ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG cơ

Lập trình CPM2A

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Đặ t v ấ n đề : Ngày nay động cơ được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật hiện đại, đặc biệt trong kỹ thuật Robot. Ứng dụng dùng để di chuyển, xoay phải, trái v.v Để chúng hoạt động theo mong muốn thì ta phải điều khiển chúng. Bài tiểu luận là một phần rất nhỏ trong điều khiển Motor. Điều khiển Motor quay thuận mỗi lần 1 bước vaf quay ngược 1 bước. Lưu đồ giải thuật: S ơ đồ m ạ ch : Code ch ươ ng trình: $MOD51 ORG 0000H ;Dia chi luu chuong frinh trong ROM MAIN: MOV R2,#8 ;Nap R2=04H MOV R0,#0 ;Xoa R0, R0=0 MOV DPTR,#MOTORTHUAN ;Nap con tro vung du lieu BEGIN: MOV A,R0 ;Chuyen noi dung R0 vao A MOVC A,@A+DPTR ;Lay du lieu tai o nho ROM do A+DPTR tro den MOV P2,A ;Xuat gia tri A ra P2 LCALL DELAY ;Goi chuong trinh Delay 50ms INC R0 ;Tang R0 1 don vi DJNZ R2,BEGIN ;Lap lai cho den khi bo dem bang 0 CLR A ;Xoa A MOV DPTR,#MOTORNGUOC ;Nap con tro vung du lieu BB: MOV A,R0 ;Chuyen noi dung R0 vao A MOVC A,@A+DPTR ; Lay du lieu tai o nho ROM do A+DPTR tro den MOV P2,A ; Xuat A ra P2 LCALL DELAY ;Goi chuong trinh delay INC R0 ; Tang R0 1 don vi DJNZ R2,BB ;Lap lai cho den khi bo dem bang 0 SJMP MAIN DELAY: MOV TMOD,#01H ;Chon che do dinh thoi 16 bit MOV TH0,#HIGH(-50000) ;Dinh khoang dinh thoi 50ms MOV TL0,#LOW(-50000) SETB TR0 ;Timer 0 hoat dong JNB TF0,$ ;Lap lai tai cho khi TF0=0 CLR TF0 ;Xoa TF0 CLR TR0 ;Xoa TR0 RET MOTORTHUAN: DB 80H,40H,20H,10H,08H,04H,02H,01H ;Khai bao du lieu MOTORNGUOC: DB 01H,02H,04H,08H,10H,20H,40H,80H ;Khai bao du lieu END ;Ket thuc chuong trinh K ế t qu ả : Sơ lược về nguyên tắc hoạt động Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I. Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp. Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn tạo ra mômen theo một chiều nhất định). Mở máy (khởi động) động cơ một chiều Các động cơ một chiều khi khởi động có thể tiêu thụ dòng điện rất lớn so với dòng điện định mức. Sau đây là một ví dụ minh hoạ. Tôi sử dụng các số liệu của một động cơ thực do Aerotech chế tạo, với các thông số kỹ thuật được cung cấp tại http://www.aerotech.com/products/motors/1000specs.html. Xét động cơ có mã hiệu model là 1135, với công suất định mức là 200 W. Xét theo phương diện mạch điện, ở trạng thái xác lập, dòng điện I đi qua mạch phần ứng của động cơ được biểu diễn bằng phương trình sau: với U là điện áp đặt vào mạch phần ứng, R a là điện trở mạch phần ứng, và E là sức điện động phần ứng (tỷ lệ với tích của từ thông và tốc độ động cơ). Theo đó, nếu bỏ qua tác dụng của điện cảm phần ứng, dòng điện định mức I n và dòng điện khởi động I s của động cơ có thể được xác định bằng các phương trình: Tại thời điểm động cơ được đóng vào nguồn, động cơ đang ở trạng thái đứng yên, do đó tốc độ và sức điện động là bằng 0. Hiển nhiên, bạn có thể thấy dòng điện I s lúc này chỉ được giới hạn bởi điện trở mạch phần ứng, thường có giá trị nhỏ để giảm tổn hao trong dây quấn phần ứng. Dòng điện khởi động tại thời điểm đóng nguồn, do đó, thường có giá trị lớn hơn nhiều lần so với dòng điện định mức. Khi tốc độ động cơ tăng lên, sức điện động phần ứng cũng tăng theo, làm cho dòng điện giảm xuống. Một yếu tố khác là điện cảm phần ứng cũng làm chậm lại quá trình tăng dòng điện tại thời điểm đóng nguồn. Tuy nhiên, hằng số thời gian của mạch điện phần ứng thường nhỏ hơn hằng số thời gian của cơ hệ, gồm rôto và tải, nhiều lần. Do đó, dòng điện khởi động thường đạt giá trị khá lớn so với dòng điện định mức trước khi động cơ đạt được tốc độ đủ lớn để làm giảm dần dòng điện. Điều này được thể hiện rõ ở các động cơ công suất lớn, do đó người ta luôn luôn có biện pháp mở máy thích hợp để giữ cho dòng điện khởi động nằm trong một giới hạn an toàn. Trở lại với động cơ thực của chúng ta trong ví dụ, động cơ được ước tính có dòng điện định mức khoảng 3.16A (hiệu suất định mức được ước lượng là khoảng 80%), ở điện áp định mức là 80V, với hằng số mômen là 0.17 Nm/A, do vậy sẽ có mômen định mức khoảng 0.53 Nm. Nếu bạn dùng PSIM để mô phỏng bài toán này, hãy đảm bảo là hằng số sức điện động k E (với tốc độ ω n tính bằng rad/s) và hằng số mômen k T thỏa mãn các phương trình sau: Với các thông số như trên, và điện trở mạch phần ứng R a = 1.4 ohm, tốc độ định mức ω n = 437 rad/s = 4175 rpm. Động cơ có điện cảm phần ứng L a = 3.1 mH, do đó sẽ có hằng số thời gian của mạch điện là t E = 3.1 mH/1.4 ohm = 2.2 ms. Tại thời điểm bằng 3 lần t E , dòng điện phần ứng sẽ đạt 95% giá trị cực đại (bằng U/R a ), nếu rôto vẫn đứng yên. Tuy nhiên, rôto của động cơ tại thời điểm đã có thể đạt được một tốc độ nào đó, do đó chúng ta cần ước tính tốc độ của động cơ tại thời điểm đó, và từ đó tính ra sức điện động phần ứng. Tốc độ động cơ trong quá trình quá độ (tăng tốc hay giảm tốc) có thể được biểu diễn như sau, nếu bỏ qua các thành phần phụ: với T E là mômen điện từ do động cơ tạo ra, T L là mômen tải, và J là mômen quán tính của hệ cơ rôto. Giả thiết mômen quán tính của tải bằng với mômen quán tính của động cơ, nghĩa là có giá trị 0.00035 kg.m². Tốc độ của động cơ tại t = 3t E = 6.6 ms có thể ước tính bằng dạng sai phân của phương trình trên. Mômen điện từ có thể tính tương ứng với 95% dòng điện cực đại U/R a = 80/1.4 = 57.1A, nghĩa là mômen có giá trị 0.17 x 0.95 x 57.1 = 9.22 Nm. Giả thiết động cơ làm việc với tải là mômen không đổi, có giá trị 0.53 Nm. Như vậy, độ thay đổi tốc độ của động cơ tính đến thời điểm t = 3t E sẽ là 3t E x(T E - T L )/J = 6.6 ms x (9.22 - 0.53) / (2 x 0.00035) = 81.9 rad/s. Ở tốc độ này (vì thực chất động cơ tăng tốc từ 0 rad/s, nên độ thay đổi cũng chính là tốc độ của động cơ), sức điện động phần ứng tương ứng sẽ là 81.9 x 0.17 = 13.9 V. Như vậy, dòng điện tại thời điểm này có thể ước tính sẽ mang giá trị (80 - 13.9)/1.4 = 47.2A. So với dòng điện định mức = 3.16A, nó lớn hơn 47.2/3.16 = 14.94 lần! Thực tế là chúng ta đã tính gần đúng ở nhiều chỗ, do đó kết quả trong thực tế sẽ khác đôi chút, và cũng khác với những gì được mô phỏng trong PSIM như được minh họa dưới đây. Hình 1. Mô phỏng quá trình khởi động của động cơ DC, trong PSIM, ở áp nguồn 80V Ia - dòng điện phần ứng (A), n - tốc độ động cơ (rpm - vòng/phút) Bạn có thể thực hiện mô phỏng tương tự bằng cách mở tập tin 'dcm.sch' nằm trong thư mục 'examples\Motor Drives\' của PSIM. Bạn hãy đảm bảo động cơ có các thông số sau: Ra = 1.4, La = 0.0031, Rf = 40, Lf = 0.002, J (moment of inertia) = 0.00035, Vt = 80, Ia = 3.06, n = 4175, If = 2. Tải có giá trị 0.53 với J (moment of inertia) = 0.00035, và điện áp nguồn là 80V. Bây giờ bạn hãy thử hình dung tình huống sẽ như thế nào nếu chúng ta đóng động cơ này vào nguồn 100V (động cơ được phép làm việc đến điện áp 104V, theo bảng thông tin kỹ thuật). Lẽ đương nhiên là nhà sản xuất không thể để cho động cơ khởi động trực tiếp theo kiểu này, do đó các động cơ loại này đã được đưa ra thị trường với khả năng hạn chế dòng khởi động, như bạn có thể thấy trong bảng thông tin kỹ thuật (dòng điện khi động cơ đứng yên không vượt quá 5.5A đối với động cơ vừa xét). Tuy nhiên, chúng ta cần hiểu được hiện tượng để không phạm phải sai lầm đối với những hệ truyền động không được trang bị sẵn khả năng giới hạn dòng khởi động (chẳng hạn như khi bạn tự chế một bộ truyền động DC). Điều khiển tốc độ động cơ một chiều Khi điều khiển tốc độ động cơ, đặc tính quan trọng nhất cần được xem xét là đặc tính cơ của động cơ. Đặc tính cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ, ở một điều kiện làm việc đã xác định trước (điện áp, điện trở mạch phần ứng, và từ thông kích từ cho trước). Để xác định đặc tính cơ của động cơ, từ đó đưa đến các phương pháp điều khiển tốc độ khác nhau, chúng ta bắt đầu với phương trình cân bằng điện áp (ở trạng thái xác lập): Ở trạng thái xác lập thì mômen điện từ T E bằng mômen tải T L . Các đại lượng mới gồm có: k-hằng số máy điện, chỉ phụ thuộc vào kết cấu máy, Φ-từ thông trong máy. Vậy đặc tính cơ của động cơ có thể biểu diễn như sau: Ở một điều kiện làm việc đã xác định trước, quan hệ trên là một đường thẳng, cắt trục tung tại giá trị ω 0 , có độ dốc là −R a /(kΦ)². Giá trị ω 0 = U/(kΦ) là tốc độ của động cơ ứng với tải bằng 0, do đó được gọi là tốc độ không tải. Đặc tính cơ ứng với điện áp phần ứng định mức, kích từ định mức, và điện trở phần ứng tự nhiên được gọi là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ. Từ phương trình đặc tính cơ trên, có thể thấy có 3 đại lượng có thể được thay đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với một giá trị mômen tải đã cho, đó là các đại lượng: U-điện áp đặt vào phần ứng, R a -điện trở mạch phần ứng, và Φ-từ thông của động cơ. Từ đó dẫn đến 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, xét một cách tổng quát. Khi thay đổi điện áp phần ứng, chúng ta chỉ thay đổi giá trị ω 0 chứ không thay đổi độ dốc của đặc tính cơ, do đó các đặc tính cơ ứng với các điện áp phần ứng khác nhau sẽ là những đường thẳng song song nhau. Thông thường, điện áp làm việc của động cơ được thay đổi giảm dần từ điện áp định mức (vì lý do an toàn), do đó các đặc tính cơ sẽ thấp dần kể từ đặc tính cơ tự nhiên (nếu giữ từ thông định mức và điện trở phần ứng tự nhiên khi thay đổi điện áp phần ứng). Họ đặc tính cơ có thể thấy được trên hình 2. Hình 2. Họ đặc tính cơ của động cơ DC khi điều chỉnh điện áp phần ứng Điện trở phần ứng chỉ có thể được tăng lên từ giá trị điện trở phần ứng tự nhiên (thêm điện trở vào mạch phần ứng). Khi thực hiện điều này, chỉ có độ lớn của độ dốc của đặc tính cơ là bị ảnh hưởng (tăng lên), do đó các đặc tính cơ sẽ có cùng giá trị ω 0 nhưng với độ dốc tăng dần khi điện trở phần ứng được tăng lên. Họ đặc tính cơ được thể hiện trong hình 3. Hình 3. Họ đặc tính cơ của động cơ DC khi điều chỉnh điện trở phần ứng Các động cơ nhỏ sử dụng nam châm vĩnh cửu không có khả năng điều chỉnh từ thông, nhưng các động cơ lớn hơn sử dụng dây quấn kích từ có thể thực hiện điều này. Tương tự như cách phân tích ở trên, trong trường hợp này cả giá trị ω 0 lẫn độ dốc của đặc tính cơ đều bị thay đổi. Thông thường từ thông định mức trong máy đã khá gần với giá trị từ thông bão hòa, do đó cách thay đổi khả dĩ là giảm từ thông trong máy, khi đó ω 0 sẽ tăng nhưng độ dốc còn tăng nhanh hơn. Họ đặc tính cơ có dạng như trong hình 4. Hình 4. Họ đặc tính cơ của động cơ DC khi điều chỉnh từ thông Họ đặc tính cơ cho phép xác định điểm làm việc ổn định mới của động cơ ứng với mỗi phương pháp điều khiển tốc độ, nếu chúng ta biết được các thông số làm việc mới của động cơ. Tuy nhiên, quá trình thay đổi tốc độ của động cơ từ điểm làm việc cũ đến điểm làm việc mới diễn ra như thế nào còn tùy thuộc vào cách thức mà chúng ta điều chỉnh tham số của động cơ trong mỗi phương pháp, đó là lý do có nhiều thuật toán điều khiển khác nhau như bang-bang, PI, PID, fuzzy logic, Họ các phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng Thông thường, các động cơ có thể được chọn từ công suất và tốc độ làm việc tối đa đối với một ứng dụng nào đó. Do đó, phương pháp điều khiển tốc độ được ưa thích trong trường hợp này sẽ là điều chỉnh điện áp phần ứng. Nhờ sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn, ngày nay người ta có thể chọn lựa một trong nhiều phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng. Dưới đây là một số phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phổ biến. • Bộ máy phát-động cơ: Trước khi các bộ biến đổi điện tử công suất xuất hiện, người ta sử dụng bộ biến đổi điện cơ để thực hiện điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ một chiều. Động cơ một chiều cần được điều chỉnh điện áp phần ứng sẽ được cấp nguồn từ một máy phát một chiều có cùng công suất định mức. Máy phát này được kéo bởi một động cơ sơ cấp cũng có cùng cỡ công suất như máy phát và động cơ một chiều. Điện áp phát ra từ máy phát được điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng điện kích từ của máy phát (dòng điện kích từ của máy phát là rất nhỏ so với dòng điện phần ứng của máy phát). Máy phát một chiều ở đây đóng vai trò một bộ khuếch đại công suất điện cơ. Nhược điểm của hệ thống kiểu máy phát-động cơ: cồng kềnh, đắt tiền (vì phải dùng 3 máy điện cùng cỡ công suất), không thích hợp với các hệ thống công suất nhỏ. • Bộ chỉnh lưu có điều khiển: Động cơ một chiều được cung cấp từ lưới điện thông qua một bộ chỉnh lưu có điều khiển. Bộ chỉnh lưu thường là 1 pha cho công suất nhỏ, và 3 pha cho công suất lớn. Với bộ chỉnh lưu 1 pha, các dạng chỉnh lưu bán sóng (half-wave) và toàn sóng (full-wave) có thể được sử dụng (một số tác giả gọi là chỉnh lưu bán kỳ và toàn kỳ). Cũng có thể sử dụng các bộ chỉnh lưu 1 pha bán điều khiển ở đây. Với bộ chỉnh lưu 3 pha, có thể chọn lựa giữa các cấu hình tia và các cấu hình cầu. Khi kết hợp với cách bố trí các dây quấn thứ cấp của máy biến áp một cách thích hợp, các bộ chỉnh lưu 3 pha có thể gia tăng số xung áp ở ngõ ra, tính trong một chu kỳ điện áp nguồn (lưới). Các bộ chỉnh lưu vừa nêu đều có điện áp ngõ ra bao gồm nhiều xung áp, với giá trị trung bình thay đổi theo góc mở của khóa (van). Lợi dụng quán tính cơ đủ lớn của hệ truyền động, cùng với điện cảm của mạch phần ứng, có thể xem là tốc độ của động cơ chỉ bị ảnh hưởng bởi giá trị trung bình của điện áp ngõ ra. Một nhược điểm cần đề cập là các bộ chỉnh lưu loại này tạo ra sự méo dạng rất lớn đối với dòng điện ngõ vào, đặc biệt với các hệ thống công suất lớn. Các linh kiện được dùng trong các bộ chỉnh lưu loại này bao gồm đèn điện tử, thyristor nói chung, transistor nói chung. Các bộ chỉnh lưu kiểu này còn được gọi là các bộ điều chỉnh pha, từ thực tế là các khóa (van) được đóng ở góc pha (của điện áp nguồn) nào đó tùy theo giá trị điện áp trung bình được yêu cầu. [...]... nằm giữa nguồn DC và động cơ sẽ cho phép thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ Vì tần số chuyển mạch của bộ biến đổi DC-DC có thể được lựa chọn một cách tự do và lớn hơn nhiều lần so với tần số xung áp của các bộ chỉnh lưu có điều khiển, giải pháp này có thể áp dụng cho các động cơ có quán tính cơ nhỏ, chẳng hạn như các động cơ servo Đối với mục đích điều chỉnh tốc độ động cơ, không nhất thiết... Điện tử công suất Dạng đơn giản nhất của bộ biến đổi DC-DC được dùng cho động cơ chính là bộ băm áp (chopper), chỉ gồm một khóa (van) và một diode tạo đường dẫn dòng điện (free-wheeling diode) nằm giữa nguồn DC và động cơ, dùng để đóng/ngắt nguồn đặt vào phần ứng của động cơ Giá trị trung bình của điện áp đặt vào động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của khóa (van)... phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM-Pulse Width Modulation) Để có thể đổi chiều quay của động cơ, người ta thường dùng sơ đồ cầu H Trong đa số trường hợp, tần số chuyển mạch thường khá cao, do đó chỉ có các transistor là đáp ứng được các yêu cầu đối với linh kiện chuyển mạch Điều khiển Motor bước bằng cac nut ấn Đề : Chương trình điều khiển Motor bước (loại motor có 6 chân gồm : 2 chân điều khiển+ 1... là port xuất xung điều khiển) Nối các dây điều khiển motor theo thứ tự thích hợp sao cho motor quay theo từng bước (có tất cả 4 bước) - Khi nút số 1 được ấn thì motor quay theo chiều kim đồng hồ - Nếu ấn nút số 0 thì motor dừng lại Khi nút số 2 được ấn thì motor lại quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ - Ấn lại nút số 0 thì motor dừng lại - Tạo thời gian trễ điều chỉnh xung điều khiển motor Lưu đồ... 2 chân điều khiển + 1 chân nguồn) bằng các nút ấn, nút số 0 : dừng, nút số 1: quay cùng chiều kim đồng hồ (quay thuận), nút số 2: quay ngược chiều kim đồng hồ (quay nghịch) dùng IC 89c51 Bài làm Cách thực hiện yêu cầu: Hệ thống các nút ấn,các nút này được nối đến port của IC để nhận trạng thái của nút ấn nhằm điều khiển motor quay theo ý muốn (chọn port 1 kết nối đến các nút ấn) Các dây điều khiển của . chế một bộ truyền động DC). Điều khiển tốc độ động cơ một chiều Khi điều khiển tốc độ động cơ, đặc tính quan trọng nhất cần được xem xét là đặc tính cơ của động cơ. Đặc tính cơ là mối quan hệ. các bộ chỉnh lưu có điều khiển, giải pháp này có thể áp dụng cho các động cơ có quán tính cơ nhỏ, chẳng hạn như các động cơ servo. Đối với mục đích điều chỉnh tốc độ động cơ, không nhất thiết. tính cơ có dạng như trong hình 4. Hình 4. Họ đặc tính cơ của động cơ DC khi điều chỉnh từ thông Họ đặc tính cơ cho phép xác định điểm làm việc ổn định mới của động cơ ứng với mỗi phương pháp điều