Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an)
TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN
Lý do chọn đề tài
Trong bối cảnh Việt Nam đã là thành viên của tổ chức thương mại thế giới
Xu thế hội nhập sâu rộng hiện nay, đặc biệt trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đang thúc đẩy sự giao lưu và hợp tác đa dạng Những dây chuyền sản xuất hiện đại với công nghệ tiên tiến đã dần thay thế các hệ thống lạc hậu Trong các dây chuyền này, khâu truyền động đóng vai trò quan trọng, thực hiện các công đoạn khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu và mục đích sản xuất Do đó, truyền động không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn góp phần nâng cao năng suất sản xuất.
Nhằm hiểu rõ hơn về hệ thống băng chuyền, một phần thiết yếu trong dây chuyền sản xuất của các nhà máy và xí nghiệp, nhóm chúng tôi đã quyết định nghiên cứu đề tài này Hệ thống băng chuyền, với những tính năng vượt trội, đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của các doanh nghiệp sản xuất.
Mục tiêu của dự án
Dự án nhằm mô phỏng hệ thống điều khiển và giám sát các thông số, với mục tiêu duy trì ổn định tốc độ của băng chuyền so với giá trị mong muốn, ngay cả khi có nhiễu tác động vào.
Bên cạnh đó, các thành viên mong muốn được nâng cao kiến thức, kỹ năng và thái độ làm việc của bản thân
Sản phẩm của dự án
Bản vẽ mô hình hệ thống tải và mạch nguyên lý cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc và chức năng của hệ thống Sơ đồ mô phỏng giúp hình dung cách thức hoạt động của bộ điều khiển động cơ khi chịu tải, đồng thời đo lường các giá trị quan trọng như tốc độ và dòng điện Phần giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi hiệu suất và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Các yêu cầu về kĩ thuật
Các kết quả mô phỏng cần phản ánh chính xác các đặc tính của tải và động cơ nhằm giảm thiểu tối đa các lỗi kỹ thuật trong quá trình xây dựng mạch và mô hình thực tế.
Kế hoạch công việc
a) Bảng tóm tắc công việc
Hình 1.1 Bảng tóm tắt công việc b) Sơ đồ giantt
Tìm hi u d án, phân công nhi m v ể ự ệ ụ
T ng quan h thôống ổ ệ Thiếốt kếố mô hình, tính toán yếu câầu t i ả
Tính ch n đ ng c , ki m nghi m qua mô ph ng ọ ộ ơ ể ệ ỏ
Thiếốt kếố m ch công suâốt + Báo cáo ạ Tính ch n phâần đo l ọ ườ ng + Báo cáo
Thiếốt kếố m ch nguôần + m ch điếầu khi n + Báo cáo ạ ạ ể
Mô ph ng matlab - simulink ỏ
Mua thiếốt b ị Lắốp m ch, ki m tra ạ ể
Th m ch + ch nh s a ử ạ ỉ ử Đo l ườ ng lâốy sôố li u ệ
Mô ph ng toàn h thôống ỏ ệ Hoàn thi n mô hình ệ Hoàn thi n báo cáo ệ
Bản vẽ mô hình hệ thống
Hình 1.3 mô hình băng tải
GIỚI THIỆU BÀI TOÁN, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC
Mô tả dự án
Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống
Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.
Hình 2.2: Cấu trúc của tải
Yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều để vận lOMoARcPSD|2935381
0 Đồồ th tồốc đ mong muồốn ị ộ t (s) u (m/s)
Hình 1.3: Tốc độ yêu cầu của tải
Chọn tốc độ băng tải : 0,2m/s ; chọn m=1,5Kg ; =1
Để đáp ứng yêu cầu, cần thiết phải phát triển một hệ thống tự động điều chỉnh tải mà không cần can thiệp thủ công, đồng thời đảm bảo tốc độ tải ổn định và hiệu quả trong hoạt động.
- Bộ biến đổi: Bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều 3 pha thành nguồn
- Động cơ điện 1 chiều để kéo tải.
- Cảm biến tốc độ (Encoder): Đo tốc độ thực của động cơ
- Cảm biến dòng: Đo dòng điện phần ứng động cơ
- Bộ điều khiển: Tính toán, xử lí để đưa ra điện áp điều khiển cần thiết
- Mạch phát xung: Nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và phát xung để điều khiển bộ biến đổi.
• Tín hiệu về tốc độ và dòng điện đầu ra của động cơ được đo bởi cảm biến và truyền về cho bộ điều khiển.
• Bộ điều khiển có chức năng tính toán, xử lí một cách tự động để xuất ra tín hiệu điều khiển cần thiết cho mạch phát xung.
Mạch phát xung điều chỉnh các góc kích mở của bộ biến đổi, từ đó thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ, giúp tốc độ động cơ thay đổi theo giá trị mong muốn ban đầu.
Phân tích yêu cầu hệ thống
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ của tải
- là momen quán tính của tải
- M là khối lượng của tải
- r là bán kính của rulo Áp dụng định luật II Newton cho tải M:
Khi thiết kế có thể bỏ qua Fl, suy ra momen phụ tải như sau:
T=r.Fe Momen quán tính nhỏ có thể bỏ qua, momen điện cần thiết của động cơ là:
1.2.1 Tính toán đặc tính tải yêu cầu a) Chọn tốc độ
• Tỷ số truyền động : lOMoARcPSD|2935381 b) Xác định momen tải, quán tính
• Từ 2 10 Động cơ giữ nguyên = 11,76
• Từ 10 12 Động cơ quay chậm từ = 11,76 về = 0
• Từ 14 16 Động cơ tăng tốc theo chiều ngược lại từ = 0 = -11,76
• Từ 16 24 Động cơ giữ nguyên tốc độ = -11,76
• Từ 24 26 Động cơ tắt dần từ = -11,76 về = 0
Do không đáng kể ta bỏ qua momen quán tính
0s 2s : =0,252Nm 2s 10s : =0,25Nm 10s 12s: = -0,252Nm 12s 14s: = 0,25Nm 14s 16s: = -0,252Nm 16s 24s: =0,25Nm 24s 26s: =0,252Nm c) Quy đổi momen tải về quy đổi trục động cơ
Chọn tỷ số truyền 0s 2s : =0,252Nm 2s 10s : =0,25Nm
Hình 1.5: Đồ thị momen theo thời gian d) Công suất động cơ
Hình 1.6: Đồ thị công suất động cơ e) Chọn Mđm và Pđm
Chọn động cơ giảm tốc :
Động cơ kích thước 25mm *(L + 31)mm
Đường kính trục kích thước 4mm
0 0 0 Đôầ th công suâốt đ nng cị ộ ơ t (s)
Hình 1.7 Động cơ giảm tốc
THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT
Mạch cầu H
2.1.1 Giới thiệu tổng quát lOMoARcPSD|2935381
Khi đóng S1 và S4, dòng điện sẽ từ nguồn đi qua S1, vào động cơ và trở về mass qua S4, khiến động cơ quay theo chiều thuận Ngược lại, khi đóng S2 và S3, dòng điện sẽ đổi chiều, làm cho động cơ quay nghịch.
Không nên đóng cùng lúc S1 và S2 hoặc S3 và S4, vì điều này có thể tạo ra một đường dẫn trực tiếp từ Vcc xuống GND, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch Hành động này có thể làm hỏng nguồn điện và thậm chí gây ra cháy nổ nghiêm trọng.
Không nên đóng cùng lúc cả 4 công tắc, vì điều này sẽ làm cho cả 2 đầu của động cơ có cùng một mức điện áp, dẫn đến việc không có dòng điện nào chạy qua Hành động này có thể được xem như một cách hãm động cơ, nhưng không phải lúc nào cũng hiệu quả.
Mosfet là linh kiện có khả năng đóng cắt nhanh với dòng điện và điện áp lớn, nên được ứng dụng rộng rãi trong các bộ dao động tạo ra từ trường Tính năng đóng cắt nhanh của Mosfet giúp dòng điện biến thiên, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong các bộ nguồn xung và mạch điều khiển điện áp cao.
Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N:
Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo MOSFET
G (Gate) là cực cổng trong mạch điện, được tách biệt hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại nhờ vào lớp điện môi mỏng nhưng có độ cách điện cao, thường là dioxit silic.
- D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện
Mosfet có điện trở giữa cực G và cực S, cũng như giữa cực G và cực D, rất lớn Trong khi đó, điện trở giữa cực D và cực S lại phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS).
Khi điện áp UGS bằng 0, điện trở RDS đạt giá trị lớn nhất Tuy nhiên, khi điện áp UGS tăng lên, nhờ hiệu ứng từ trường, điện trở RDS bắt đầu giảm Mức điện áp UGS càng cao, điện trở RDS càng nhỏ.
- N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.
- P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ Gate
Mosfet hoạt động chủ yếu ở hai chế độ: đóng và mở, cho phép nó thực hiện việc đóng cắt với tần số rất cao nhờ vào tính chất của các hạt mang điện Để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn, việc điều khiển Mosfet trở thành yếu tố quan trọng cần chú ý.
Mạch điện tương đương của Mosfet cho thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh Đối với kênh P, điện áp điều khiển để mở Mosfet là Ugs0, và dòng điện sẽ chảy từ S đến D Trong khi đó, đối với kênh N, điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs > 0, và điện áp điều khiển đóng là Ugs 0, dòng điện sẽ chảy từ nguồn qua diode D1, tiếp tục qua điện trở R, rồi qua diode D2 và trở về nguồn âm Trong trường hợp này, điện áp và dòng điện tải đều dương, và điện áp tải bằng với điện áp nguồn.
Khi ở bán kỳ âm với Vs < 0, dòng điện di chuyển qua D3, qua R và trở về nguồn Lúc này, điện áp và dòng qua R vẫn dương, trong khi điện áp tải ngược dấu với điện áp nguồn, cụ thể là Vo = -Vs > 0 Sau quá trình lọc, tình trạng này sẽ được cải thiện.
Hình 2.11 Sơ đồ khối chỉnh lưu có lọc
Hình 2.12 Mô phỏng Simulink có lọc
Nguyên lý mạch chỉnh lưu sử dụng tụ lọc như sau:
Do tụ mắc song song với tải R nên điện áp trên tải bằng với điện áp trên tụ điện.
Trong bán kỳ dương với điện áp lớn hơn 0, khi điện áp tăng từ 0 đến giá trị cực đại, tụ điện sẽ được nạp điện Khi điện áp nguồn giảm, tụ điện sẽ xả, nhưng điện áp tải vẫn duy trì giá trị lớn hơn 0 cho đến cuối bán kỳ dương.
Khi điện áp ở bán kỳ âm nhỏ hơn 0, điện áp sẽ tăng trở lại và tụ điện sẽ được nạp đến giá trị điện áp cực đại Tương tự, khi điện áp nguồn giảm, tụ điện sẽ xả, và mức độ giảm điện áp trên tải phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ.
Kết luận: Tụ lọc và cuộn cảm đóng vai trò quan trọng trong việc làm phẳng điện áp sau khi chỉnh lưu, đảm bảo cung cấp nguồn điện ổn định cho tải hoạt động Thiếu các thành phần lọc này, dòng điện sau chỉnh lưu sẽ không ổn định, dẫn đến nguy cơ quá nhiệt và cháy động cơ.
2.4.2 Mô phỏng mạch cầu H a) Chưa có mạch cầu H chưa điều khiển
Hình 2.13 Sơ đồ khối mạch cầu H lOMoARcPSD|2935381
Hình 2.14 Đồ thị simulink b) Có mạch cầu H nhưng chưa điều khiển
Hình 2.15 : Sơ đồ khối chưa điều khiển
Hình 2.16 : Đồ thị simulink c) Có mạch cầu H và có điều khiển
Hình 2.17 : Sơ đồ khối mạch cầu H có điều khiển lOMoARcPSD|2935381
Nhận xét: -Khi chưa có bộ điều khiển động cơ chỉ có một chế độ hoạt động không thể điều chỉnh được tốc độ theo yêu cầu của tải.
-Bộ điều khiển có tác dụng điều khiển tốc độ và các chế độ của động cơ đúng theo yêu cầu mà tải đặt ra.
Thiết kế mạch phát xung cho bộ điều khiển
2.5.1 Nguyên lý điều khiển của mạch điều khiển độ rộng xung
PWM là tín hiệu được tạo ra từ vi mạch kỹ thuật số như vi điều khiển hoặc bộ định thời 555, bao gồm một nhóm các xung ở dạng sóng vuông Tín hiệu này có thể ở mức cao 5V hoặc mức thấp 0V, với khoảng thời gian duy trì ở mức cao được gọi là chu kỳ hoạt động.
Thời gian tín hiệu duy trì ở mức thấp được gọi là "thời gian tắt", trong khi điều chế độ rộng xung (PWM) là một kỹ thuật điều khiển dòng điện hiệu quả, giúp kiểm soát tốc độ động cơ và sản lượng nhiệt của máy sưởi một cách tiết kiệm năng lượng PWM được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như bộ điều khiển quạt tản nhiệt, hệ thống truyền động máy nén VRF HVAC, mạch truyền động động cơ xe hybrid và điện, cùng bộ điều chỉnh độ sáng LED Kỹ thuật này đã cách mạng hóa việc giảm mức tiêu thụ điện năng cho các thiết bị sử dụng động cơ, như máy điều hòa không khí biến tần, tủ lạnh biến tần và máy giặt biến tần, với máy điều hòa không khí biến tần có thể tiết kiệm tới một nửa năng lượng so với các loại máy khác.
Trong thời đại hiện nay, nếu một thiết bị được quảng cáo có máy nén hoặc quạt với tốc độ thay đổi (không chỉ hai hoặc ba tốc độ), thì khả năng cao là thiết bị đó đang sử dụng công nghệ PWM.
Bằng cách tạo ra xung dòng điện một chiều và điều chỉnh thời gian mỗi xung ở trạng thái “bật”, PWM giúp kiểm soát lượng điện cung cấp cho các thiết bị như đèn LED PWM hoạt động như một bộ vi kỹ thuật số, mang lại hiệu quả cao trong việc điều chỉnh độ sáng và tiết kiệm năng lượng.
Trong hệ thống điều khiển, đèn LED hoạt động với hai trạng thái bật/tắt tương ứng với 1 và 0 trong thuật toán nhị phân, đặc biệt hữu ích cho người dùng bộ vi điều khiển Đèn LED sẽ phát sáng mạnh hơn khi tín hiệu bật kéo dài, và mặc dù nguồn điện có thể bật tắt hàng nghìn lần mỗi giây, tốc độ này đủ nhanh để đèn LED vẫn duy trì độ sáng mà không bị nhấp nháy Hiện tượng này được gọi là mờ PWM, và mạch điều chỉnh độ sáng LED sử dụng phương pháp PWM để đạt được hiệu ứng này.
Thời gian xung bật của bộ nguồn PWM phụ thuộc vào chu kỳ làm việc của nó Khi chu kỳ làm việc đạt 70%, xung sẽ bật trong 70% thời gian và tắt trong 30% thời gian Chu kỳ thực hiện nhiệm vụ liên quan trực tiếp đến thời gian bật của bộ nguồn.
2.5.3 Cách tạo ra xung PWM bằng phần mềm (Arduino)
Arduino IDE cung cấp hàm tích hợp "analogWrite()", cho phép tạo tín hiệu PWM để điều khiển độ sáng đèn LED hoặc tốc độ động cơ Sau khi gọi hàm analogWrite(), chân sẽ phát ra sóng vuông ổn định với chu kỳ làm việc đã xác định, cho đến khi có lệnh analogWrite(), digitalRead() hoặc digitalWrite() tiếp theo trên cùng một chân.
Xung khi sử dụng với hàm analogWrite trong Arduino, Giữa 2 vạch màu xanh lá cây là 1 xung.
Trên Arduino UNO, các chân PWM bao gồm 3, 5, 6, 9, 10 và 11, với tần số tín hiệu PWM khoảng 980Hz cho chân 5 và 6, trong khi các chân còn lại có tần số 490Hz Các chân PWM được đánh dấu bằng dấu ~ Lệnh analogWrite(0) tương ứng với chu kỳ làm việc 0%, analogWrite(127) tương ứng với chu kỳ làm việc 50%, và analogWrite(255) tương ứng với chu kỳ làm việc 100%.
Hàm analogWrite() trong Arduino giúp tạo xung một cách dễ dàng bằng cách thay đổi chu kỳ xung thông qua tham số đầu vào Tần số xung được thiết lập mặc định cho từng chân Cụ thể, trên board Arduino Uno, chân 3, 9, 10 và 11 có tần số xung là 490Hz, trong khi chân 5 và 6 có tần số xung là 980Hz.
Có thể thay đổi tần số PWM bằng cách thay đổi bộ đếm thời gian Timer
Về bản chất hàm analogWrite:
- Không cần khai báo pin
- Tần số mặc định trên pin 5,6 là 976 Hz (UNO R3), trên pin 3, 11 là 976 Hz
- Tần số mặc định trên các pin còn lại là 490 Hz
- Nó truy cập trực tiếp lên các thanh ghi nên không ảnh hưởng đến tốc độ xử lý
Chúng tôi đã chọn bộ điều khiển Arduino để phát xung điều khiển tốc độ, nhờ vào sự phổ biến và tính ổn định cao của nó Việc lập trình và điều khiển với Arduino cũng rất đơn giản, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Input: Điện áp từ bộ điều khiển.
Output: Xung điều khiển đến các mosfet của cầu H
Hình 2.20 : Sơ đồ khối PWM
TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG
Đo lường và cảm biến
Cảm biến tốc độ yêu cầu :
+ Điều khiển động cơ theo tốc độ đặt.
→ Chọn động cơ DC có gắn thêm phần Encoder để có thể trả xung về vi điều khiển giúp xác định vị trí, vận tốc,…
1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ. lOMoARcPSD|2935381
1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng.
Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu.
Khi đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua (Led).
Ánh sáng có thể xuyên qua các rãnh, trong khi ở những chỗ không có rãnh thì ánh sáng không xuyên qua được Các tín hiệu có hoặc không được ghi nhận thông qua việc xác định xem đèn LED có chiếu qua hay không Số xung của Encoder được quy ước là số lần ánh sáng đi qua khe.
Khi cảm biến A bị che, cảm biến B sẽ nhận hồng ngoại, và ngược lại Trong trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu di chuyển từ trái sang phải; khi tín hiệu A giảm xuống mức thấp, kênh B sẽ ở mức thấp Nếu motor quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu di chuyển từ phải qua trái; lúc này, khi kênh A giảm xuống, kênh B sẽ ở mức cao Nhờ vào sự phối hợp giữa hai kênh A và B, chúng ta có thể xác định góc quay và chiều quay của động cơ thông qua số xung và mức tín hiệu của kênh B.
Tốc độ cơ học tối đa: 5000 r/phút
Tần số đáp ứng: 0-20kHz
Số xung trả ra trong một vòng quay : 600 xung/vòng
Hình 3.1 : ENCODER cảm biến tốc độ
Cách thức xác định chiều quay của encoder
Encoder thường có 3 kênh ( 3 ngõ ra ) gồm có kênh A, kênh B và kênh I
Trong hình 2, hãy chú ý đến lỗ nhỏ bên trong của đĩa quay cùng với cặp phát-thu được thiết kế đặc biệt cho lỗ này, đây chính là kênh I của encoder.
Mỗi khi motor quay một vòng, lỗ nhỏ Open tại vị trí cặp phát-thu cho phép hồng ngoại từ nguồn phát xuyên qua và tạo ra tín hiệu Open trên cảm ứng quang Như vậy, kênh I sẽ ghi nhận một “xung” mỗi khi motor hoàn thành một vòng xoay.
Bên ngoài đĩa quay được thiết kế với các rãnh nhỏ, cùng với một cặp thu-phát dành riêng cho những rãnh này Kênh A của encoder hoạt động tương tự như kênh I, nhưng khác biệt ở chỗ trong một vòng xoay của motor, có sự phân biệt rõ ràng giữa các tín hiệu.
Độ phân giải của encoder, được gọi là số rãnh trên đĩa, là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển động cơ Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, với số rãnh có thể dao động từ vài đến hàng nghìn Việc hiểu rõ độ phân giải của encoder đang sử dụng là cần thiết, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác trong điều khiển và phương pháp điều khiển được áp dụng.
Trên các encoder, có một cặp thu phát được bố trí trên cùng một đường tròn với kênh A, nhưng lệch một chút, tạo thành kênh B Hai tín hiệu xung từ kênh A và B cho phép xác định chiều quay của động cơ Tín hiệu xung từ kênh B có tần số tương đương với kênh A nhưng lệch pha 90 độ.
Khi cảm ứng A bị che, cảm ứng B hoàn toàn nhận được hồng ngoại và ngược lại Nếu motor quay theo chiều kim đồng hồ, tín hiệu di chuyển từ trái sang phải; khi tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp, kênh B đang ở mức thấp Ngược lại, nếu motor quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu di chuyển từ phải qua trái; tại thời điểm kênh A ở cạnh xuống, kênh B đang ở mức cao Nhờ vào sự phối hợp giữa hai kênh A và B, chúng ta có thể xác định góc quay thông qua số xung và biết được chiều quay của động cơ qua mức của kênh B tại cạnh xuống của kênh A.
Hình 3.2 : Sơ đồ nối dây encoder
Sử dụng ngắt ngoài là phương pháp đơn giản và chính xác để đọc encoder, được áp dụng trong bài học này Chúng ta kết nối kênh A của encoder với ngắt ngoài (ví dụ INT2) và kênh B với một chân không phải chân ngắt Mỗi khi có xung xuất hiện trên kênh A, trình phục vụ ngắt ngoài sẽ được kích hoạt Trong trình phục vụ này, chúng ta kiểm tra mức của kênh B; tùy thuộc vào mức này, biến đếm xung sẽ được tăng hoặc giảm Cần lưu ý rằng việc tính toán cẩn thận là rất quan trọng khi sử dụng phương pháp này, và trong bài viết, độ phân giải của encoder được chọn là 20.
(20 xung trên mỗi vòng quay, loại encoder đơn giản nhất).
Tính chọn cảm biến dòng điện
Cảm biến dòng điện được sử dụng để :
+ Điều khiển mạch vòng dòng điện.
+ Đánh giá hiệu suất làm việc của động cơ.
Để tránh tình trạng động cơ làm việc quá tải, việc lựa chọn cảm biến dòng phù hợp là rất quan trọng Trước tiên, cần xác định dòng tải lớn nhất mà cảm biến sẽ tiếp nhận, sau đó mới tiến hành chọn giá trị đo của cảm biến cho phù hợp.
Ta chọn hệ số � = 5 và dòng của tải là �� = 0.75� nên ta chọn dòng điện của cảm biến là ��� = 3.75�.
→ Chọn cảm biến dòng điện Hall ACS712 5A.
Hình 5.4 : Cấu tạo của cảm biến dòng điện
Module cảm biến dòng điện Hall ACS712 5A sử dụng IC ACS712ELC-30B dựa trên hiệu ứng Hall chuyển dòng điện cần đo thành giá trị điện thế.
Cảm biến dòng điện Hall 5A ACS712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall Thiết bị này cung cấp tín hiệu analog ở chân Vout, biến đổi tuyến tính theo dòng điện cần đo (Ip) trong phạm vi cho phép, có thể là DC hoặc AC Tụ Cf được sử dụng để giảm thiểu nhiễu trong quá trình đo.
Khi đo dòng điện DC, cần mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- theo đúng chiều Dòng điện chảy từ Ip+ đến Ip- sẽ cho ra điện áp Vout từ 2.5 đến 5VDC, tương ứng với dòng từ 0 đến Max Nếu mắc ngược, Vout sẽ cho ra điện thế từ 2.5 đến 0VDC, tương ứng với dòng từ 0 đến (-Max).
Khi cung cấp nguồn 5VDC cho module mà không có tải mắc nối tiếp, điện áp đầu ra Vout sẽ là 2.5VDC Khi dòng tải Ip đạt giá trị tối đa, Vout sẽ tăng lên 5VDC Điện áp đầu ra Vout sẽ thay đổi tuyến tính trong khoảng từ 2.5VDC đến 5VDC tương ứng với dòng tải từ 0 đến giá trị tối đa Để kiểm tra điện áp đầu ra, có thể sử dụng đồng hồ VOM ở thang đo DC.
Khi đo dòng điện AC, không cần quan tâm đến chiều dòng vì dòng điện AC không có chiều Khi cấp nguồn 5VDC cho module mà chưa có dòng Ip (không có tải mắc nối tiếp với domino), Vout sẽ là 2.5VDC Khi có dòng xoay chiều Ip, điện thế Vout sẽ thay đổi theo hàm Sin, với độ lớn tuyến tính từ 0 đến 5VDC, tương ứng với (-Max) đến Max của dòng xoay chiều Để kiểm tra, sử dụng đồng hồ VOM ở thang đo AC để đo Vout.
- Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp.
- Thời gian tăng của đầu ra để đỏp ứng với đầu vào là 5às.
- Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.
- Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A.
- Điện áp ra cực kỳ ổn định.
Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống
Để điều khiển hoạt động của băng tải, trước tiên cần xác định tốc độ mong muốn Giá trị từ cảm biến sẽ được gửi về bộ điều khiển PID trên Arduino, nơi thực hiện so sánh và tính toán sai lệch Dựa vào kết quả này, bộ điều khiển sẽ tính toán độ rộng xung để cung cấp cho mạch cầu H, từ đó điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ.
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
Khái quát chung về ARDUINO
Arduino là nền tảng mã nguồn mở lý tưởng cho việc phát triển các dự án điện tử Nó bao gồm bảng mạch lập trình (vi điều khiển) và phần mềm IDE, cho phép người dùng lập trình, viết và tải mã máy tính lên bo mạch một cách dễ dàng.
Arduino đã trở thành lựa chọn phổ biến cho hàng nghìn dự án nhờ tính đơn giản và dễ tiếp cận Phần mềm Arduino thân thiện với người mới bắt đầu nhưng cũng đủ linh hoạt cho người dùng nâng cao Khác với các bo mạch lập trình trước đây, Arduino cho phép tải mã mới qua cáp USB mà không cần phần cứng riêng Hơn nữa, Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản của C++, giúp việc học lập trình trở nên dễ dàng hơn.
Tổng quan thông số của Arduino R3
Điện áp hoạt động: 5 Volts
Điện áp vào giới hạn: 7 đến 20 Volts
Dòng tiêu thụ: khoảng 30mA
Số chân Digital I/O: 14 (với 6 chân là PWM)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA
Dòng ra tối đa (5V): 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V): 50 mA
Bộ nhớ flash: 32 KB với 0.5KB dùng bởi bootloader
4.1.2 Các chân của Arduino uno
Hình 4.2 Sơ đồ các chân của R3
5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dùng để cấp nguồn cho các linh kiện điện tử kết nối với Arduino
3.3V: chức năng tương tự như cấp nguồn 5v nhưng đây là cấp điện áp 3.3V đầu ra.
Chân GND, hay còn gọi là chân Ground, là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, cần phải nối các chân này lại với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
Chân Vin (Voltage Input) trên Arduino UNO tương tự như chân 5V, nhưng có chức năng cung cấp nguồn ngoài thay vì sử dụng cổng USB Để sử dụng, bạn cần kết nối cực dương của nguồn với chân Vin và cực âm với chân GND.
Arduino cung cấp nhiều chân I/O (pin) để giao tiếp và điều khiển thiết bị Bài viết này sẽ đề cập đến các chân I/O được sử dụng phổ biến nhất và phân loại chúng thành các nhóm khác nhau.
Bảng mạch Arduino UNO R3 có 14 chân digital từ 0 đến 13, cho phép đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp 0V và 5V Mỗi chân có khả năng xử lý dòng vào/ra tối đa lên tới 40mA, trong đó một số chân digital còn hỗ trợ chức năng PWM đặc biệt.
Chân PWM, được đánh dấu bằng dấu '~', cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 255 Điều này có nghĩa là điện áp của chân có thể dao động từ 0V đến 5V, khác với các chân không hỗ trợ PWM, chỉ có thể chọn giữa hai giá trị 0V hoặc 5V.
Arduino UNO sở hữu 6 chân analog từ A0 đến A5, cho phép đọc giá trị điện áp với độ phân giải 10 bit (từ 0 đến 1023) trong khoảng 0V đến 5V Đặc biệt, chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Chân TXD và RXD trên Arduino Uno là các chân Serial dùng để truyền (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial Chúng cho phép Arduino giao tiếp với các thiết bị khác và cũng có thể được sử dụng để nạp code cho mạch mà không cần qua USB.
4.1.3 Lập trình cho arduino bằng phần mền arduino IDE lOMoARcPSD|2935381
Hình 4.3 : Giao diện Arduino IDE
• Thanh menu bar, bao gồm các tùy chọn thiết lập cho phần mềm Arduino và cho sketch đang thực hiện.
The Thanh symbol bar features essential buttons including Verify for compiling sketches, Upload for loading sketches onto the board, New for creating a new sketch, Open for accessing existing sketches, Save for saving sketches, and Serial Monitor for opening the serial port.
• Vùng soạn thảo code cho sketch.
• Vùng hiển thị thông tin khi biên dịch, hiển thị quá trình nạp sketch và các thông báo lỗi khi biên dịch sketch (nếu có).
Chương trình lập trình của arduino theo thư tự từ trên xuống dưới như sau:
Vùng khai báo biến void setup() {
// put your setup code here, to run once: vùng cái đặt
// put your main code here, to run repeatedly: Vùng lệnh
TÌM HIỂU PID TRONG VI ĐIỀU KHIỂN
4.2.1 PID rời rạc ( PID số)
Hàm truyền của động cơ mà chúng ta xác định là hàm truyền trong miền liên tục Tuy nhiên, khi làm việc với vi điều khiển, hàm PID liên tục không thể được áp dụng do độ chính xác không cao trong từng khoảng thời gian Vì vậy, chúng ta cần sử dụng hàm PID rời rạc để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Bộ điều khiển PID rời rạc, hay còn gọi là bộ điều khiển số, không thể lấy mẫu liên tục mà cần được rời rạc ở một số mức nhất định Khi sử dụng hệ số lấy mẫu ngắn trong thời gian vi phân, có thể đạt được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân thông qua việc lấy tổng Chúng ta sẽ xem xét từng dạng tại một thời điểm, và sai số được tính toán ở mỗi khoảng lấy mẫu theo công thức: e(n) = X(n) - Y(n).
Bộ PID rời rạc có khả năng đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo khoảng thời gian xác định (không liên tục) gọi là thời gian lấy mẫu T, với yêu cầu thời gian lấy mẫu phải nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống Khác với các thuật toán điều khiển đơn giản, bộ điều khiển PID có thể xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị sai số trước đó và tốc độ thay đổi của sai số, giúp nâng cao độ chính xác và ổn định trong quá trình điều khiển.
Hình 4.5 : mô hình PID rời rạc
/*khai báo biến*/ volatile long E=0; volatile long E1=0; volatile long E2=0; float alpha=0; lOMoARcPSD|2935381 float beta=0; float gama=0; int output=0; int lastoutput=0; double Kp = 2 , Ki = 1 , Kd = 0.01 ;
/* Tính toán */ int SaiSoE(long tocdodat, long tocdothuc){
} int PID1(int E){ alpha=2*T*Kp+Ki*T*T+2*Kd; beta=T*T*Ki-4*Kd-2*T*Kp; gama=2*Kd; output=(alpha*E+beta*E1+gama*E2+2*T*lastoutput)/(2*T); lastoutput=output;
Code điều khiển hoàn chỉnh hệ thống
#define button 9 //nút nhấn thuận
The code initializes a LiquidCrystal_I2C display with the address 0x27 and dimensions of 16x2 It sets up various variables for controlling a motor, including rotation direction, RPM, and a boolean for button press status Additionally, it declares several volatile long variables for tracking encoder counts and floating-point variables for PID controller parameters (Kp, Ki, Kd) The setup function prepares the environment for the program's execution.
Serial.begin(9600); pinMode(2, INPUT); pinMode(3, INPUT); pinMode(5, OUTPUT); pinMode(6, OUTPUT); pinMode(9, INPUT); attachInterrupt(0,encoder,FALLING); lcd.init(); lcd.backlight();
} void loop() { tocdothuc=tocdo_encoder();
PWM_val=PID1(E); lOMoARcPSD|2935381 hienthiLCD(); if (digitalRead(button)==true) { pressed = !pressed;
} while (digitalRead(button)==true); delay(20); if (pressed == true & rotDirection == 0) { analogWrite(PWM_T, PWM_val); analogWrite(PWM_N, 0); rotDirection = 1; delay(20);
} if (pressed == false & rotDirection == 1) { analogWrite(PWM_T, 0); analogWrite(PWM_N, PWM_val); rotDirection = 0; delay(20);
} int SaiSoE(long tocdodat, long tocdothuc){
} int PID1(int E){ alpha=2*T*Kp+Ki*T*T+2*Kd; beta=T*T*Ki-4*Kd-2*T*Kp; gama=2*Kd; output=(alpha*E+beta*E1+gama*E2+2*T*lastoutput)/(2*T); lastoutput=output;
} void encoder(){ if (digitalRead(ENCB)==1){ xung++;
} int tocdo_encoder(){ if(millis()-last>=T)
{ rpm=((xung/600)*60); last=millis(); xung=0;
} void hienthiLCD(){ lcd.setCursor(0,0); lcd.print("RPMSET:"); lcd.setCursor(8,0); lcd.print(tocdodat); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("RPM: "); lcd.setCursor(4,1); lcd.print(rpm);
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB/SIMULINK
Mô phỏng nguyên lý ( Matlab Simulink)
5.1.2Mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển
Hình 5.1 : Sơ đồ khối chưa điều khiển
5.1.1.3 Đánh giá kết quả mô phỏng :
Khi chưa có bộ điều khiển động cơ chỉ hột động ở một tốc độ duy nhất, không điều khiển được Không đạt yêu cầu đề ra
5.1.3 : Mô phỏng khi có bộ điều khiển tốc độ
Hình 5.1: Sơ đồ khối có bộ điều khiển lOMoARcPSD|2935381
Hình 5 : Tốc độ đặt mong muốn
Bộ điều khiển PID giúp động cơ hoạt động ổn định ở tốc độ đặt, cho phép phản hồi nhanh chóng với sự thay đổi của tải, đồng thời đảm bảo độ ổn định và độ tin cậy cao trong quá trình vận hành.
Mô hình thực tế
5.2.1 Mạch cầu H a) Mô phỏng trên proteus
Hình 5.3 : 3D PCB mạch cầu H b) Thực tế : lOMoARcPSD|2935381 c) Đánh giá đáp ứng hoạt động :
Mạch cầu H đáp ứng tốt các yêu cầu để điều khiển động cơ Có thể hoạt động đảo chiều quay theo mong muốn Độ ổn định cao.
5.2.2 Mạch chỉnh lưu a) Mô phỏng trên proteus
Hình 5.5 : 3D PCB mạch nguồn b) Thực tế c) Đánh giá đáp ứng hoạt động
Mạch nguồn cung cấp đúng mức điện áp mà tải yêu cầu Dòng điện cung cấp cho tải tương đối phẳng ổn định.
5.2.3 Mô hình hoàn thiện lOMoARcPSD|2935381 a) Thực tế: b) Đánh giá hoạt động :
Hệ thống hoạt động theo đúng yêu cầu, mặc dù có một số sai sót về tốc độ đặt so với tốc độ thực tế do nhiễu và các yếu tố khách quan, nhưng mức độ sai lệch không đáng kể Độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống đều đạt yêu cầu, cho thấy hoạt động mượt mà và hiệu quả.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Tiến Dũng, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn quy định và rút ra được những kết luận quan trọng.
Quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển công suất bao gồm việc sử dụng các bộ biến đổi công suất và điều khiển truyền động cho các loại động cơ điện khác nhau Ngoài ra, việc lập trình và cài đặt các thuật toán điều khiển trên các thiết bị vi điều khiển cũng là một phần quan trọng trong quy trình này.
+ Sử dụng tốt phần mềm Matlab để mô phỏng các khối điều khiển
Phần thiết kế mô hình :
+ Phân tích và chọn lựa thiết bị
+ Viết chương trình điều khiển.
+ Mô phỏng và chạy thử mô hình thật.
Do thời gian và kiến thức có hạn, trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, em rất mong thầy cô và các bạn chia sẻ ý kiến và góp ý để giúp em hoàn thiện đồ án của mình.