Điều khiển góc quay cho động cơ điện một chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ Mã 13351 Học kỳ 1 – Năm học 2021 2022 Đề tài mô hình 4 Đi.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ Mã: 13351 Học kỳ: – Năm học: 2021 - 2022 Đề tài mơ hình 4: Điều khiển góc quay cho động chiều gắn với cấu thị góc quay tròn SINH VIÊN NGUYỄN ĐĂNG NGUYÊN NGUYỄN THIỆN TUẤN TRẦN VĂN QUÂN MSV 84398 83291 82311 LỚP ĐTĐĐH ĐTĐĐH ĐTĐĐH Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: Khoa: ThS Trần Tiến Lương Điện tự động cơng nghiệp Điện – Điện tử HẢI PHỊNG - 12/2021 NHĨM N02 N02 N02 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển cho mơ hình Hình 2.2 Thay điều khiển PID khâu khuếch đại Hình 2.3 Đáp ứng hệ k = k_th Hình 2.4 Thơng số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols Hình 2.5 Đáp ứng hệ k_th = 30 Hình 2.6 Thơng số PID cho mơ hình MỞ ĐẦU Cùng với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, truyền động điện có vai trị quan trọng phát triển xã hội Truyền động điện làm tăng suất lao động chất lượng sản phẩm Để đáp ứng yêu cầu thực tế hệ truyền động điện có khả tự động điều khiển độ xác ngày cao đời Do yêu cầu môn học nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế hệ thống truyền động, góp phần hồn thiện củng cố kiến thức mơn học nên nhóm em thầy giao cho đề tài mơ hình: “Điều khiển góc quay cho động chiều gắn với cấu thị góc quay trịn.” Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tiến Lương tận tình giúp đỡ nhóm em suốt thời gian vừa qua để nhóm em hồn thành thiết kế mơ hình Trong q trình thiết kế cịn tồn sai sót, mong thầy góp ý để thiết kế nhóm em hồn thiện Nhóm em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 1.1 Cấu trúc điều khiển hệ điện Hình 1.1 Cấu trúc điều khiển hệ điện THĐ: Tín hiệu đặt NL: Nhiễu loạn R: Bộ điều khiển BĐ: Bộ biến đổi công suất M: Động truyền động MX: Máy sản xuất ĐL: Đo lường • Mục tiêu: Điều khiển máy sản xuất với tín hiệu đặt • Nguyên lý: Hệ thống thực theo nguyên lý điều khiển phản hồi, nghĩa điều khiển R thực điều khiển hệ thống cách so sánh tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi thơng qua tín hiệu đo Nếu có sai khác tín hiệu đặt tín hiệu đo, điều khiển đưa tác động điều khiển, đưa sai lệch Tín hiệu từ điều khiển gửi tới biến đổi công suất, biến đổi công suất biến đổi điện thành dạng lượng phù hợp với động chuyển động mang theo thông tin điều khiển Thông tin điều khiển thông qua biến đổi gửi tới động làm thay đổi động để thay đổi máy sản xuất cho đưa tín hiệu đặt Đối với động cơ, người ta thường điều khiển thông số sau: - Dịng điện động (tương ứng với mơmen động cơ) Tốc độ động ω Vị trí động φ Các thông số thường sử dụng cấu trúc điều khiển phân tầng với tối đa vòng điều khiển lồng Lần lượt từ là: vòng điều khiển I → vòng điều khiển ω → vịng điều khiển φ Cấu trúc mơ tả sau: Hình 1.2 Cấu trúc phân tầng Các mạch vịng phía tuỳ theo u cầu điều khiển bỏ qua khơng Ví dụ u cầu điều khiển tốc độ, ta bỏ qua mạch vịng vị trí Đối với mạch vịng dịng điện, động công suất nhỏ biến đổi cho phép chịu q tải lớn ta bỏ qua mạch vòng dòng điện Khi sử dụng nhiều mạch vịng, ta thêm khâu giới hạn vào tín hiệu đặt mạch vịng phía để giới hạn giá trị dòng điện, tốc độ động Hình 1.3 Khâu giới hạn Simulink 1.2 Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho mơ hình Động ta sử dụng mơ hình động GM25 - 370 có kích thước thơng số sau: Hình 1.4 Động GM25 – 370 Hình 1.5 Datasheet động Từ datasheet động cơ, ta thấy động công suất thấp Do ta bỏ qua mạch vịng dịng điện Mặc khác u cầu mơ hình điều khiển góc quay ta bỏ qua mạch vòng tốc độ Do ta có cấu trúc điều khiển sau: Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển cho mơ hình • Giải thích cấu trúc điều khiển: Hệ thống thực theo nguyên lý điều khiển phản hồi, ta cấp tín hiệu đặt φsp (góc điều khiển mong muốn) vào điều khiển Rφ, điều khiển thực điều khiển hệ thống cách so sánh tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi thơng qua thiết bị đo Nếu có sai khác tín hiệu đặt với tín hiệu đo điều khiển đưa tín hiệu nhằm đưa sai lệch vè Tín hiệu điều khiển Rφ gửi tới biến đổi công suất Bộ biến đổi công suất biến đổi điện thành dạng lượng phù hợp với động chuyển động mang thông tin điều khiển Thông tin điều khiển thông qua biến đổi gửi tới động làm thay đổi động cho với tín hiệu đặt Bộ điều khiển dừng gửi tín hiệu điều khiển đến biến đổi sai lệch (động quay góc φsp yêu cầu) 1.3 Các thành phần cấu trúc Bộ điều khiển PID 1.3.1.1 Tồng quan điều khiển PID Một điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Hàm truyền đạt hệ điều khiển PID có dạng: R( s) =   U (s) k = k P 1 + + Td s  = k P + i + kd s G (s) s  Ti s  Sơ đồ khối điều khiển PID: Hình 1.7 Sơ đồ khối điều khiển PID Khâu P (khâu tỉ lệ) cho tín hiệu tỷ lệ thuận với tín hiệu vào (sai lệch Error) qua hệ số Kp – Đây tín hiệu quan trọng đảm bảo tính tác động nhanh độ xác hệ Về lý thuyết ta thấy gần cần khâu P điều khiển xác, thực tế sai số trả nhỏ đến mức khâu P tác động đến động Vì đáp ứng đầu động gần sát với tín hiêụ đặt Ví dụ tốc độ động mong muốn 100 vòng/phút, tốc độ thực tế động 99 vòng/phút giá trị Kp*e nhỏ, tăng tốc độ động lên Vì ta phải tích luỹ sai số, sau khoảng thời gian ta lại cộng sai số lên sai số đủ lớn để thay đổi tốc độ động Sai số cộng dồn theo thời gian phép tích phân, nên ta gọi thành phần thành phần tích phân I 10 ω Hình 1.19 Đặc tính động thay đổi điện trở phụ Nhược điểm: - Hao phí lượng phải dùng điện trở Nếu mơmen cản (Mc) nhỏ tốc độ thay đổi không đáng kể Mà mô hình động lai tải nhỏ (biến trở) → Mc nhỏ → Ta không sử dụng phương pháp • Thay đổi từ thơng kích từ ϕ ω Hình 1.20 Đặc tính động thay đổi từ thơng kích từ 20 Nhược điểm: Khó biết phải thay đổi từ thơng kích từ ϕ để thay đổi tốc độ ý muốn Mặt khác thay đổi từ thông ϕ phức tạp → Ta không sử dụng phương pháp • Thay đổi điện áp mạch phần ứng: Hình 1.21 Đặc tính động thay đổi điện áp mạch phần ứng Trước khoa học công nghệ chưa phát triển, phương pháp sử dụng Hiện nay, phát triển mạnh mẽ van bán dẫn công suất (Mosfet, IGBT…) việc điều chỉnh điện áp dễ dàng Mặt khác van bán dẫn tiêu thụ lượng, tần số đóng cắt cao, chịu tải lớn phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng sử dụng phổ biến, thay cho phương pháp dùng trước thay đổi điện trở mạch phần ứng Vì mơ hình ta sử dụng phương pháp để thay đổi tốc độ động Bộ biến đổi L298N Xuất phát từ yêu cầu biến đổi: - Ta sử dụng phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng để điều chỉnh tốc - độ động → biến đổi phải có chức thay đổi điện áp đầu Ta thay đổi điện áp phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM) tín hiệu từ điều khiển PID giới hạn từ (-255 → 255) → - biến đổi phải điều khiển động xung PWM Khi PID thực điều chỉnh, đáp ứng vọt lố qua giá trị đặt, điều khiển phải có chức đảo chiều động Bộ biến đổi L298N đáp ứng u cầu • Giới thiệu Module L298N 21 Mạch cầu L298N Module điều khiển động (Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298N giúp điều khiển tốc độ chiều quay động DC cách dễ dàng, module L298N điều khiển động bước lưỡng cực Mạch cầu H IC L298N hoạt động điện áp từ 5V đến 35V Hình 1.22 Module L298N Thông số kỹ thuật: Driver: Điện áp điều khiển: Dòng tối đa cho cầu H: Điện áp tín hiệu điều khiển: Dịng tín hiệu điều khiển: Cơng suất hao phí: Nhiệt độ bảo quản: L298N tích hợp hai mạch cầu H + 5V +12V 2A +5 V +7V ~ 36mA 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) : -25 ℃ ~ +130 ℃ L298N gồm chân: • 12V power, 5V power Đây chân cấp nguồn trực tiếp đến động o Ta cấp nguồn 9-12V chân 12V o Bên cạnh có jumper 5V, bạn để hình có nguồn 5V cổng 5V power, ngược lại khơng • Power GND chân GND nguồn cấp cho Động o Lưu ý: Nếu sử dụng Arduino phải nối với GND Arduino • Jump A enable B enable, có chức bật tắt động A B • Gồm có chân Input IN1, IN2, IN3, IN4 Cặp chân IN1 IN2 sử dụng để điều khiển động A, cặp chân IN3 IN4 sử dụng để điều khiển động B, đặt mức logic tương ứng, động điều khiển sau: 22 IN1 5V (HIGH) 0V (LOW) 5V (HIGH) 0V (LOW) IN2 0V (LOW) 5V (HIGH) 5V (HIGH) 0V (LOW) Động A Quay theo chiều thuận Quay theo chiều ngược Động dừng Động dừng • Output A: nối với động A, ý chân +, - Nếu nối ngược động chạy ngược Đo góc động Cách thơng dụng để đo góc φ sử dụng Encoder tuyệt đối, nhiên giá thành Encoder thị trường tương đối đắt, phạm vi mơ hình ta chọn cách lai động với biến trở Khi biến trở quay đến góc định tạo tín hiệu điện áp tương ứng, đọc giá trị điện áp ta biết góc quay động Đọc tín hiệu Analog từ biến trở Matlab/Simulink: Sơ đồ kết nối: Hình 1.23 Sơ đồ kết nối biến trở với Arduino 23 Hình 1.24 Đọc giá trị Analog từ biến trở khối Scope Simulink 24 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRÊN MATLAB VÀ TÍNH TỐN BỘ ĐIỀU KHIỂN Xuất phát từ cấu trúc điều khiển cho mơ hình: Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển cho mơ hình Ta cần phải thực yêu cầu sau: - Tạo tín hiệu đặt setpoint Tính tốn điều khiển PID Kết nối điều khiển PID với biến đổi L298 Kết nối giữ biến đổi L298 động Đo góc quay động đưa điều khiển 2.1 Đặt tín hiệu đặt (setpoint) Tín hiệu đặt setpoint tín hiệu điều khiển hệ thống Đối với động cơ, ta có loại tín hiệu đặt khác như: • Tín hiệu đặt tốc độ (sp) • Tín hiệt đặt vị trí (sp) • Tín hiệu đặt dịng điện (Isp) Vì mục đích đề tài điều khiển góc quay cho động chiều gắn với cấu thị quay tròn, chọn tín hiệu đặt tín hiệu đặt vị trí sp Tín hiệu đặt số (constant), tín hiệu hình sine, … Để tạo tín hiệu đặt, ta sử dụng khối có sẵn Simulink: 25 Hình 2.2 Tạo tín hiệu đặt Simulink Từ hình 2.2 ta thấy tín hiệu đặt Matlab Simulink gồm khối sau đây: • • • • Khối tín hiệu Sine Wave dùng để tạo tín hiệu đặt hình sine Khối tín hiệu đặt Constant dùng để tạo tín hiệu đặt số Khối Data Type Convert: Double Nút nhấn Manual Switch Vì tín hiệu PID nhận số nguyên, mà tín hiệu setpoint số thực ta phải có khối để chuyển số thực thành số nguyên, ta sử dụng khối Convert Nút nhấn Manual Switch dùng ta muốn chuyển đổi tín hiệu setpoint 2.2 Tính tốn điều khiển PID Lý thuyết chung Có nhiều phương pháp để tính tốn thơng số điều khiển PID như: Phương pháp Điều chỉnh thủ công Ziegler – Nichols Công cụ, phần mềm Ưu điểm Nhược điểm Khơng cần hiểu biết tốn u cầu phải có kinh nghiệm Không cần phải biết rõ thông số đối tượng Điều chỉnh chắn, cho phép mô trước thực thi Làm rối loạn trình, phải thử nghiệm nhiều lần Giá cao, thời gian để tìm hiểu cách thức sử dụng Yêu cầu kiến thức tốn học, tốt với q trình bậc Trong phạm vi đề tài mơ hình, ta khơng biết xác hàm truyền Cohen - Coon Xử lý mơ hình tốt động cơ, mặt khác phương pháp Ziegler Nichols áp dụng tốt cho đối tượng 26 động Cho nên ta sử dụng phương pháp Ziegler Nichols để xác định điều khiển PID Phương pháp thực sau: Bước 1: Thay điều khiển PID hệ kín khuếch đại tới hạn: Hình 2.3 Thay điều khiển PID khâu khuếch đại Bước 2: Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn để hệ kín chế độ biên ổn định, tức hàm đầu có dạng dao động điều hịa Bước 3: Xác định chu kì T_th dao động Hình 2.4 Đáp ứng hệ k = k_th Thông số điều khiển tính sau: Hình 2.5 Thông số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols Tiến hành mơ hình Ta tiến hành phương pháp Ziegler Nichols cho mô hình: 27 Thay điều khiển PID khâu tỉ lệ, tăng dần k_th, k_th = 30, ta thu đáp ứng hệ có dạng sóng điều hồ sau: Hình 2.6 Đáp ứng hệ k_th = 30 Từ hình 2.4, ta tính thơng số PID sau: Hình 2.7 Thơng số PID cho mơ hình với Kp = 15, Ki = 2.3 Kết nối điều khiển PID với biến đổi L298 28 Hình 2.8 Kết nối PID biến đổi L298 Ý tưởng ta sử dụng xung PWM để điều chỉnh điện áp đặt vào động Bộ PID xuất tín hiệu điều khiển ta giới hạn tín hiệu điều khiển từ -255 đến 255 khối PWM arduino nhận giá trị từ đến 255 Khi giá trị out từ PID dương, ta muốn tín hiệu làm cho động quay theo chiều thuận, ta thêm khối giới hạn đến 255 để tín hiệu dương đến chân Arduino (chân IN1 L298) Khi giá trị out từ PID âm, ta muốn tín hiệu làm cho động quay theo chiều nghịch, ta thêm khối giới hạn -255 đến để tín hiệu đến chân Arduino (chân IN2 L298), nhiên khối PWM Arduino nhận giá trị dương, nên ta cần thêm khối trị tuyệt tối (abs) 2.4 Kết nối động biến đổi L298N Các chân kết nối động LM298 Bộ biến đổi LM298 Động Out1 – Out2 Chân (+) – Chân (-) Chức năng: Khi có tín hiệu chưa có tín hiệu từ điều khiển động dừng Sau có tín hiệu từ điều khiển PID, tín hiệu đưa đến Arduino thông qua chân (PWM - PWM 3), chân PWM Arduino nối với chân IN1 IN2 động cơ, động cáp điện áp từ chân (Out1 – Out2), điện áp động điều chỉnh xung PWM 29 2.5 Đo góc quay động đưa điều khiển sử dụng biến trở Hình 2.9 Khâu đo góc thực Simulink Động lai với núm vặn biến trở, nối chân biến trở với chân analog A5 Arduino Khi động quay đồng thời biến trở quay góc quay tỷ lệ với điện áp chân A5 Arduino Tiến hành đọc điện áp chân A5, thông qua khối tỷ lệ ta đọc góc quay động đưa điều khiển Các chân kết nối biến trở arduino: Arduino R3 Chân 5V GND A5 (Analog) Biến trở Chân Chân Chân 30 CHƯƠNG TIẾN HÀNH THỰC HIỆN MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Đấu nối mạch phần cứng điều khiển chúng Simulink Ta có sơ đồ đấu nối phần cứng: Hình 3.1 Sơ đồ đấu nối phần cứng 31 Đấu nối phần cứng thực tế: L298N Arduino Động lai với biến trở Hình 3.2 Đấu nối phần cứng thực tế Điều khiển thiết bị phần cứng khối Simulink: Setpoint Bộ PID Đo góc động 32 Điều khiển L298 3.2 Chạy mơ hình đánh giá kết Đáp ứng đầu mô hình với setpoint 90 độ: Hình 3.3 Đáp ứng đầu ứng với setpoint 90 độ Trên cấu thị góc mơ hình: Hình 3.4 Cơ cấu thị mơ hình setpoint 90 độ 33 Dựa đáp ứng độ, ta có số đánh giá: • Độ điều chỉnh: = • Số lần dao động: n = • Thời gian độ: • Sai lệch tĩnh hệ: Tqd = = 5%.yxl = = 0,02 (s) → Hệ thống ổn định, sai lệch tĩnh khoảng cho phép (2%), số lần dao động trước ổn định thấp Hệ thống đáp ứng tốt với yêu cầu đặt 34 ... trúc điều khiển cho mơ hình • Giải thích cấu trúc điều khiển: Hệ thống thực theo nguyên lý điều khiển phản hồi, ta cấp tín hiệu đặt φsp (góc điều khiển mong muốn) vào điều khiển Rφ, điều khiển. .. saturation điều khiển PID matlab 16 Động điện chiều Hiện động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động điện chiều từ vài W đến hàng MW Đây loại động đa... trọng nặng Động điện chiều dễ dàng đáp ứng truyền động khoảng điều khiển tốc độ rộng đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ 17 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm có