đồ án điều khiển tốc độ động cơ dc trên cơ sở phần mềm labview

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 1 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN VĂN TRINH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN Lớp : ĐHĐT3A MSSV : 07703181 Khoá : 2007-2011 TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 1 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN VĂN TRINH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN Lớp : ĐHĐT3A MSSV : 07703181 Khoá : 2007-2011 TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010 Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh LỜI MỞ ĐẦU Trong quá trình công nhgiệp hóa- hiện đại hóa đất nước. Tự động hóa là yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại. Nói đến tự động hóa thì máy tính là một công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu được trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong đo lường và điều khiển. Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại nhiều kết quả đầy tính ưu việt. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập dữ liệu ngắn. Nhưng điều đáng quan tâm nhất là mức độ tự động hóa trong việc thu thập và xử lý kết quả đo, kể cả việc lập bảng thống kê, đồ họa, cũng như in ra kết quả. Để đo lường và điều khiển hệ thống thì ngoài các thiết bị ghép nối với máy tính, còn có Smột chương trình nạp vào máy tính để xử lý và điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống. Việc ứng dụng máy tính vào trong các hệ thống truyền động điều khiển tốc độ, vị trí ngày càng phổ biến. Ví dụ như trong các dây truyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong việc gia công sản phẩm có hình dạng, kích thước được vẽ trước trên máy tính, trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại quay anten, kính viễn vọng, trong các hệ thống bám, tùy động,… LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình chuyên nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa, là một môi trường lập trình cho phép tạo ra các chương trình sử dụng kí hiệu đồ họa giúp tạo lên những giao diện chương trình chuyên nghiệp. Nó chứa đựng rất nhiều khả năng, sức mạnh khi phát triển và thực thi các ứng dụng tự động hóa: đo lường, thu thập, phân tích, xử lí dữ liệu Thế giới thiết bị ảo của labVIEW rất gần gũi và liên kết chặt chẽ với thế giới điều khiển tự động thực. SVTH : NGUYỄN TIẾN Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được đề tài này thì trước tiên em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệuTrường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM, các thầy cô trong Ban giám hiệu Khoa Điện và các thầy cô bộ môn đã tạo điều kiện cho em được học tập và đã truyền thụ nhiều kiến thức cho em làm nền tảng học vấn. Sau đó là em vô cùng cảm ơn thầyTrần Văn Trinh là người thầy đã trực tiếp định hướng và hướng dẫn em nghiên cứu về một lĩnh vực khá là rộng, với khối lượng công việc lớn đốivới em. Tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm đồ án. Do kinh nghiệm và trình độ còn hạn chế,phần thể hiện và trình bày còn nhiều khiếm khuyết. Kính mong quí Thầy cô bỏ qua. Sinh viên thực hiện Nguyễn Tiến SVTH : NGUYỄN TIẾN Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) SVTH : NGUYỄN TIẾN Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) SVTH : NGUYỄN TIẾN Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh MỤC LỤC Lời mở đầu: Trang Chương 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1 1.1 Cấu tạo cơ bản máy điện một chiều 1 1.1.1 Cấu tạo 1 1.1.2 Nguyên lý làm việc của dộng cơ điện một chiều 1 1.2 Điều khiển động cơ DC 1 1.2.1Khái niệm chung 1 1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều 2 1.2.3 Các phương trình cơ bản của máy điện một chiều 3 1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC 7 1.3.1 Điều khiển điện áp phần ứng 7 1.3.2 Điều khiển từ thông 8 1.3.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ tong kích từ 8 1.3.4 Điều khiển điện trở phần ứng 9 Chương 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 11 2.1 Điều khiển PID liên tục 11 2.2 Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID 12 2.2.1 Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển 13 2.2.2 Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân 16 2.2.3 Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID 16 Chương 3: LẬP TRÌNH TRONG MÔI TRƯỜNG LABVIEW.22 3.1 Khái quát chung về phần mềm labview 22 3.1.1 Giới thiệu 22 3.1.2 Thiết bị ảo (VI- Vitual Instrument) 22 3.1.3 Front Panel 22 3.1.4 Block Diagram 22 3.2 Kỹ thuật lập trình labview 23 SVTH : NGUYỄN TIẾN Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh 3.2.1 Khởi động chương trình 23 3.2.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình 24 Chương 4: GIỚI THIỆU VỀ CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH.24 4.1 Thông số kỹ thuật 26 4.2 Cách sử dụng 30 Chương 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 31 5.1 Phương án thiết kế 31 5.1.1 Yêu cầu thiết kế 31 5.1.2 Thiết kế 31 5.1.3 Động cơ DC sử dụng cho mạch phần cứng 31 5.1.4 Phương pháp điều khiển 32 5.2 Sơ đồ mạch phần cứng 33 5.2.1 Công dụng từng linh kiện trong mạch 34 5.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch 36 5.3 Giao diện điều khiển bằng máy tính 35 5.3.1 Front Panel và Block diagram của chương trình 35 5.3.2 Các khối lập trình thông dụng 35 5.4 Code điều khiển dựa vào giải thuật 38 5.4.1 Yêu cầu đặt ra 38 5.4.2 Giải quyết từng vấn đề 39 5.5 Giao diện điều khiển trên máy tính 42 5.6 Kết quả đạt được 45 KẾT LUẬN ` PHỤ LỤC DANH MỤC TÀI LIỆU TAM KHẢO SVTH : NGUYỄN TIẾN Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích ) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt1. Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Rotor (còn gọi phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại các rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phấn ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp. Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mòn của chổi than. Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm). 1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ U k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông . Tiếp đó đặt một giá trị điệ áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phấn ứng sẽ có một dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa đòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. Giá trị mômen điện từ được tính như sau: Trong đó các p: số đôi cặp cực của động cơ. n: số thanh đẫn phần ứng dưới một cực từ. a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng. k: hệ số kết cấu của máy. Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục. 1.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 1.2.1 Khái niệm chung SVTH : NGUYỄN TIẾN 1 Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh Điều khiển tốc độ là một yêu cầu: cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu hóa quá trình sản xuất. Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính dộng cơ truyền động. Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định được gọi là tốc độ đặt. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào các thong số nguồn, mạch và tải nên khi các thông số thay đổi thì tốc độ động cơ sẽ bị thay đổi theo. Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ và có thể không cho phép. Để khắc phục người ta dùng những phương pháp ổn định tốc độ. Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng giải đièu chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ ) và khả năng quá tải của động cơ. Độ ổn định càng cao thì khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn. Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như: Điều chỉnh tham số. Điều chỉnh điện áp nguồn. Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ. 1.2.2 Phân loại động cơ điện 1 chiều Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia đông cơ điện một chiều ra các loại sau: - Động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu. - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ. - Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng. SVTH : NGUYỄN TIẾN 2 [...]... cần tăng tốc độ làm việc của động cơ cao hơn tốc độ định mức Có thể thấy điều đó qua công thức (5) Tốc độc cao của động cơ đạt được khi giảm từ thông bị hạn chế bởi: - Sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phần ứng Giới hạn về mặt cơ khí của dộng cơ: các động cơ thông thường cho phếp tốc độ đạt đến 1,5-2 lần tốc độ định mức Một số động cơ chế tạo đặc biệt cho phép tốc độ cao... TIẾN 7 Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh momen hằng số vì dòng phần úng cực đại cho phép - tương ứng với nó là momen tải cực đại cho phép- của động cơ không đổi với mọi tốc độ Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều khiển bằng cách sử dụng: - Máy phát DC (hệ máy phát động cơ) - Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC DC) - Bộ Chopper (bộ biiến đổi xung áp) (DC DC 1.3.2 Điều khiển từ thông Điều khiển. .. với động cơ kích từ độc lập Do đó, trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập Theo công thức (10), tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bặc hai của momen Vì vậy tốc độ động cơ khi không tải có thể tăng lên rất cao, chỉ bị hạn chế bởi từ dư của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc độ định mức Điều. .. phép của động cơ sẽ biến thiên tỉ lệ nghịch với tốc độ Với động cơ DC kích từ độc lập, việc điều khiển kích từ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp từ với bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc bộ chopper, tùy theo nguồn cung cấp được sử dụng là AC hoặc DC Với động cơ công suất nhỏ, cũng xó thể nối tiếp biến trở vào mạch kích từ đẻ điều khiển từ thông Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ... NGUYỄN TIẾN 9 Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh Khuyết điểm chính của phương pháp này là có hiệu suất của hệ thống rất kém và độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là hoạt động ở tốc độ thấp Do đó, phương pháp này hiện nay ít được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, trừ các trường hợp: - Khởi động động cơ Thay đổi tốc độ động cơ trong một thời gian ngắn trong chế độ ngắn hạn hoặc chế độ ngắn hạn... khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuôn song song và cuộn nối tiếp Động cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần có đặc tính cơ tương tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độ không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Từ công thức (5) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ - momen động cơ, ta có thể thấy rằng tốc. .. quan hệ giữa tốc độ - momen động cơ, ta có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng ba phương pháp sau: 1 Điều khiển điện áp phần ứng 2 Điều khiển từ thông 3 Điều khiển điện trở phần ứng 1.3.1 Điều khiển điện áp phần ứng Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích từ độc laạp và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng động được vẽ như hình sau: Các đặc tính này suy ra từ công... thường chỉ cho phép hoạt động gấp hai lần tốc độ định mức Do đó động cơ kích từ nối tiếp không được dùng với các ứng dụng trong đó momen tải có thể nhỏ đến mức làm tốc độ động cơ vượt mức giới hạn cho phép SVTH : NGUYỄN TIẾN 6 Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng như biểu diễn hình trên Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích... điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bất kì tốc độ, momen nằm giữa đường đặc tính cơ tự nhiên và trục momen Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ dùng để điều chỉnh động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn hoặc đặc tính tự nhiên Tính chất quan trọng của phương pháp này lá độ cứng đặc tính cơ không thay đổi khi tốc độ động cơ được điều chỉnh Điều này... động cơ Từ công thức (1) và (3), ta có: SVTH : NGUYỄN TIẾN 4 Đồ Án Học Phần 1 GVHD: Th.s Trần văn Trinh (4) Hay (5) Với động cơ một chiều kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ được duy trì không đổi, có thể giả thiết rằng từ thông động cơ không đổi khi mômen động cơ thay đổi.Khi đó ta có: K =constant (6) Như vậy đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập là một đường thẳng Tốc độ không tải của động . tốc độ của chính dộng cơ truyền động. Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định được gọi là tốc độ đặt. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ. giữa tốc độ - momen động cơ, ta có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng ba phương pháp sau: 1. Điều khiển điện áp phần ứng 2. Điều khiển từ thông 3. Điều khiển điện trở phần. và độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là hoạt động ở tốc độ thấp. Do đó, phương pháp này hiện nay ít được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, trừ các trường hợp: - Khởi động động cơ - Thay đổi tốc