Báo cáo Đồ Án thiết kế hệ thống truyền Động Điện Đề tài thiết kế và chế tạo bộ Điều khiển tốc Độ Động cơ bldc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KĨ THUẬT & CÔNG NGHỆBÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC Giảng viên hướng dẫn: Th.S: Ma

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KĨ THUẬT & CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC

ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC

Giảng viên hướng dẫn: Th.S: Mai Thế Anh

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Đô ( 225752021610049 )

MỤC LỤC

Lời nói đầu……… 3

1.1 Tổng quan về vi điều khiển ESP32, động cơ Planet……… 4

1.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển ESP32………4

1.1.2 Lý do chọn lựa vi điều khiển này……… 6

1.1.3 Các nguyên lý cơ bản của vi điều khiển ESP32………7

1.2 Tổng quan về động cơ Planet 7……….7

1.2.1 Giới thiệu, cơ bản về động cơ Planet……… 7

1.2.2 Cấu trúc cơ bản, ưu điểm, ứng dụng của động cơ Planet………9

1.3 Cách hoạt động của động cơ Planet, ứng dụng trong hệ thống điều khiển…9 1.3.1 Cách Hoạt Động của Động Cơ Planet……….9

1.3.2 Ứng Dụng của Động Cơ Planet trong Hệ Thống Điều Khiể……….9

2 Thiết kế hệ thống, các linh kiện và mạch điều khiển được sử dụng………… 11

2.1 Hệ thống điều khiển tốc độ vị trí của Động Cơ Planet……… 11

2.1.1 Giải thích về điều khiển tốc độ vị trí của động cơ………11

2.1.2 Kết hợp điều khiển tốc độ vị trí, ứng dụng……….11

2.2 Một số linh kiện và mạch điều khiển……… 12

3 Quá trình thực hiện và kiểm tra……… 17

4 Kết quả thu được và đánh giá sản phẩm……… 18

5 Kết luận……….19

5.1 Kết quả quan trọng……… 19

5.2 Kinh nghiệm rút ra……… 19

5.3 Đề xuất hướng phát triển và cải thiện………19

6 Tài liệu tham khảo……… 20

7 Phụ lục……… 21

LỜI NÓI ĐẦU

Để có được những công nghệ hiện đại như hiện nay đó là một quá trình pháttriển vô cùng to lớn của khoa học kỹ thuật, nhất là trong những thập niên gần đây,

ta thấy được tốc độ của sự phát triển đó ngày càng mau lẹ và mạnh mẽ

Trong đó một trong những hạt nhân của quá trình phát triển đó chính là côngnghệ điện tử Những chiếc máy tính bây giờ có thể dễ dàng làm những công việc

mà con người trước kia bỏ ra hàng năm để thực hiện xong, giờ thì có thể chỉ trongmột thời gian rất ngắn

Trong kỹ thuật mới thời gian không còn được tính bằng giây nữa, mà làmicro giây, thậm chí còn nhỏ hơn nữa Một bộ điều khiển tự động có thể thay thếcho nhiều công nhân, nhiều kỹ sư, thậm chí làm những việc mà con người khôngthể làm nổi

Là một sinh viên kỹ thuật và chính xác hơn là một sinh viên ngành kỹ thuậtđiều khiển và tự động hóa, đang chập chững bước vào một lĩnh vực vô cùng to lớn

ấy, thì việc học tập, vận dụng những kiến thức đã học vào trong thực tiễn, để traodồi kiến thức là chuyện đương nhiên và vô cùng quan trọng Đồ án 1, có thể làcông trình đầu tiên của chúng em và nhiều bạn sinh viên cùng ngành đã làm đểđánh dấu sự hiện diện của mình trong lĩnh vực này

Trên con đường trao dồi, học tập để trở thành một kỹ sư thực thụ, ngoài bảnthân của mình, còn là sự giúp đỡ, dạy dỗ của các thầy cô giáo Vì vậy chúng em xinchân thành cảm ơn các thầy trong khoa kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, đặc biệt

là thầy Mai Thế Anh đã hướng dẫn và cho chúng em những kinh nghiệm, kiến thức

để có thể hoàn thành được đồ án này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1.Đặt vấn đề

Vậy tại sao cần phải điều khiển? Có hai lý do chính là con người không thỏamãn với đáp ứng của hệ thống hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ chính xác,tăng năng suất, tăng hiệu quả về mặt kinh tế Ví dụ trong lĩnh vực dân dụng, chúng

ta cần điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm cho các căn hộ và các cao ốc tạo ra sự tiện nghitrong cuộc sống

Điều chỉnh bộ điều khiển trên nguyên mẫu vật lý hoặc phần cứng hệ thống

có thể dẫn đến các điều kiện hoạt động không an toàn và làm hư hỏng phần cứng.Cách tiếp cận đáng tin cậy hơn là xây dựng hệ thống và mô phỏng hệ thống đểkiểm tra bộ điều khiển ở các điều kiện hoạt động khác nhau để giảm rủi ro

Khi mô hình hóa không khả thi, một giải pháp thay thế là phát triển các môhình từ các phép đo input – output của hệ thống Một mô hình tuyến tính bậc thấp

có thể đủ để thiết kế bộ điều khiển cơ bản Phân tích chi tiết và thiết kế bộ điềukhiển hiệu năng cao đòi hỏi một mô hình trung thực hơn và có thể phi tuyến

Sử dụng một hệ thống điều khiển đơn giản cho động cơ BLDC như một ví

dụ, bài báo cáo này chỉ ra cách xác định mô hình hệ thống từ dữ liệu input – output,

sử dụng mô hình xác định để thiết kế một bộ điều khiển và thực hiện nó Quy trìnhlàm việc bao gồm các bước sau:

- Thu thập dữ liệu

- Xác định các mô hình

- Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển phản hồi

- Thực hiện các bộ điều khiển trên một bộ xử lý nhúng để kiểm tra thời gian thực

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô hình toán học

Mô hình toán học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích

mô tả lại đối tượng thực tế đó nhưng dưới dạng các biểu thức toán học để thuận lợicho quá trình phân tích, khảo sát thiết kế Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vaitrò quan trọng vì mọi khảo sát và toán bằng lý thuyết đều dựa trên mô hình toánhọc Vì vậy mô hình toán học là chìa khoá để mở ra mọi vấn đề trong quá trình tínhtoán thiết kế cho động cơ

Để thực hiện xây dựng mô hình toán thì cần phải đưa động cơ BLDC vềcác thành phần điện tử cơ bản Hình 2.1 trình bày mô hình mạch điện trong động

cơ bao gồm 3 cuộn dây stato được ước lượng bởi điện trở 𝑅𝑎 và điện cảm 𝐿𝑎, do

3 cuộn dây của stator được đặt cạnh nhau nên xảy ra hiện tượng hỗ cảm giữa cáccuộn dây với nhau, sự hỗ cảm giữa các cuộn dây được thể hiện qua hộ cảm M Mặtkhác do rotor của động cơ là nam châm vĩnh cửa nên khi rotor quay sẽ quét quacuộn dây stator nên có sự tương tác giữa hai từ trường Vì vậy các đại lượng 𝑒𝑎,

𝑒𝑏, 𝑒𝑐 , thể hiện sự tương tác giữa hai từ trường, biên độ của các sức phản điệnđộng này là bằng nhau và bằng E Do các nam châm đều được làm từ vật liệu cósuất điện trở cao nên có thể bỏ qua dòng cảm ứng rotor

Hình 2.1 Mô hình mạch điện của động cơ BLDC

Ba cuộn dây trên stator có điện trở lần lượt là R a, R b, R c , L a, L b, L c lần lượt làđiện cảm của các cuộn dây, 𝐿𝑎𝑏, 𝐿𝑏𝑐, 𝐿𝑐𝑎 là hỗ cảm giữa các cuộn dây tươngứng.

Từ phương trình điện áp một pha:

0

R b

0

0 0

0

R

0

0 0

R].[˙i a

˙i b

˙i c]+ s.[ L

M M

M L M

M M

Từ (2.3) và (2.5) ta có:

[V a

V b

V c]=[R

0 0

0

R

0

0 0

R].[˙i a

˙i b

˙i c]+ s.[L− M

0 0

0

L− M

0

0 0

0

R

0

0 0

Hình 2.2 Mô hình thu gọn động cơ BLDC

2.1.1 Phương trình sức điện động và mômen

Momen quán tính : 𝐽𝑚

Momen ma sát : 𝑀𝑓

Ma sát thường tỷ lệ với tốc độ và được biểu hiện thông qua hệ số nhớt D theo biểu thức: 𝑀𝑓 = D.𝜔𝑚

Momen tải của động cơ : 𝑀𝑐

Momen quán tính của tải : 𝐽𝑐

Như vậy, phương trình động học tổng quát của động cơ có dạng như sau:

M =( J m+ jC ⅆω

t

ⅆ +D ω+M c ) (2.8)

Đặt 𝐽 =𝐽𝑚+𝐽𝑐 , biến đổi phương trình trên ta được:

2.1.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than

Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động

cơ Công suất cơ của động cơ là tích số giữa momen và tốc độ Tuy vậy, ở cùng một giá trị công suất, mỗi loại động cơ khác nhau thì mối quan hệ giữa hai đại lượng này là khác nhau

Xét sơ đồ một pha tương đương của động cơ trong hình 2.3 gồm nguồn cấp một chiều có độ lớn V, sức phản điện động là E, điện trở cuộn dây là R và dòng điện mỗi pha ở chế độ xác lập là I Do tại một thời điểm trong động cơ luôn có 2 pha cùng dẫn nên phương trình cân bằng điện áp của động cơ ở thời điểm xác lập như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ một pha tuong đương của động cơ BLDC

Ta có công thức tính biểu công thức điện :

P d =e a i a+¿e b i b

+ ¿e c e c =2 E I¿ ¿ (2.11)Biểu thức về công suất cơ:

P c=¿ M ω (2.12)

Biểu thức về sức phản điện động:

E=¿ K e ω (2.13)

Nếu bỏ qua các tổn hao về momen như tổn hao do ma sát, tổn hao sắt từ, khe

hở thì có thể coi công suất cơ xấp xỉ bằng công suất điện Trong biểu thức về sứcphản điện động trên, E là giá trị đo theo đỉnh - đình Vì vậy, biên độ của sức điệnđộng phải là E/2

Từ (2.11) và (2.12) kết hợp với biêu thức sức phản điện động, ta được:

M ω=2 E I=¿ 2K e ω

2 I => M =K e I

=> I=M

K e (2.14)Nếu thay biểu thức sức điện động vào (2.11), ta có biểu thức của tốc độ như sau:

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ3.1 Sơ đồ mô tả các khối của bộ điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả các khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ.

3.2 Phương án chọn khối điều khiển trung tâm

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đếnphức tạp Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội củaArduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp

- Arduino rất dễ sử dụng, trực quan, trên mạch có ký hiệu rất rõ ràng,đầy đủ cácchân, cực kỳ thuận tiện trong quá trình sử dụng;

- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu;

- Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạytrên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau

Arduino Mega 2560 là một bo mạch được tích hợp nhiều tính năng nổibật. Tính năng đầu tiên là thiết kế hệ thống I / O lớn với 16 bộ chuyển đổi tương tự và

54 bộ chuyển đổi digital hỗ trợ UART và các chế độ giao tiếp khác. Thứ hai, ArduinoMega 2560 có sẵn RTC và các tính năng khác như bộ so sánh, timer, ngắt để điềukhiển hoạt động, tiết kiệm điện năng và tốc độ nhanh hơn với xung thạch anh16Mhz. 

Các tính năng khác bao gồm hỗ trợ JTAG để lập trình, gỡ lỗi và xử lý sự cố. V

ới bộ nhớ FLASH lớn và SRAM, bo này có thể xử lý chương trình hệ thống lớn mộtcách dễ dàng. Nó cũng tương thích với các loại bo mạch khác nhau như tín hiệu mứccao (5V) hoặc tín hiệu mức thấp (3.3V) với chân nạp I/O giúp hệ thống đáng tin cậy

và mạnh mẽ hơn. Nó hỗ trợ ICSP cũng như lập trình vi điều khiển USB với PC

Hình 3.2 Arduino Mega 2560.

Arduino Mega 2560 cũng được tích hợp các tính năng bổ sung như bộ so sánh,ngắt, chế độ tiết kiệm điện, cảm biến nhiệt độ, RTC và nhiều tính năng khác Nó làmột sự thay thế của Arduino Uno R3. Nó thường được sử dụng cho các dự án rất phứctạp

 Thông số kỹ thuật

Giao tiếp USB (Lập trình với ATmega 8), ICSP(lập trình), SPI, I2C và USART

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560

Hình 3.3 Tổng quan chân Arduino Mega 2560.

Hình 3.4 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560.

 Chân điều khiển:

- RESET: Arduino Mega Mega 2560 có sẵn mạch reset với nút ấn để thiết lập lại

hệ thống và chân này có thể được sử dụng khi kết nối các thiết bị khác để thiết lập lại bộ điều khiển

- XTAL1, XTAL2: Thạch anh(16Mhz) được kết nối với xung clock cung cấp cho bộ điều khiển

- AREF: Chân này được dùng khi sử dụng ADC để chuyển đổi tín hiệu với điện

áp tham chiếu bên ngoài mà không muốn sử dụng điện áp tham chiếu nội bộ 1.1V hoặc 5V

 Các chân Digital (70):

Chân số: Từ 0-53 (số) và 0-15 (tương tự) có thể được sử dụng làm đầu vàohoặc đầu ra cho thiết bị được thiết lập bằng các hàm Mode (), digtalWrite (),digitalRead ()

Ứng dụng: Thiết bị đầu ra: Relay, LED, buzzer, LCD và các thiết bị khác

Thiết bị đầu vào: Nút ấn, cảm biến siêu âm, cần điều khiển và cácthiết bị khác

Ứng dụng :Thiết bị đầu vào: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến (như ldr, irled và độ ẩm)

và các thiết bị khác

Thí dụ :

pinMode (0, INPUT);

analogRead (0);

 Chân có Chức năng thay thế:

Chân SPI: Chân 22-SS, 23_SCK, 24-MOSI, 25-MISO

- Các chân này được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp với giao thức SPI để liên lạcgiữa 2 thiết bị trở lên. SPI cho phép bit phải được thiết lập để bắt đầu giao tiếp vớicác thiết bị khác.

Ứng dụng: Lập trình điều khiển AVR, giao tiếp với những người khác ngoại vinhư LCD và thẻ SD

Chân I2C: Chân 20 cho SDA và 21 cho SCK (Tốc độ 400khz) để cho phép liên

lạc hai dây với các thiết bị khác. Hàm được sử dụng là wire.begin () để bắt đầuchuyển đổi I2C, với wire.Read () để đọc dữ liệu i2c và wire.Write () để ghi dữ liệui2c

Ứng dụng:

Thiết bị đầu ra: LCD và liên lạc giữa nhiều thiết bị với hai dây

Thiết bị đầu vào: RTC và các thiết bị khác

PWM chân : Chân 2-13 có thể được sử dụng như đầu ra PWM với hàm

analogWrite () để ghi giá trị pwm từ 0-255

Ứng dụng: Thiết bị đầu ra: Điều khiển tốc độ của động cơ, ánh sáng mờ, pid cho

hệ thống điều khiển hiệu quả

Thí dụ: Ngõ ra tín hiệu tương tự trên bảng mạch Arduino

- Chân này được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp giữa bo mạch với máy tính hoặc

hệ thống khác để chia sẻ và ghi dữ liệu. Nó được sử dụng với hàm serialBegin ()

để cài đặt tốc độ truyền và bắt đầu truyền thông với serial.Println () để in mảng

attachInterrupt (digitalpinToInterrupt (1), LOW, CHANGE);

Chân ngắt phần cứng: Chân 18 - 21,2,3 ngắt phần cứng được sử dụng cho các

ứng dụng ngắt. Ngắt phần cứng phải được bật với tính năng ngắt toàn cục để ngắt quãng từ các thiết bị khác

Ứng dụng: Nhấn nút cho chương trình ISR, đánh thức bộ điều khiển bằng thiết

bị bên ngoài như cảm biến siêu âm và các thiết bị khác

 Giắc cắm nguồn DC: Cấp nguồn cho Arduino Mega từ 7-12V qua cổng

này. Arduino Mega R3 có bộ điều chỉnh điện áp nguồn cấp 5V và 3.3V cho bộ điều khiển Arduino và bộ cảm biến

AVR 2560: Đây là vi điều khiển chính được sử dụng để lập trình và chạy tác vụ

cho hệ thống. Đây là bộ não của hệ thống để điều khiển tất cả các thiết bị khác trên mạch

ATmega8: Vi điều khiển này được sử dụng để liên lạc giữa bộ điều khiển chính

và các thiết bị khác. Bộ điều khiển này được lập trình cho giao tiếp USB và các tính năng lập trình nối tiếp

ICSP 1 (ATmega8) và 2 (AVR 2560): Nó có các tính năng của lập trình sử

dụng bus nối tiếp với lập trình AVR sử dụng giao tiếp SPI. AVR 2560 được lập trình để chạy hệ thống và ATmega 8 được lập trình để liên lạc và lập trình nối tiếp

3.3 Phương án khối cảm biến

Cảm biến Hall (Hall sensor) là một thiết bị điện tử sử dụng hiệu ứng Hall đểphát hiện sự hiện diện hoặc thay đổi của từ trường Cảm biến Hall có thể xác địnhchính xác vị trí thời gian thực của rôto động cơ không chổi than bằng cách đocường độ và hướng của từ trường gần đó Điều này cung cấp phản hồi vị trí quantrọng cho hệ thống điều khiển động cơ, cho phép hệ thống điều chỉnh chính xácdòng điện và từ trường khi cần thiết để vận hành ổn định, hiệu quả

Ngoài ra, cảm biến Hall đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thôngtin tốc độ Bằng cách giám sát tín hiệu xung đầu ra từ cảm biến Hall, hệ thống điềukhiển động cơ có thể đo chính xác tốc độ của động cơ Điều này rất quan trọng đốivới các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ theo thời gian thực!

Hình 3.11 Cảm biến Hall trong động cơ không chổi than

Cảm biến Hall có thể phát hiện những thay đổi về cường độ từ trường thôngqua Hiệu ứng Hall Theo quy tắc bàn tay trái đã học trong vật lý phổ thông (dùng

để xác định hướng lực của vật dẫn tích điện trong từ trường), trong vòng dây nơiđặt cảm biến Hall, từ trường làm lệch hướng chuyển động của các hạt mang điện,

và các hạt tích điện "đập" vào Hall Có một sự khác biệt tiềm năng giữa hai mặt củacảm biến Tại thời điểm này, một vôn kế có thể được kết nối với cả hai mặt của cảmbiến Hall để phát hiện sự thay đổi điện áp này, từ đó phát hiện sự thay đổi củacường độ từ trường

 Ưu điểm: Cung cấp tín hiệu điện ổn định trong các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ Có thể hoạt động mà không cần tiếp xúc trực tiếp với các

bộ phận khác, giúp tăng tính an toàn và độ tin cậy của hệ thống Phản ứng hiệu quả với sự thay đổi trong từ trường, không bị ảnh hưởng bởi tốc độ quay của trục quay

 Nhược điểm: – Cảm biến Hall dễ bị nhiễu do sự xuất hiện của nhiều nguồn

nhiễu trong động cơ

– Giá thành của cảm biến Hall cao hơn so với các loại cảm biến điện tử thông thường

– Hiệu suất của thiết bị có thể bị ảnh hưởng bởi loại mạch điện được sử dụng