Τεχνολογίες ελέγχου DC κινητήρων με DSPs και MCUs :  Ανάπτηξη πειραματικής διάταξης μετατροπής  απλού κινητήρα DC χαμηλού κόστους σε  σερβοκινητήρα με την χρήση MCU χαμηλού κόστους

Κώτσα, Θωμάς

DC motor control with DSPs and MCUs: Development of an experimental device for the transformation of a low-cost DC motor to a servo motor with a low-cost MCU

Διπλωματική εργασία

Author

Κώτσα, Θωμάς

Date

2023-02

Advisor

Παπαγέωργας, Παναγιώτης

kotsa_50344145.pdf (3.972Mb)

Keywords

Ηλεκτρικοί κινητήρες ; Simulink ; MATLAB ; Σερβοκινητήρες

Abstract

Οι ηλεκτρικές μηχανές σήμερα αποτελούν τον κινητήριο μοχλό της βιομηχανικήςπαραγωγής αλλά και της καθημερινότητάς μας, καθώς οι εφαρμογές τους είναι αναρίθμητες, από την μετακίνηση μας, την παραγωγή ενέργειας, τους 3D printers, τον σκληρό δίσκο του υπολογιστή μας και τους ανεμιστήρες για την ψύξη τους, έως και την παραγωγή ενέργειας από τις ηλεκτρογεννήτριες. Υπολογίζεται περίπου ότι το 45% της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αυτή τη στιγμή το καταναλώνουν οι ηλεκτρικοί κινητήρες και ο μέσος όρος απόδοσής τους δεν ξεπερνά το 50%. Η παρούσα διπλωματική εργασία ξεκινά με την μελέτη των αρχών λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων, τον τρόπο οδήγησης τους και προχωρά στις εφαρμογές τους. Θα αναφερθούν αρκετοί διαφορετικοί τύποι κινητήρων και θα καλυφθεί ένα ικανοποιητικό εύρος τεχνολογιών οδήγησης και κατασκευής τους. Επίσης δίνονται στοιχεία από συγκρίσεις μεταξύ τους, όσον αφορά τα χαρακτηριστικά τους. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στον ηλεκτρικό κινητήρα και τις βασικές λειτουργίες του. Στην συνέχεια γίνεται μια ιστορική αναδρομή και τέλος αναφέρονται μερικές βασικές έννοιες και φυσικά μεγέθη των κινητήρων ώστε να γίνει πιο κατανοητή η διπλωματική. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των κινητήρων συνεχούς ρεύματος (DCmotors). Παρουσιάζεται η εσωτερική δομή και κατασκευή τους και περιγράφονται οι κύριες εφαρμογές όπου βρίσκουν χρήση. Τέλος γίνεται μέτρηση βασικών χαρακτηριστικών μεγεθών όπως ρεύματος, ροπής και ταχύτητας. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση και ανάλυση των βηματικών κινητήρων (stepper motors), παρουσιάζεται η εσωτερική δομή τους αλλά και μέθοδοι για τον ψηφιακό έλεγχό τους. Ειδικότερα παρουσιάζονται τρεις βασικές κατηγορίες βηματικών κινητήρων και αναλύονται τα χαρακτηριστικά τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι σερβοκινητήτρες (servomotors). Αρχικά γίνεται μια πρώτη γνωριμία με τους σερβοκινητήρες και τα πεδία όπου βρίσκουν εφαρμογές. Έπειτα γίνεται σύγκριση με τους βηματικούς κινητήρες και εντοπίζονται οι ομοιότητές τους, κυρίως ως προς την ακρίβεια της κίνησης. Τέλος γίνεται ψηφιακή και αναλογική οδήγηση σερβοκινητήρα με το ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) 555. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες (brushless motors). Γίνεται ανάλυση της δομής τους και περιγραφή του τρόπου οδήγησής τους. Τέλος γίνεται και αναφορά στη σύνδεση αυτών των κινητήρων και στο ρόλο τους στην ραγδαία ανάπτυξη των Drones. Στο έκτο και τελευταίο κεφαλαίο χρησιμοποιείται το περιβάλλον Simulink της Matlab® για την παραγωγή κώδικα που ελέγχει και οδηγεί ένα DC κινητήρα. Πρόκειται για την προσέγγιση Model Based Design, με συγκεκριμένα τεχνικά πλεονεκτήματα. Αν και πολύ πρόσφατη εξέλιξη, σε ελάχιστο χρόνο κυριάρχησε ως μέθοδος στην ανάπτυξη εφαρμογών με μικροελεγκτές. Ουσιαστικά αντικαθίσταται η συγγραφή κώδικα από προγραμματιστή από την αυτοματοποιημένη παραγωγή κώδικα για μικροελεγκτή μέσω του μοντέλου του πραγματικού συστήματος που σχεδιάζεται και υλοποιείται στο περιβάλλον Simulink. O κώδικας στη συνέχεια μπορεί να εκτελεστεί στον ίδιο ή σε άλλο μικροελεγκτή. Η προσέγγιση αυτή δίνει επαυξημένες δυνατότητες προσομοίωσης του αναπτυσσόμενου συστήματος του τύπου Hardware In the Loop (HIL). Στην παρούσα διπλωματική η υλοποίηση στο Simulink αφορά έναν απλό P-controller που ελέγχει ένα DC κινητήρα. Το μοντέλο οικοδομείται στο Simulink το οποίο στη συνέχεια παράγει τον κώδικα που ελέγχει τον κινητήρα παίρνοντας ανατροφοδότηση από αισθητήρα. Το σύστημα ελέγχθηκε σε σειρά από απλές δοκιμές με θετικά αποτελέσματα. Το κυριότερο πλεονέκτημά του είναι ότι αποτελεί μία low-cost λύση, γεγονός όμως που δεν έχει επίπτωση στην ποιότητα του αποτελέσματος.

Abstract

Electric machines today are the driving force of industrial production and of our everyday life as well, as their applications in our everyday life are innumerable, ranging from transportation to energy production, to 3D printers, to computer hard drivers and fans to cool them, to power generation. It is estimated that approximately 45% of global production of electrical energy right now is consumed by electrical motors and their average efficiency does not exceed 50%. The present thesis aims to study the principles of electric motors, their way of driving, and the applications we use them. Several different types will be referred to study a wide range of commercially available electric motors. The motors comparisons between the various types are performed according to their characteristics-specifications. The structure of the thesis is the following: In the first chapter, an introduction to the principles of electric motors is given. Then there is a historical retrospective and finally, some concepts of the engines are mentioned to make the reading of the thesis easier to understand. In the second chapter, there is an analysis of DC motors. How they are internally manufactured, applications that are used, and finally simple measurement procedures are introduced for critical features such as electricity, torque, and speed. In the third chapter, there is an analysis of stepping motors. How they are internally structured and how their digital control is processed as well, together with a presentation of the three basic categories and their characteristics. In the fourth chapter, the servo motors are presented. First, there is an introduction to motors and their common applications. Then we present a comparison with the step motors because they have some similarities regarding movement accuracy. Finally, a low-cost digital and analog driving setup is presented based on the integrated circuit 555. In the fifth chapter, the brushless motors are presented. There is an analysis of their structure and a description of their way of driving. Finally, there is a reference to the connection of these motors to the rapid development application area of Drones. In the sixth and final chapter, the Matlab® Simulink environment is used to generate code that controls and drives a DC motor. This is the Model Based Design approach, with specific technical advantages. Although is considered a very recent achievement, it dominated as a method in the development of microcontroller applications in no time. The Simulink environment basically functions by replacing the writing of code of a programmer by the automated generation of code for a microcontroller, through the model of the real system, designed and implemented in the Simulink environment. The code can then be executed on the same or another microcontroller. This approach provides countless possibilities for simulation of the developing system of the “Hardware In the Loop” (HIL) type. In this thesis the implementation in Simulink concerns a simple P-controller that controls a DC motor. The model is built in Simulink which then generates the code that controls the motor by taking sensor feedback. The system was tested in a series of simple tests with positive outcome. Its main advantage constitutes in being a lower-cost solution without compromising the quality of the result