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 VI TRI 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 VI TRI ĐỘNG CƠ BƯỚC30

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 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, THI 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


Cấu tạo dây quấn động cơ bước bipola

7

Hình 1.6

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


Pha của dòng điện ở chế độ vi bước

14

Hình 1.16

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



Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước

23

Hình 1.26

Giản đồ tần số xung cấp cho cuộn dây

24


viii
viiiv

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


49

Hình 2.7

Sơ đồ mạch lực cho động cơ bước đơn cực

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


61

Hình 2.17

Mã nạp chương trình vào bộ nhớ

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

tuyến

75

Backstepping Id


ix

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


tuyến Backstepping và phi tuyến backstepping
Hình 3.8

Mô men của động cơ với nhiễu loạn ngẫu nhiên

83

Hình 3.9

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

: 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)


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

1.1. Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo
1.1.1. Giới thiệu
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các
tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển
động của roto và có khả năng định vị roto ở các vị trí cần thiết.
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.


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

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.
o
o

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.

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

0

-

-

-

0

+

+

Dòng điện cuộn dây B

+

+

+

0

-

-

-


N

N

PHASE B

PHASE B

N
S

S

N
S

STEP 2

STEP 3

PHASE A

PHASE A

PHASE A
PHASE A

PHASE A

N


STEP 7

PHASE A

PHASE B

N

N

PHASE B

ROTOR

PHASE A

PHASE A

S

S

N

STEP 6

STEP 5

STEP 4

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




C

D

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.