Đề tài Điều khiển động cơ ba pha không chổi than với mã hóa xung vuông sử dụng 56F800/E

Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 10/12/2013 ‹#› Môn Học: Máy điện Đặc Biệt Đề tài: Điều khiển động cơ ba pha không chổi than với mã hóa xung vuông sử dụng 56F800/E GVHD : Thầy Trần Đức Lợi Nhóm: 8 SVTH: Vũ Đức Thảo 11242030 Vũ Văn Thường 1124203x Hồ Văn Nhân 10102094 Khoa Điện – Điện tử TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH 3-Phase BLDC Motor Control with Quadrature Encoder using 56F800/E Điều khiển động cơ ba pha không chổi than với mã hóa xung vuông sử dụng 56F800/E Design of Motor Control Application Based on Processor Expert  Thiết kế dựa theo ứng dụng điều khiển động cơ bằng bộ xử lý Expert Encoder trục Encoder lỗ Encoder bánh xe Introduction of Application BenefitGiới thiệu về lợi ích ứng dụng This application note describes the design of a 3-phase BLDC (Brushless DC) motor drive based on Freescale’s 56F800/Econtrollers. The software design takes advantage of Processor ExpertTM (PE). Lưu ý ứng dụng này mô tả các thiết kế của một đông cơ ba pha BLDC (động cơ 1 chiều không chổi than) hoạt động cơ bản của động cơ dựa trên bộ điều khiển 56F800/E của hãng Freescale. Phần mềm thiết kế đòi hỏi bộ xử lý ExpertTM (PE). BLDC motors are very popular in a wide variety of applications. The BLDC motor loads a commutator , so it is more reliable than the DC motor. The BLDC motor also has advantages when compared to an AC induction motor. With the ability to generate rotor achieve magnetic flux with rotor magnets, BLDC motors are more efficient and are therefore used in high-end white goods (refrigerators, washing machines, dishwashers, etc.), high-end pumps, fans and other appliances which require high reliability and efficiency. Động cơ BLDC đang rất phổ biến trong một loạt các ứng dụng. Các động cơ BLDC nạp lên một bộ chuyển mạch, vì vậy nó có nhiều ưu thế hơn so với động cơ DC. Các động cơ BLDC có ưu điểm hơn so với động cơ cảm ứng AC. Với khả năng tạo ra tới từ thông đạt được với rotor là nam châm, động cơ BLDC có hiệu quả hơn và do đó được sử dụng trong hàng cao cấp trắng (tủ lạnh, máy giặt, máy rửa bát, vv), máy bơm cao cấp, quạt điện và các thiết bị khác có yêu cầu độ tin cậy cao và hiệu quả. Giới thiệu về lợi ích ứng dụng The heart of the application described is a speed closed-loop BLDC drive using a Quadrature Encoder. It is an example of a BLDC motor control system design using a Freescale controller with PE software support. Trung tâm của ứng dụng được mô tả là một vòng kín thể hiện tốc độ BLDC bằng việc sử dụng a Quadrature Encoder (mã hoá xung vuông). Đây là một ví dụ về một động cơ BLDC thiết kế hệ điều khiển sử dụng một bộ điều khiển Freescale với các phần mềm hỗ trợ PE. Giới thiệu về lợi ích ứng dụng This application note includes the basic motor theory, system design concept, hardware implementation, and software design, including the PC master software visualization tool. Lưu ý ứng dụng này bao gồm các lý thuyết cơ bản về động cơ, khái niệm thiết kế hệ thống, thực hiện phần cứng và thiết kế phần mềm, bao gồm cả các công cụ phần mềm máy tính chủ. Giới thiệu về lợi ích ứng dụng 3. Target Motor Theory  Mục tiêu nguyên lý động cơ A brushless DC (BLDC) motor is a rotating electric machine; the stator is a classic 3-phase stator like that of an induction motor, and the rotor has surface-mounted permanent magnets Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) là một máy điện quay; có phần tĩnh là một phần tĩnh 3 pha có kết cấu kiểu cổ điển như là của một động cơ cảm ứng, và phần quay có bề mặt được gắn nam châm vĩnh cửu Figure 3-1. Cross Section of BLDC Motor Bộ phận theo mặt cắt ngang của động cơ BLDC Bộ phận theo mặt cắt ngang của động cơ BLDC Điều khiển số của một động cơ BLDC In this respect, the BLDC motor is equivalent to an inverted DC commutator motor, in which the magnet rotates while the conductors remain stationary. In the DC commutator motor, the current polarity is reversed by the commutator and brushes. However, in the brushless DC motor, the polarity reversal is performed by power transistors switched in synchronization with the rotor position. Therefore, BLDC motors often incorporate either internal or external position sensors to sense the actual rotor position, or the position can be detected without sensors. Về mặt này, động cơ BLDC là tương đương với một động cơ DC có vành góp, trong đó nam châm quay trong khi các dây dẫn vẫn đứng yên. Trong chuyển mạch động cơ DC, cực hiện tại đảo ngược bởi các vành góp và chổi than. Tuy nhiên, trong các động cơ DC không chổi than, sự đảo chiều phân cực được thực hiện bởi Transistor công suất cung cấp dòng điện đồng bộ với vị trí rotor. Vì vậy, động cơ BLDC thường kết hợp một trong hai cảm biến vị trí bên trong hoặc bên ngoài để cảm nhận từ trường rotor, hoặc vị trí có thể được phát hiện mà không có cảm biến. Điều khiển số của một động cơ BLDC 3.1 Digital Control of a BLDC Motor Điều khiển số của một động cơ BLDC The BLDC motor is driven by rectangular voltage strokes coupled with the given rotor position; see Figure 3-2.The generated stator flux, together with the rotor flux, which is generated by a rotor magnet, defines the torque and thus the speed of the motor. To get the maximum generated torque, the voltage strokes must be applied to the 3-phase winding system, so that the angle between the stator flux and the rotor flux is kept close to 90°. To meet this criteria, the motor requires electronic control for proper operation. Động cơ BLDC là bị dẫn của hành trình điện áp bước vuông góc kết hợp với vị trí rotor được, xem hình 3-2.Để tạo ra mô-men xoắn tối đa được, điện áp bước phải được áp dụng cho 3 pha dây quấn, do đó góc giữa từ trường stator và rotor thông được giữ gần 90 °. Để đáp ứng các tiêu chí này, động cơ đòi hỏi phải điều khiển điện tử cho hoạt động tốt. Điều khiển số của một động cơ BLDC Điều khiển số của một động cơ BLDC A standard 3-phase power stage is used for the common 3-phase BLDC motor; an example is illustrated in Figure 3-3. The power stage utilizes six power transistors with independent switching. The power transistors may be switched to independent or complementary mode. Một số mạch điều khiển 3 pha điện tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến trong động cơ 3-pha BLDC, một ví dụ được minh họa trong Hình 3-3. mạch điều khiển sử dụng sáu Transistor công suất với chuyển mạch độc lập. Các Transistor công suất có thể được chuyển sang chế độ độc lập hoặc bổ sung. Điều khiển số của một động cơ BLDC The 3-phase power stage supplies two motor phases concurrently in both modes. As shown in Figure 3-2, the third phase is not powered, so there are six possible voltage vectors that are applied to the BLDC motor. Figure 3-2 shows the maximum voltage amplitude applied to the BLDC motor, which is equal to the DCBus voltage. The lower voltage is generated using a PWM technique; see Figure 3-4 and Figure 3-5. Mạch điều khiển 3 pha cung cấp điện động cơ đồng thời trong cả hai chế độ. Như thể hiện trong hình 3-2, pha thứ ba là không được hỗ trợ, do đó có sáu vector điện áp có thể được áp dụng cho các động cơ BLDC. Hình 3-2 cho thấy biên độ điện áp tối đa áp dụng cho các động cơ BLDC, tương đương với điện áp DCBus. Điện áp thấp được tạo ra bằng cách sử dụng kỹ thuật PWM, xem hình 3-4 và hình 3-5. Điều khiển số của một động cơ BLDC There are two basic types of power transistor switching: independent switching and complementary switching, detailed in the following sections. Có hai loại cơ bản của Transistor công suất chuyển đổi: chuyển đổi độc lập và chuyển đổi bổ sung, chi tiết trong các phần sau Điều khiển số của một động cơ BLDC 3.1.1 Independent Switching of Power Transistors Chuyển mạch độc lập của Transistor công suất With independent switching, only two transistors are switched on when the current is conducted from the power supply to the phase of the BLDC motor. In one phase, the top transistor is switched on; in the second phase, the bottom transistor is switched on and the third phase is not powered. During freewheeling, all transistors are switched off; see Figure 3-4. Với chuyển đổi mạch độc lập, chỉ có hai Transistor công suất được bật lên khi có dòng điện dẫn điện thực hiên bởi nguồn điện pha của động cơ BLDC.Trong một pha (giai đoạn đầu), các Transistor công suất đầu được bật, trong pha (giai đoạn) thứ hai, các Transistor công suất dưới cùng được bật và đến pha thứ ba là không được hỗ trợ. Trong quá trình tự do của tất cả Transistor công suất được tắt, xem hình 3-4. Chuyển mạch độc lập của Transistor công suất Chuyển mạch độc lập của Transistor công suất 3.1.2 Complementary Switching of Power Transistors chuyển mạch bổ sung của Transistor công suất With complementary switching, two transistors are switched on when the phase of the BLDC motor is connected to the power supply. But during freewheeling, all the transistors are switched off with independent switching, the current continues to flow in the same direction through freewheeling diodes, and falls to zero. With complementary switching, the opposite occurs: transistors are switched on during freewheeling, so the current is able to flow in the opposite direction. Figure 3-5 depicts complementary switching. Với chuyển đổi bổ sung, hai transistor công suất được bật lên khi pha của động cơ BLDC được kết nối với nguồn điện. Nhưng trong quá trình xoay tự do, tất cả các transistor công suất được tắt với chuyển mạch độc lập, hiện tại vẫn tiếp tục chạy trong cùng một hướng thông qua điốt xoay tự do, và giảm xuống bằng không. Với chuyển đổi bổ sung, điều ngược lại xảy ra: transistor công suất được bật lên trong tự do của, vì vậy hiện tại có thể chạy theo hướng ngược lại. Hình 3-5 mô tả chuyển đổi bổ sung. Note: Both of the switching modes described can work in bipolar or unipolar mode. Figure 3-4 and Figure 3-5 illustrate the bipolar switching mode. The application presented utilizes the complementary unipolar PWM mode. Lưu ý: Cả hai chế độ chuyển đổi được mô tả có thể làm việc trong chế độ lưỡng cực (hai cực) hay đơn cực. Hình 3-4 và Hình 3-5 minh họa cho chế độ chuyển đổi lưỡng cực. Các ứng dụng được trình bày dùng bổ sung chế độ PWM (điều biến độ rộng xung) đơn cực (chế độ dạng đơn cực điều biến độ rộng xung). Hình 3-5. Chuyển mạch bổ sung của transistor công suất Commutation creates a rotation field. As explained previously, proper operation of a BLDC motor requires the angle between stator and rotor flux to remain close to 90°. Six-step control yields a total of six possible stator flux vectors. The stator flux vector mustbe changed at a certain rotor position. Chuyển mạch tạo ra một trường quay. Như đã giải thích trước đây, hoạt động đúng của một động cơ BLDC đòi hỏi góc giữa stator và rotor vẫn gần 90 °. Sáu bước điều khiển mang lại tổng cộng sáu vecto dòng stator. Vector dòng stator phải được thay đổi ở vị trí roto nhất định. 3.1.3 Commutation Chuyển mạch The rotor position is usually detected by Hall Sensors. The Hall Sensors directly detect the commutation moment. The application presented usesthe Quadrature Encoder to sense rotor position. Therefore, the rotor position must be translated to determine the commutation moment.  Vị trí roto thường được phát hiện bằng cảm biến Hall. Cảm biến Hall trực tiếp phát hiện các thời điểm chuyển mạch. Các ứng dụng được trình bày sử dụng mã hóa xung vuông xác định vị trí rôto. Do đó, vị trí roto phải được dịch chuyển để xác định thời điểm chuyển mạch. COMMUTATION The electrical revolution can be divided into six sectors. Each sector corresponds to a certain stator flux vector, as illustrated in Figure 3-6. The commutation sequence is illustrated in tables Table 3-1 and Table 3-2.Một vòng điện có thể được chia thành sáu phần. Mỗi phần tương ứng với một vector dòng stator nhất định, như minh họa trong hình 3-6. Trình tự chuyển mạch được minh họa trong Bảng 3-1 và Bảng 3.2 COMMUTATION Hình 3.6: Vector Dòng Stator The next two figures depict the commutation process. The actual rotor position in Figure 3-7 corresponds to the sector ABC[110]; (see Figure 3-6). The actual voltage pattern can be derived from Table 3-2. Phase A is connected to the positive DCBus voltage by the transistor Q1; Phase C Is connected to the ground by transistor Q6; Phase B is unpowered. Hai hình tiếp theo mô tả quá trình chuyển mạch. Thực tế vị trí rotor trong hình 3-7 tương ứng với phần ABC[110], (xem hình 3-6). Các dạng điện áp thực có thể được lấy từ Bảng 3-2. Pha A kết nối với điện áp dương DCBus của transistor Q1; Pha C được kết nối đất bởi transistor Q6; Pha B không có năng lượng. COMMUTATION As soon as the rotor reaches a certain position (see Figure 3-7), the sector is changed from ABC[110] to abc[100]. A new voltage pattern is selected from Table 3-2 and applied to the BLDC motor. Ngay khi rôto đạt đến một vị trí nhất định (xem hình 3-7), phần hình quạt này đã thay đổi từ ABC [110] thành ABC [100]. Một điện áp mới được chọn từ bảng 3-2 và áp dụng cho động cơ BLDC. As demonstrated, there is no possibility with a six-step control technique of keeping a precise 90° angle between the rotor flux and the stator flux. The actual angle varies from 60° to 120°. Như đã chứng minh với một kỹ thuật điều khiển sáu bước, không có khả năng trong việc giữ góc giữa từ trường rotor và từ trường stator chính xác 90o. Các góc độ thực tế thay đổi từ 60° đến 120°. COMMUTATION The commutation is repeated every 60 electrical degrees. The commutation event is critical for it’s angular (time) accuracy; any deviation causes torqueripples and therefore, speed variation.Đảo pha được lặp đi lặp lại mỗi 60 độ điện. Việc chuyển mạch là rất quan trọng cho góc của nó (thời gian) chính xác, bất kỳ độ lệch gây ra những gợn sóng và moment sóng, từ đó, thay đổi tốc độ. COMMUTATION Pha A Pha A Hình 3.7: Trạng thái chuyển mạch ưu tiên Hình 3.8: Trạng thái chuyển mạch cho phép LỆNH ĐIỀU KHIỂN [ABC] PHA A PHA B PHA C 1 0 0 -VDCB + VDCB NC 1 0 1 NC + VDCB -VDCB 0 0 1 + VDCB NC -VDCB 0 1 1 + VDCB -VDCB NC 0 1 0 NC -VDCB + VDCB 1 1 0 -VDCB NC + VDCB BẢNG 3-1: DÃY CHUYỂN MẠCH THEO CHIỀU KIM ĐỒNG HỒ LỆNH ĐIỀU KHIỂN [ABC] PHA A PHA B PHA C 1 0 0 +VDCB - VDCB NC 1 1 0 +VDCB NC -VDCB 0 1 0 NC +VDCB -VDCB 0 1 1 - VDCB +VDCB NC 0 0 1 -VDCB +VDCB NC 1 0 1 NC -VDCB + VDCB BẢNG 3-2: DÃY CHUYỂN MẠCH THEO NGƯỢC CHIỀU KIM ĐỒNG HỒ The BLDC motor application uses a Quadrature Encoder for rotor position sensing. The Quadrature Encoder output consists of three signals. Two phases, A and B, represent the rotor position, and an Index pulse defines the zero position. Các ứng dụng động cơ BLDC sử dụng một Bộ mã hóa xung vuông cho cảm biến vị trí rotor. Đầu ra Bộ mã hóa xung vuông bao gồm ba tín hiệu. 2 PHA A và B, đại diện cho các vị trí rotor, và một xung số xác định vị trí số không. 3.1.3.1 Quadrature Encoder versus Sensor Hall BỘ MÃ HÓA XUNG VUÔNG SO VỚI CẢM BIẾN HALL All Quadrature Encoder signals are depicted in Figure 3-9. Compared with Hall Sensors, there are some differences which affect the control algorithm. The main differences are that the Quadrature Encoder does not report the commutation moment and absolute position, as the Hall Sensors do. Tất cả các tín hiệu Bộ mã hóa xung vuông được mô tả trong hình 3-9. So với cảm biến Hall, có một số khác biệt làm ảnh hưởng đến các thuật toán điều khiển. Sự khác biệt chính là các Bộ mã hóa xung vuông không nói về các thời điểm đảo mạch và vị trí tuyệt đối, như các cảm biến Hall làm. Quadrature Encoder versus Sensor Hall Quadrature Encoder versus Sensor Hall Figure 3-9. Quadrature Encoder Output Signals Tín hiệu ngõ ra của bộ mã hóa xung vuông Table 3-3.   Differences between Quadrature Encoder and Hall Sensors Quadrature Encoder Hall Sensors Three outputs Three outputs Does not give absolute position Gives absolute position Give precise position Gives 6 events per electrical revolution Bộ Mã Hóa Quadrature Cảm Biến Hall Có 3 ngõ ra Có 3 ngõ ra Không cho vị trí tuyệt đối Cho vị trí tuyện đối Cho vị trí chính xác Cho ra 6 phần trên vòng tròn điện The differences between the Quadrature Encoder and Hall Sensors are summarized in Table 3-3.Sự khác nhau giữa Bộ mã hóa xung vuông và cảm biến Hall được tóm tắt trong bảng 3-3. The BLDC motor is commutated in the six defined moments. Since the Quadrature Encoder gives the precise position, one electrical revolution is divided into six sectors; see Figure 3-10. To recognize the commutation moment, it is necessary to scan the Quadrature Encoder’s position very quickly. Động cơ BLDC được chuyển mạch trong sáu thời điểm được định trước. Kể từ khi Bộ mã hóa Quadrature cung cấp cho các vị trí chính xác, một vòng quay điện được chia thành sáu phần hình quạt, xem hình 3-10. Để nhận ra thời điểm chuyển mạch, cần để quét vị trí Encoder Quadrature (mã hóa xung vuông) rất nhanh chóng. 3.1.3.2 Commutation with Periodical Scanning of Quadrature Encoder Chuyển mạch với chu ky quét của Bộ mã hóa xung vuông  The frequency of scanning depends on the maximum rotor speed, the number of pole pairs and the required precision of commutation moment detection.The same scan frequency usedin the PWM (16KHz) is satisfactory for common applications. Tần số quét phụ thuộc vào tốc độ tối đa của rotor, số cặp cực và phụ thuộc vào độ chính xác của sự phát hiện thời điểm chuyển mạch. Tần số quét tương tự được sử dụng trong các PWM (16KHz) là đạt yêu cầu cho các ứng dụng thông thường. Commutation with Periodical Scanning of Quadrature Encoder In this case, the rotor position can be scanned in the moment of a PWM reload interrupt. The algorithm translates the actual position into one of the six sectors. If a change of sector is detected, commutation is performed. Trong trường hợp này, vị trí rotor có thể được quét trong thời điểm một PWM nạp lại bị ngắt. Các thuật toán dịch chuyển vị trí thực tế vào một trong sáu phần hình quạt. Nếu sự thay đổi của hình quạt được phát hiện, sự chuyển mạch được thực hiện. Commutation with Periodical Scanning of Quadrature Encoder Figure 3-10. Separation of One Electrical Revolution into Six Commutation Sectors Note: Figure 3-10 considers 500 pulses per mechanical revolution; both rising and falling edges counting; two pole pairs (500 x 4 / 2 = 1000 pulses per electrical revolution) Chú ý: hình 3-10. xem xét 500 xung mỗi vòng quay cơ khí, cả 2 cạnh lên và xuống; hai cặp cực (500 x 4/2=1000 xung trên một vòng điện) 3.1.3.3 Direct Conversion of Quadrature Encoder Signals to a Commutation Sector 3.1.3.3 Chuyển đổi trực tiếp của các tín hiệu mã hóa xung vuông đến một bộ phận chuyển mạch The second method is the direct conversion of Encoder output to commutation sectors. The conversion is completely automatic and provided by hardware. The advantage of this method is that an interrupt rate depends on the actual motor speed, while in the previous method, there is a constantly high interrupt rate in order to scan the actual motor position. A description of the direct conversion operation follows: Phương pháp thứ hai là chuyển đổi trực tiếp của tín hiệu ra mã hóa tới các bộ phận chuyển mạch. Việc chuyển đổi hoàn toàn tự động và được xử lý bằng phần cứng. Ưu điểm của phương pháp này là mức độ(tỷ lệ) gián đoạn phụ thuộc vào tốc độ động cơ thực tế, trong khi trong các phương pháp trước đó, có một tỷ lệ bị gián đoạn liên tục cao (liên tục gián đoạn cao) để quét các vị trí thực của động cơ. Mô tả về các công đoạn chuyển đổi trực tiếp sau: The electrical revolution is divided into six sectors, shown in Figure 3-10. The rotor position is scanned by the quadrature counter, which has its inputs connected to the Quadrature Decoder. After rotor alignment is in a known position, both compare registers are set to values that correspond to sector borders and the counter is set to zero; see Figure 3-11. When the motor starts to move, the counter starts to count the pulses of the Quadrature Encoder. Nothing happens until the counter reaches one of the compare values. Các chu kỳ điện được chia thành sáu phần, thể hiện tro