2.4. Module chuyển đổi tƣơng tự - số ADC 10bit………………………...48
2.4.2.5. Module PWM điều khiển động cơ……………………………………51
2.4.3. Thiết kế mạch điều khiển ĐCMCKCT dùng DSPIC30F4011……………52
2.4.3.1. Module xử lý trung tâm………………………………………………52
2.4.3.2. Hệ thống phản hồi dòng điện………………………………………...50
2.4.3.3. Mạch phản hồi tốc độ…………………………………………………56
2.4.3.4. Một số cấu trúc khác………………………………………………….57
2.4.4. Thiết kế mạch đệm cho bộ nghịch lƣu……………………………………57
2.4.4.1. IC HCPL 316J………………………………………………………...57
2.4.4.2. Mạch đệm cho mỗi van IGBT………………………………………..58
2.4.4.3. Nguồn cấp cho từng module của mạch đệm…………………………58
2.4.4.4. Mạch đệm của cả 6 van IGBT………………………………………..59
2.4.5. Viết chƣơng trình điều khiển cho động cơ…………………………...64
2.5. Thiết kế mạch lực cho ĐCMCKCT…………….………………………….64
2.5.1. Giới thiệu về các bộ biến đổi cho ĐCMCKCT….…………………….64
2.5.2. Biến áp tự ngẫu……………………………………………………………70
2.5.3. Mạch chỉnh lƣu……………………………………………………………71
2.5.4. Mạch nghịch lƣu…………………………………………………………..73
2.5.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT……………………………73
2.5.4.2. Đặc tính đóng cắt của van IGBT……………………………………..69
2.5.4.3. Lựa chọn mạch nghịch lƣu……………………………………………76
2.5.5. Tính toán tham số mạch lực……………………………………………….78
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.5.5.1. Tính chọn mạch chỉnh lƣu…………………………………………….78
2.5.5.2. Tính chọn mạch nghịch lƣu…………………………………………...79
2.6. Kết luận………………………………………………………………………..80
Chƣơng 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNGVÀ MÔ PHỎNG…..76
3.1. Tổng hợp các bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện cho ĐCMCKCT…………...81
3.1.1. Mô hình 1 pha của động cơ một chiều không chổi than.............................81
3.1.2. Tổng hợp các bộ điều chỉnh của ĐCMCKCT............................................83
3.1.3. Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha ĐCMCKCT .......................................84
3.1.4. Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ điều khiển .......85
3.1.4.1. Khối bộ biến đổi………………………………………………………79
3.1.4.2. Khâu đo dòng điện - phản hồi dòng…………………………………..81
3.1.4.3. Khâu đo tốc độ - phản hồi tốc độ……………………………………..81
3.1.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện…………………………………………..81
3.1.6. Tổng hợp mạch vòng tốc độ......................................................................89
3.1.7. Mô phỏng mô hình một pha của ĐCMCKCT............................................93
3.2. Xây dựng và mô phỏng mô hình 3 pha của ĐCMCKCT .................................97
3.2.1. Xây dựng tổng quan mô hình hệ điều khiển ĐCMCKCT ..........................98
3.2.2. Mô hình ĐCMCKCT .................................................................................99
3.2.3. Mô hình bộ chuyển mạch điện tử - nghịch lƣu nguồn áp .........................105
3.2.4. Khối Bộ điều khiển .................................................................................106
3.2.5. Một số khối chức năng khác....................................................................109
3.2.6. Một số chƣơng trình phục vụ cho mô hình hệ điều khiển ........................110
3.2.7. Mô phỏng mô hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển ĐCMCKCT............110
3.2.8. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển ĐCMCKCT ...............................111
3.2.9. Nhận xét kết quả mô phỏng.....................................................................115
3.3. Kết luận…………………………………………………...………………….106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................115
Kết luận.............................................................................................................115
Kiến nghị………………………………………………………………………...115
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................116
PHỤ LỤC............................................................................................................117
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ĐCMC Động cơ một chiều
ĐCMCKCT Động cơ một chiều không chổi than
ĐC Động cơ
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
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 So sánh ĐCMC không chổi than với ĐCMC thông thường
Bảng 1.2 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ
Bảng 1.3 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ
Bảng 2.1 Phân công địa chỉ vào ra cho các chân của vi điều khiển
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của ĐCMCKCT
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.2 Sơ đồ khối ĐCMCKCT
Hình 1.3 Mặt cắt ngang của một ĐCMC không chổi than(a) và của một động cơ
một chiều không chổi than hai pha (b)
Hình 1.4 Stator của ĐCMCKCT
Hình 1.5 Các dạng sức điện động của ĐCMCKCT
Hình 1.6 Rotor của ĐCMCKCT
Hình 1.7 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than
Hình 1.8 Hiệu ứng Hall
Hình 1.9 Động cơ một chiều không chổi than – cấu trúc nằm ngang
Hình 1.10 Bộ phận đổi chiều điện tử sử dụng transistor công suất
Hình 1.11 Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực
Hình 1.12 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator
Hình 1.13 Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động hai cực
Hình 1.14 Từ trường stator và chiều của mô men quay
Hình 1.15 Chuyển động cùng chiều kim đồng hồ của rô to và từ trường stator
Hình 1.16 Chuyển động ngược chiều kim đồng hồ của rotor và từ trường stator
Hình 2.1 Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT
Hình 2.2 Mô hình thu gọn của ĐCMCKCT
Hình 2.3 Sơ đồ 1 pha tương đương của ĐCMCKCT
Hình 2.4 Sơ đồ khối ĐCMCKCT
Hình 2.5 Sơ đồ chân linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011
Hình 2.6 Cấu trúc một chân của cổng vào ra
Hình 2.7 Cấu trúc của bộ định thời 1 (Timer1 - Định thời loại A)
Hình 2.8 Cấu trúc của module ADC 10bit trong DSPIC30F4011
Hình 2.9 Cấu trúc của module PWM
Hình 2.10 Cấu trúc module xử lý trung tâm
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 2.11 Cấu trúc mạch phản hồi dòng điện
Hình 2.12 Cấu trúc của HCPL 7510
Hình 2.13 Cấu trúc mạch phản hồi tốc độ
Hình 2.14 Mạch ghép nối LED và nút ấn
Hình 2.15 Mạch xuất tín hiệu PWM và nhận tín hiệu từ cảm biến Hall
Hình 2.16 Mạch ghép nối cổng COM
Hình 2.17 Nguồn cấp cho mạch điều khiển
Hình 2.18 Mạch điều khiển động cơ
Hình 2.19 Cấu trúc của ICHCPL 316J
Hình 2.20 Đặc tính điện áp vào và các tín hiệu bảo vệ của ICHCPL 316J
Hình 2.21 Module mạch đệm cho một van IGBT
Hình 2.22 Nguồn cấp cho modul của mạch điệm cho van IGBT
Hình 2.23 Mach đệm cho 6 van IGBT
Hình 2.24 Lưu đồ chương trình mạch vòng hở điều khiển ĐCMCKCT
Hình 2.25 Lưu đồ chương trình mạch vòng kín điều khiển ĐCMCKCT
Hình 2.26 Sơ đồ biến đổi cho ĐCMCKCT
Hình 2.27 Cấu tạo của biến áp tự ngẫu
Hình 2.28 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển
Hình 2.29 Sơ đồ chỉnh lưu cầu diot
Hình 2.30 Sơ đồ điện áp chỉnh lưu cầu diot
Hình 2.31 Cấu trúc bán dẫn và cấu trúc tương đương của van IGBT
Hình 2.32 Sơ đồ thử nghiệm khoá IGBT
Hình 2.33 Đồ thị thể hiện sự dẫn dòng của van IGBT
Hình 2.34 Đồ thị thể hiện quá trình khoá của van IGBT
Hình 2.35 Sơ đồ bộ nghịch lưu áp ba pha
Hình 2.36 Sơ đồ mạch lực của ĐCMCKCT
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.1 Mạch tương đương một pha ĐCMCKCT
Hình 3.2 Mô hình tương đương 1 pha ĐCMCKCT
Hình 3.3 Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha ĐCMCKCT
Hình 3.4 Mô hình mạch vòng dòng điện có xét tới ảnh hưởng của BEMF ĐCMCKCT
Hình 3.5 Mô hình mạch vòng dòng điện tối giản của ĐCMCKCT
Hình 3.6 Mô hình mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT
Hình 3.7 Mô hình tối giản mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT
Hình 3.8 Mô hình mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT khi chưa có khâu lọc đầu vào
Hình 3.9 Đặc tính mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT khi chưa có khâu lọc đầu vào
Hình 3.10 Mô hình mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT khi có khâu lọc đầu vào
Hình 3.11 Đặc tính mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT khi có khâu lọc đầu vào
Hình 3.12 Mô hình mô phỏng một pha của ĐCMCKCT
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ
Hình 3.14 Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện
Hình 3.15 Mô hình một pha có khâu hạn chế dòng điện của ĐCMCKCT
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ
Hình 3.17 Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện
Hình 3.18 Hệ thống điều khiển ĐCMCKCT
Hình 3.19 Mô hình mô phỏng ĐCMCKCT
Hình 3.20 Mạch nguyên lý ĐCMCKCT
Hình 3.21 Khâu tính toán momen
Hình 3.22 Mô hình khối tạo dạng sức phản điện động
Hình 3.23 Đặc điểm tín hiệu của hàm rem(u,2*pi)
(a) Tín hiệu vào trước rem(u,2*pi), (b) Tín hiệu ra sau rem(u,2*pi)
Hình 3.24 Mô hình bộ chuyển mạch nghịch lưu 3 pha
Hình 3.25 Mô hình Bộ điều khiển
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.26 Mô hình khối tạo dạng dòng điện
Hình 3.27 Mô hình khối Pulse Generator
Hình 3.28 Mô hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển ĐCMCKCT
Hình 3.29 Đặc tính tốc độ của ĐCMCKCT
Hình 3.30 Đặc tính mômen điện từ trung bình của ĐCMCKCT
Hình 3.31 Đặc tính dòng điện một pha của ĐCMCKCT
Hình 3.32 Đặc tính dòng điện ba pha của ĐCMCKCT
Hình 3.33 Đặc tính sức phản điện động ba pha của ĐCMCKCT