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
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
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
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
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
Hình 5.2: Sơ đồ khối chi tiết mô phỏng mạch điều chỉnh động cơ
bước kiểu mạch hở
62
Hình 5.3: kết quả mô phỏng trong Matlab của hệ hở
63
Hình 5.4: Sơ đồ khối mô phỏng mô phỏng mạch kín
64
Hình 5.5: Sơ đồ chi tiết mạch kín
Hình 5.6: Dạng điện áp , dòng điện, mô men xoắn, góc bước sau quá
trình mô phỏng
64
Hình 5.7: Sơ đồ mô phỏng mạch kín dùng bộ lọc Kalman
65
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)
- 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 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
12
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
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
15
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 chốt
chặn. Khi rotor trong chốt 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.
Hình 1.6: Bước dịch chuyển của rotor so với vị trí cuộn dây stator
16
Kết thúc sự đối diện cực rotor, mà là cực bắc, sẽ sắp xếp với cực nam của stator Một
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 90
0
. 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 90
0
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 T
MJ
có thể được viết là:
K
m
là hệ số không đổi của động cơ
θ (t) là vị trí thực tế rotor
Ij (t) là dòng điện cuộn dây là hàm của thời gian
ɸ
j
là vị trí cuộn dây j trong stator
Tuy nhiên, I
j
(t) dòng điện trong cuộn dây là một hàm số của V
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
% tải tăng tốc
% dòng điện qua cuộn a
% dòng điện qua qua cuộn b
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
19
- 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
2.2. Tính toán các tham số
2.2.1. Mô men xoắn
T= Fr
F là lực bên trong
r bán kính trong
Quán tính của tải (I= mô men tải (1b-In
2
))
cho một phiến tròn mỏng
hình trụ rỗng
W là trọng lượng tính bằng pounds
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
3.1.2. Sơ đồ mạch động lực điều khiển động cơ bước bipolar
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
21
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
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).23
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
Hình 2.9: 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 , 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
24
+ 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
25
Copyright: Tài liệu đại học ©