BÀI tập lớn VI điều KHIỂN đề tài bộ điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều gồm 2 mạch vòng

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÀI TẬP LỚN VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài : Bộ điều khiển tốc độ động chiều gồm mạch vòng Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Hồng Quang SV thực : Nguyễn Duy Phương - 20181697 Hà Nội,03/2022 MỤC LỤC Trang Chương 1: Tổng quan đề tài 1.1 Tên đề tài 1.2 Đặc tính kĩ thuật Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Mơ hình hóa 2.2 Cấu trúc điều khiển Chương 3:Thực nghiệm……………… 3.1.Sơ đồ nguyên lý 3.2 Mạch module…………………………………………………… 11 3.3 Cấu trúc phần mềm 14 Chương 4: Kết thực tế 14 Chương 5: Kết luận 15 CHƯƠNG : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tên đề tài: Đề tài số 3: Bộ điều khiển tốc độ động chiều gồm mạch vịng - Thiết kế điều khiển có mạch vòng tốc độ dòng điện - Đặt tốc độ tên máy tính PC - Hiển thị giá trị phản hồi PC 1.2 Đặc tính kỹ thuật ■ Thông số động DC:          Điện áp: 12 VDC Dòng điện khơng tải : 120mA Dịng điện định mức : 1A Dịng điện lớn nhất: 2.3A Tốc độ khơng tải: 333 rpm Tốc độ định mức: 250 rpm Mô men định mức: 0,35 (N.m) Mô men lớn : 0.5 (N.m) Encoder có số xung: 330, với kênh A, B lệch pha góc 90 độ Từ thơng số từ datasheet động thực nghiệm, số thơng số tính tốn sau:  Điện trở phần ứng: Ra=3 (Ω)  Điện cảm phần ứng: La= 2(mH)  Mơ men qn tính: J=0.0005 (kg.m) ■ Phạm vi điều chỉnh: 0-333rpm(CW/CCW) ■ Sai số điều chỉnh: 5% ■ Giao tiếp với người dùng thông qua phần mềm Terminal PC (giá trị đặt vận tốc vận tốc thực tế) CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Mơ hình hóa 2.1.1 Mơ hình động DC Hình 1: Mơ hình động DC nam châm vĩnh cửu Trong hình 1, J mơ men qn tính roto động cơ, B hệ số tải trục roto, w tốc độ động (rpm), V a điện áp nguồn cấp cho động cơ, R a , La điện trở, điện cảm phần ứng K E  K * w Ta có m (2.2) với  số sức điện động, số mơ men Lại có mơ men phát sinh trục động Mdc mô men cản trục động Mc M dc  K * I là: Mc  B* w Từ định luật Newton II ta có: M dc  M c  J *  K * I  J * Biến đổi Laplace ta có: dw dt dw  B*w dt K * I ( s )  J * s * w(s)+B*w( s) Theo định luật Kirhoff ta có phương trình: Va  U R  U L  E (1)  I * Ra  L * di  K * w dt  Va  K * w  I * Ra  L * Biến đổi laplace ta có: di dt La * s * I ( s )  I ( s ) * Ra  V ( s )  K * w( s )  I ( s ) *( La * s  R )  V ( s )  K * w( s )  K * I ( s )  ( J * s  B ) * w( s )   I ( s )*( La * s  R )  V ( s )  K * w( s ) Từ (1) (2) ta có:  (2) (3) (4) Từ (3) (4) ta được:  ( Js  B) * w( s ) *( La s  Ra )  V ( s)  K * w( s) K  ( Js  B) * w( s)   w( s )*   K   V ( s ) K   K w( s )   V ( s) ( La s  Ra )* ( Js  B)  K  K La * J * s  ( J * Ra  La * B )* s  ( B * Ra  K2 ) Ta có sơ đồ khối động DC : Hình 2: Mơ hình tốn học động DC 2.1.2 Mơ hình biến đổi Hình 3: Mơ hình biến đổi - Mạch van sử dụng mạch chỉnh lưu cầu H gồm van IGBT có điều khiển ghép nối hình: - Điều chế xung PWM: Sử dụng phương pháp điều chế lưỡng cực Hai cặp van S1/S2 S3/S4 điều khiển tín hiệu có trạng thái lơgic phủ định Cách ĐK dẫn đến: Trong chu kỳ điện áp cần tạo, phụ tải nhận điện áp ngược dấu Udc –Udc (do có tên hai cực).Điện áp lưỡng cực hai chiều quay động Điện áp trung bình: Vav  (2 D  1)*Vdc 2.2: Cấu trúc điều khiển Hình 4: Cấu trúc điều khiển hệ nhiều mạch vịng 2.2.1: Mạch vịng dịng điện Hình 5: Mạch vòng điều khiển dòng điện Hàm truyền đối tượng: Gdt ( s )  1 Ra (1  Td s )(1  T fi )(1  Ta s ) Với động cơng suất lớn thì: Ta ? (Td  T fi )  Te  W1  1 Ra (1  Te s)(1  Ta s) Hàm truyền kín mạch vịng dịng điện có tham gia điều chỉnh PI viết lại sau (coi thành phần sức điện động E nhiễu triệt tiêu nhờ vào thành phần tích phân điều chỉnh dòng điện): WCLI  1 Ti s R (1  Te )(1  Ta s) K p (1  Ti s ) a Để triệt tiêu số thời gian lớn ta chọn: Ti = Ta Đây hàm truyền chuẩn bậc hai có dạng: Cân phương trình bạc hai ta được: = G ( s)  Wn2 s  2 Wn s  Wn2 RTW 1 Kp ;Wn  ; Kp  a a n ; K I  2Te 2 Ti 2.2.2: Mạch vịng tốc độ Hình 6: Mơ hình xấp xỉ mạch vịng tốc độ Xấp xỉ mạch vòng dòng điện đo tốc độ khâu quán tính bậc nhất: 1  2 2 1 s  s  T fv s  (  T fv ) s Wn Wn Wn Teq  Với: J 2  T fv TMech  Wn KE Hàm truyền mạch kín bao gồm PI WCLV   TIV s  4 s  TMechTIV TMechTIV Teq  4 s  8 s  8 s3  TIV s  s  s K PV K PV Cân hai vế ta được: TIV  4Teq ; K PV  TMech 2Teq CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 3.1 Sơ đồ nguyên lý phần cứng a, Khối nguồn Nguồn đầu vào 12 VDC, qua IC 78M05 để hạ điện áp xuống VDC Sau 5VDC qua IC LM1117 để hạ điện áp xuống 3.3V Có sử dụng cầu chì tự phục hồi 0.5A để bảo vệ ngắn mạch có diode đầu vào để tránh cắm ngược cực Ngồi cịn có LED báo nguồn b Khối MCU Nhóm chúng em sử dụng kit BluePill với vi điều khiển STM32F103C8T6 để điều khiển động c Khối Driver Nhóm em sử dụng driver L298 để điều khiển động Driver có cầu H điều khiển động với Imax = 2A Ngồi nhóm em sử dụng opto cách ly quang TLP521 để cách ly tín hiệu điều khiển giữ MCU với driver d Khối đo dịng Nhóm chúng em sử dụng module ACS712 để đo dòng điện động DC Dòng điện sau qua module ACS712 chuyển đổi thành tín hiệu điện áp , tín hiệu qua khuếch đại vi sai với hệ số Gain = 4.125 Trong trường hợp nhóm chúng em sử dụng IC khuếch đại thuật tốn OP07 Tín hiệu sau khuếch đại đưa vào kênh đọc ADC MCU e Khối Encoder Tín hiệu thu từ kênh encoder A B động đưa vào IC 74HC14 IC có cổng trigo Smith đảo Tín hiệu encoder qua 74HC14 bị đảo trạng thái Do cần thêm ic đảo 74HC04 để đưa tín hiệu trạng thái ban đầu Việc đưa tín hiệu qua 74HC14 làm giảm nhiễu tín hiệu, giúp cho đọc tín hiệu tốt f Khối UART giao tiếp với PC 10 Dùng để nhận giá trị đặt gửi xuống từ PC thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp UART Chúng em sử dụng IC cách ly TLP521 để cách ly MCU với PC g Khối LED báo trạng thái Sử dụng transistor C1815 để đảm bảo dòng điện chạy qua LED 3.2 Mạch Module a Module L298 Điện áp dùng để xuất cho động 12V hoạt động ta cần đưa chân enable(ENA) lên mức cao Và phát xung điều khiển vào chân IN1 IN2 Ở dùng điều chế xung lưỡng cực để điều khiển động 11 Điều chế xung lưỡng cực chu kì điều chế T cặp van điều khiển dẫn Với D duty cycle (0) xung PWM cấp vào chân IN1 chu kỳ điều chế cặp van dẫn khoảng thời gian từ đến D*T cặp van lại dẫn khoảng thời gian từ D*T đến T Quy định định điện áp L298 IN1 IN2 OUT1 OUT2 12V 0V 0V 12V 1 0V 0V 0 0V 0V Do dùng điều chế xung lưỡng cực nên điện áp trung bình (2D - 1)*Vs Vậy để điều khiển tốc độ động ta thay đổi độ rộng xung duty cycle Quy định Động quay thuận 0.5 < D < Quay nghịch < D 50) - Byte End : 0x7F - Frame nhận: Byte Start Byte check Byte End - Byte Check : 0x00 liệu nhận hợp lệ 0x01 liệu nhận bị lỗi, Nếu sai lần đèn báo trạng thái bật để báo cho người dùng biết Ngồi Task UART cịn dùng để truyền giá trị vị trí lên PC để vẽ đồ thị phần mềm Serial Osiloscope CHƯƠNG : KẾT QUẢ THỰC TẾ - Do dòng điện động sinh bé ( cỡ 0.15A) tải không đối xứng ( việc chế tạo khí khơng tốt) nên việc đo dịng khơng xác  chưa đo dịng điện khơng thực mạch vòng dòng điện Dưới kết mạch vịng vị trí mạch vịng tốc độ: 0->1.5ph:50 vòng 1.5->3ph:20 vòng 3->4.5ph:-50 vòng 14 Duty : Từ đồ thị thấy động bám tốc độ đặt vị trí đặt đề Hướng phát triển tương lai: - Có gắng khắc phục để đo dịng điện động - Thay đặt giá trị từ PC sử dụng HMI để cài đặt thông số CHƯƠNG : KẾT LUẬN Với đề tài “Thiết kế điều khiển cho động điện chiều” , nhìn chung nhóm em hoàn thiện sản phẩm thực tế với yêu cầu ban đầu đề Do tình hình dịch bệnh phức tạp , thời gian nhóm tập trung để làm sản phẩm không 15 nhiều nên sản phẩm cịn nhiều thiếu xót , nhóm em kính mong nhận đánh giá đóng góp từ thầy Nhóm em xin chân thành cảm ơn 16 ... 15 CHƯƠNG : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. 1 Tên đề tài: Đề tài số 3: Bộ điều khiển tốc độ động chiều gồm mạch vòng - Thiết kế điều khiển có mạch vịng tốc độ dịng điện - Đặt tốc độ tên máy tính PC - Hiển... cực hai chiều quay động Điện áp trung bình: Vav  (2 D  1) *Vdc 2. 2: Cấu trúc điều khiển Hình 4: Cấu trúc điều khiển hệ nhiều mạch vòng 2. 2 .1: Mạch vòng dòng điện Hình 5: Mạch vịng điều khiển dịng... CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2 .1 Mơ hình hóa 2 .1. 1 Mơ hình động DC Hình 1: Mơ hình động DC nam châm vĩnh cửu Trong hình 1, J mơ men qn tính roto động cơ, B hệ số tải trục roto, w tốc độ động (rpm),