i

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

TS. CAO XUÂN TUYỂN
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018


ii

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.

iv

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

2.9.3. Thiết kế bộ điều chỉnh thành phần Iq .................................................. 75
2.9.4. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi Backstepping mạch vòng điều khiển
vị trí động cơ PMSM. ................................................................................... 77


vi

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


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1


Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar

8

Hình 1.7

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

9

Hình 1.8

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

10

Hình 1.9

Dạng xung trong dây quấn

10

Hình 1.10

Chiều dòng điện chạy trong cuộn dây

11

Hình 1.11


Mạch động lực động cơ bước đơn cực

15

Hình 1.17

Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar

15

Hình 1.18

Sơ đồ nguyên lí nối dây

16

Hình 1.19

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

17

Hình 1.20

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

18

Hình 1.21



Giản đồ tần số xung cấp cho cuộn dây

24


viii

Hình 1.27

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

26

Hình 1.28

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

28

Hình 2.1

Cấu trúc động cơ PMSM

31

Hình 2.2

Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí hệ hở động cơ bước


50

Hình 2.8

Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước lưỡng cực

51

Hình 2.9

Sơ đồ kết nối động cơ bước đơn cực với TMS320

52

Hình 2.10

Màn hình khởi động chương trình

58

Hình 2.11

Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812

58

Hình 2.12

Mở Project


61

Hình 2.18

Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước

62

Hình 2.19

Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng

62

Hình 2.20

Cấu trúc của Encoder và các xung đầu ra của nó

63

Hình 2.21

Thuật toán để điều khiển động cơ PMSM theo hệ kín PID

63

Hình 2.22

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hệ kín cho PMSM



Hình 2.27

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

76

Backstepping
Hình 3.1

Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống

80

Hình 3.2

Sơ đồ chi tiết mạch kín

81

Hình 3.3

Quỹ đạo đặt của vị trí góc rotor

81

Hình 3.4

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



Dòng điện pha của động cơ với bộ điều khiển hệ kín thích

84

nghi phi tuyến Backstepping
Hình 3.10

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

84

tuyến Backstepping
Hình 3.11

Kết nối máy tính, máy hiện sóng và TMS320

85

Hình 3.12

Đối tượng điều khiển

85

Hình 3.13

Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG và Bo mạch

85

: 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)


1

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

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.


3

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 1.2. 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,


5

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.
o
o
o
o
o
Các góc bước thường là 1,8 ; 7,5 ; 30 ; 45 ; và 90 . 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


7

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


8

1.3.1.1. Sơ đồ mạnh động lực động cơ bước lưỡng cực (Bipola).
a) Sơ đồ sử dụng 2 mạch cầu.

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.


10

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


11

Sơ đồ mô tả dòng diện chạy trong cuộn dây :


4

3

Dòng điện cuộn dây A

+

0

-

-

-

0

+

+

Dòng điện cuộn dây B

+

+

+


S

S

S

N

S

N

S

STEP 3

STEP 2

STEP 1

PHASE B

ROTOR

PHASE B

N

N


S

N

STEP 6

STEP 5

STEP 4
PHASE A

PHASE A

S
N
S
N

STEP 8

S

STEP 7

PHASE A

PHASE B

N



S

S

N

PHASE B

PHASE B

N

PHASE B

PHASE A

PHASE A

Hình 1.13. chế độ hoạt động nửa bước


13

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 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.


15

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)

A
B
C

D

Hình 1.16. Mạch động lực động cơ bước đơn cực
Dộng cơ bước đơn cực thường có 5 đầu ra :

B

C