Các yêu cầu về kỹ thuật - Điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ thông qua bộ điêu khiển sao cho mô hình vận hành trơn tru, không xảy ra các hiện tượng sai lệch, trục trặc trong quá
TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Xuất phát từ mong muốn hiểu rõ hệ thống Băng chuyền, một trong những hệ thống vô cùng quan trọng trong hệ thống dây chuyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp Hệ thống băng chuyền nhờ những tính năng ưu việt đã có nhiều sự ứng dụng quan trọng sự phát triển của các doanh nghiệp sản xuất Vì vậy nhóm chúng em đã chọn đề tài này để nghiên cứu.
DANH SÁCH KIỂM TRA PHẠM VI DỰ ÁN (PROJECT SCOPE CHECKLIST)
1.2.1 Mục tiêu của dự án
Dự án tập trung vào việc xây dựng mô hình Băng chuyền và thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống nhằm duy trì ổn định tốc độ của băng chuyền so với giá trị mong muốn Ngoài ra đánh giá nhận xét được sự ảnh hưởng của các tham số
Bộ điều khiển, đối tượng
1.2.2 Sản phẩm của dự án
Mô hình Băng chuyền hoàn thiện và tối ưu về mặt chất lượng (nếu có thể).
1.2.3 Những cột mốc của dự án (Milestones)
- 27/10/2022: Bắt đầu mô phỏng, phân tích, tính toán, chọn phương án phù hợp cho đề tài
- 01/11/2022: Tiến hành xây dựng phần cơ khí (khung sườn của mô hình) 08/11/2022: Phân tích tính hiệu quả của phương án và lên kế hoạch khắc phục
- 10/11/2022: Bắt đầu thiết kế, thi công các bộ điều khiển
- 12/11/2022: Lắp mạch, thi công, chạy thử
- 14/11/2022: Kiểm tra, đánh giá, chỉnh sửa
1.2.4 Các yêu cầu về kỹ thuật
- Điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ thông qua bộ điêu khiển sao cho mô hình vận hành trơn tru, không xảy ra các hiện tượng sai lệch, trục trặc trong quá trình vận hành băng chuyền
- Hệ thống làm việc ổn định, mô hình đẹp mắt,…
MA TRẬN ƯU TIÊN CỦA DỰ ÁN
Hình 1.1 Ma trận ưu tiên của dự án
BẢNG TÓM TẮT CÔNG VIỆC
Hình 1.2 Bảng tóm tắt công việc
MA TRẬN TRÁCH NHIỆM
Hình 1.3 Ma trận phân công nhiệm vụ
GIẢN ĐỒ GANTT CỦA DỰ ÁN
Hình 1.4 Giản đồ Gantt của dự
TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ TẢI
CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CỦA TẢI
- Động cơ 1 chiều kích từ độc lập
- Cơ cấu truyền động của tải: Băng chuyền
- Ứng dụng: Băng chuyền di chuyển các sản phẩm
Hình 2.1 Mô hình băng chuyền vẽ mô phỏng
Hình 2.2 Tải hệ thống truyền động tịnh tiến
ĐỒ THỊ TỐC ĐỘ DỰ KIẾN CỦA TẢI
Hình 2.3 Đồ thị tốc độ dự kiến của tải
- Chọn tốc độ dự kiến của băng tải là 0,25 (m/s), khối lượng hàng hoá trên băng tải là m=(200-1000)(g)
CHỌN TỐC ĐỘ DỰ KIẾN TRÊN TRỤC ĐỘNG CƠ
Tốc độ quay của rulo là
= = (Khi qua hộp số và quay ngược chiều nhau)
XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN MOMEN TẢI VÀ MOMEN QUÁN TÍNH CỦA HỆ
Theo đồ thị dự kiến tốc độ của tải ta xác định được các quá trình diễn ra
- Giai đoạn 1 : Động cơ từ =0 đến ,67(rad/s) trong vòng 1s( từ giây thứ
- Giai đoạn 2 : Động cơ giữ nguyên tốc độ trong vòng 2s( từ giây thứ 1 đến giấy thứ 3)
- Giai đoạn 3 : Động cơ tăng tốc độ từ ,67(rad/s) về =0(rad/s) trong vòng 0,5s( từ giây thứ 3 đến giây thứ 3,5)
- Giai đoạn 4 : Động cơ giữ nguyên tốc độ =0(rad/s) trong vòng 1s( từ giây thứ 3,5 đến giây thứ 4,5)
- Giai đoạn 5 : Động cơ đảo chiều, giảm tốc độ từ =0 xuống =-16,67(rad/s) trong vòng 1s( từ giây thứ 4,5 đến giây thứ 5,5)
- Giai đoạn 6 : Động cơ giữ nguyên tốc độ trong vòng 2s( từ giây thứ 5,5 đến giây thứ 7,5)
- Giai đoạn 7 : Động cơ tắt dần tốc độ về 0(rad/s)
Do J không đáng kể nên ta bỏ qua momen quán tính m
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn
- Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)
- Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục
- Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải
- Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản
→ Phương pháp không khả thi, ít được sử dụng.
Có 2 phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng điện áp:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ
Khi điện áp Va cấp vào phần ứng tăng thì tốc độ quay của động cơ điện 1 chiều tăng theo, phương pháp điều khiển này khá triệt để và được sử dụng phổ biến để điều khiển tốc độ động cơ DC.
2.10.3 Lựa chọn phương pháp điều khiển
Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao
→ Áp dụng phương pháp điều chỉnh tốc động động cơ 1 chiều bằng thay đổi điện áp phần ứng vào động cơ
2.11 CẤP NGUỒN CHO ĐỘNG CƠ
- Nguyên tắc khi thiết kế mạch công suất và mạch điều khiển là phải đảm bảo cách ly về điện giữa hai phần đó Vì thế nên cần 2 loại nguồn cách ly hoàn toàn: + Nguồn cấp cho mạch điều khiển
+ Nguồn cấp cho mạch công suất điều khiển động cơ
- Việc cách ly có thể thực hiện qua Opto
- Từ nguồn 220 V qua máy biến áp ra 18 VAC sau đó qua bộ chỉnh lưu để chuyển thành 18 VDC
- Qua các IC 7805, IC 7812 để tạo nguồn 5 VDC và 12 VDC
- Có thể dùng tụ điện để hạn chế nhiễu
- Để đảo chiều động cơ, ta dùng mạch cầu H và dùng nguồn 12 VDC để cấp nguồn
2.12 PHÁC THẢO SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CẤP NGUỒN CHO ĐỘNG CƠ
- Nguyên tắc khi thiết kế mạch công suất và mạch điều khiển là phải đảm bảo cách ly về điện giữa hai phần đó Vì thế nên cần 2 loại nguồn cách ly hoàn toàn: + Nguồn cấp cho mạch điều khiển
+ Nguồn cấp cho mạch công suất điều khiển động cơ
- Việc cách ly có thể thực hiện qua Opto
- Từ nguồn 220 V qua máy biến áp ra 18 VAC sau đó qua bộ chỉnh lưu để chuyển thành 18 VDC
- Qua các IC 7805, IC 7812 để tạo nguồn 5 VDC và 12 VDC
- Có thể dùng tụ điện để hạn chế nhiễu
- Để đảo chiều động cơ, ta dùng mạch cầu H và dùng nguồn 12 VDC để cấp nguồn.
TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT
LỰA CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
3.1.1 Chỉnh lưu Để cấp nguồn cho tải một chiểu, cần thiết kế các bộ chỉnh lưu Các bộ chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều Các loại bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển Để giảm công suất vô công, ngưòi ta thường mắc song song ngược với tải một chiéu một điốt (loại sơ đồ này được gọi là sơ đồ có điốt ngược) Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điốt ngược, khi có và không ‘có điều khiển, năng lượng được truyền từ phía lưới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới
Các bộ chỉnh lưu có điều khiển, không điốt ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều Khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới, khi nẫng lượng truyền theo chiều ngược lại (nghĩa là từ phía tải một chiều về lưới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới.
BAL - biến áp lực có chức năng chuyển cấp điện áp và số pha chuẩn của lưới điện sang giá trị điện áp và số pha thích hợp với mạch chỉnh lưu - tải
MV - mạch van, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đồ nào đó, ở đây trực tiếp thực hiện quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều MĐK - mạch điều khiển Khi MV sử dụng van bán dẫn điều khiển được sẽ có mạch này để thực hiện việc cho van dẫn dòng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải Tùy thuộc van sử dụng mà các chỉnh lưu được phân thành 3 loại sau:
• Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển • Nếu van được dùng là diode thì gọi là chỉnh lưu không điều khiển
• Nếu mạch van dùng cả diode và thyristor thì gọi là chỉnh lưu bán điều khiển
LSB - mạch lọc san bằng Khâu này nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện ra bằng phẳng theo mong muốn của tải Nếu điện áp sau MV đạt yêu cầu, có thể bỏ khâu LSB
HT - khối hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo dõi và đảm bảo BCL hoạt động bình thường, thí dụ như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ, nguồn 1 chiều ổn định cho mạch điều khiển và khống chế
3.1.1.2 Các mạch chỉnh lưu cơ bản
- Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ
- Chỉnh lưu một pha có điểm giữa
3.1.2 Chỉnh lưu có điều khiển
Các diode xuất hiện trong bộ chỉnh lưu điều khiển dưới dạng mạch điều khiển bán phần Các diode này dùng để thay thế cho thyristor trong mạch làm giảm giá thành mạch động lực lẫn mạch điều khiển.
Ngoài ra còn có công dụng hạn chế thành phần xoay chiều của dòng chỉnh lưu, dẫn đến chất lượng dòng điện phẳng hơn Do đó giúp tăng hiệu suất cũng như hệ số công suất nguồn điện Ở một vài dạng mạch, việc đưa thêm diode vào làm tăng khả năng điều khiển góc kích alpha trong thực tế đạt đến giá trị lý tưởng.
3.1.2.1 Tải R Ở nửa chu kỳ dương: Khi xuất hiện xung kích G1 thì dòng điện từ nguồn qua
Thysistor D1, qua tải, qua Diode D2 và về nguồn Điện áp và dòng tải bằng nguồn �� = ��, �� = ��. Ở nửa chu kỳ âm: Khi có xung kích G4 dẫn, dòng điện đi qua G3, qua tải, qua
D4 và về nguồn Điện áp tải ngược chiều với nguồn � � = −�� < 0.
3.1.2.2 Tải R – L Ở nửa chu kỳ dương: Dòng điện và điện áp của tải bằng với dòng điện và điện áp của nguồn Dòng điện tải trễ pha so với điện áp. Ở nửa chu kỳ âm: Nếu góc kích G4 > 0 thì ở đầu chu kỳ âm do tải có tính cảm nên sẽ phát dòng điện cùng chiều với dòng ban đầu, dòng điện này sẽ đi qua D2, D3 và qua tải (do đó dòng điện nguồn ��=0) Dòng qua tải giảm dần đến khi có xung kích G4 thì dòng điện tiếp tục tăng theo từng chu kỳ cho đến khi xác lập Ở đầu chu kỳ dương tiếp theo: tải R-L phát dòng điện đi qua D3, D4 và qua tải nên dòng điện nguồn ��=0
3.1.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển
Chỉnh lưu cầu được sử dụng rất rộng rãi trong thật tế, nhất là với cấp điện áp ra từ 10V trở lên, dòng tải có thể lên tới 100A Một trong những ưu điểm hơn hẳn của nó so với chỉnh lưu hình tia là không nhất thiết phải có biến áp nguồn: khi điện áp tải ra phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện
Mạch chỉnh lưu cầu hay mạch chỉnh lưu 1 pha không điều khiển là mạch biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều sử dụng 4 diode Do cách mắc 4 diode tạo nên một hình cầu nên được gọi là cầu chỉnh lưu.
Trong nửa chu kỳ (+) của diode dạng sóng AC đầu vào D1 và D2 được phân cực thuận, D3 và D4 phân cực ngược Khi điện áp được đến điện áp ngưỡng của D1 và D2 lúc này dòng tải sẽ được đi qua như hiển thị ở hình với đường dẫn màu đỏ Ở nửa chu kỳ (-) của dạng sóng AC đầu vào, Diode D3 và D4 sẽ được phân cực thuận, D1 và D2 phân cực ngược Dòng tải lúc này sẽ chạy qua D3 và D4
Chúng ta có thể thấy với cả 2 chu kỳ của điện áp AC đầu vào thì hướng dòng tải đều giống nhau khi đi qua diode và đều theo 1 hướng, có nghĩa là dòng điện đi theo 1 chiều Do đó, bằng việc sử dụng 1 bộ chỉnh lưu cầu thì dòng điện xoay chiều AC đầu vào sẽ được chuyển đổi thay dòng điện 1 chiều DC.
Khi đóng S1 và S4, dòng điện sẽ đi từ nguồn qua S1 qua động cơ rồi qua S4 về mass làm cho động cơ chạy theo chiều thuận Chiều dòng điện sẽ ngược lại khi ta đóng S2 và S3, động cơ sẽ quay nghịch
TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
3.3.1 Tính chọn van công suất Để tránh hiện tượng sụt áp, ta lựa chọn MOSFET làm van công suất
Lựa chọn làm MOSFET van công suất :
- Theo số liệu động cơ ta có UdmV và Idm=0.75V
- Dòng điện qua các van lớn nhất chỉ có thể bằng dòng tải lớn nhất
- Điện áp qua các van lớn nhất bằng nguồn đầu vào
- Vì động cơ ở trạng thái làm việc dòng điện lớn hơn dòng điện định mức, ta chọn hệ số dự trữ kIvan=3 , Itbvan=3 Idm=2.25A ∗
- Với điện áp 12VDC cần nguồn cao hơn khoảng 1.25 lần để có phạm vi cho băm xung hoạt động, vì vậy chọn nguồn vào VD = 15V và chọn hệ số dữ trữ kUvan = 3 Utbvan=3 VDEV∗
Chọn MOSFET kênh P (Q3 và Q4) IRF9540
‣ Dòng chịu đựng trung bình: 19A
‣ Nhiệt độ hoạt động : -55 đến +175 độ C.
Chọn MOSFET kênh N (Q1 và Q2) IRF540 :
‣ Dòng chịu đựng trung bình: 23A
‣ Nhiệt độ hoạt động: -55 đến +150 độ C.
Chọn Opto PC817 để điều khiển cách ly :
Chọn điện áp thuận V = 1.1V, suy ra dòng điện thuận I = 10mA ta tính được � � điện trở phân cực :
Chọn R 30� Đặc tính của Opto PC817
- Khi chọn diode ta dựa vào hai thông số cơ bản quan trọng nhất là dòng điện duy trì lớn hơn nguồn điện áp ngược qua diode.
3.3.2.1 Chỉ tiêu về dòng điện
- Ta dựa vào dòng điện trung bình I tbv chảy qua từng van, rồi có thể tính sơ bộ và lựa chọn van theo nguyên tắc: I v k Ivan tbvan I
- Trong đó : k ivan là hệ số dự trữ dòng điện cho van
I tbvan là dòng trung bình chạy qua van
- Lựa chọn mạch cầu một pha, vì vậy :
- Với các tải ổn định và dòng qua van dưới 100A , ta chọn k ivan 1.2;1.4 Chọn
3.3.2.2 Chỉ tiêu về điện áp
- Điện áp mà mỗi van phải chịu trong mạch cầu chính bằng điện áp dây của nguồn vào U max 2 U dm và U v k U uv max
- Trong đó : k uv là hệ số dự trữ điện áp cho van
U max là điện áp ngược lớn nhất van phải chịu
- Chọn k uv 2.5 U v 2.5 2 12 42.43 V Vậy dựa vào hai thông số dòng điện hiệu dụng qua van I hdvan và điện áp ngược trên van ( U ngvan ) ta chọn Diode 1N4007 có các thông số sau :
‣ Điện áp ngược lặp lại tối đa là: 1000 V
‣ Dòng Fwd trung bình: 1000mA
‣ Dòng Fwd tối đa không lặp lại: 30A
‣ Công suất tiêu thụ tối đa là: 3W
‣ Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +175 độ C.
- Để ổn định điện áp sau mạch chỉnh lưu ta mắc song song với một tụ điện.
- Để đánh giá hiệu quả của bộ lọc, sử dụng hệ số san bằng k sb với: in sb out k q q
Trong đó : q in là hệ số đập mạch đầu vào, là hệ số đập mạch của sơ đồ chỉnh lưu trước bộ lọc, trong trường hợp chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển thì in 0.67 q q out là hệ số đập mạch đầu ra, đặc trưng cho khả năng giảm độ đập mạch của bộ lọc
- Giả sử dòng xoay chiều chỉ qua tụ điện,dòng 1 chiều sẽ qua tải động cơ , giá trị tụ lọc tính gần đúng :
Chọn tụ có dung kháng giá trị 10000 F
3.4 THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN IC 78 05
- Điện áp vào lớn nhất: 20V
- Điện áp vào nhỏ nhất: 7V
- Nhiệt độ hoạt động lớn nhất: 85°C
- Nhiệt độ hoạt động nhỏ nhất: -20°C
- Có tích hợp bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ ngắn mạch và giữ vùng an toàn cho các transitor ở trong mạch
- Nguyên lý : Cho dòng điện xoay chiều 220V qua máy biến áp để hạ điện áp, rồi lại qua một bộ chỉnh lưu cầu một pha để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Tiếp tục là qua tụ lọc 10000 F để san phẳng điện áp rồi qua mạch ổn áp để lấy nguồn 15V và 5V.
- Dùng IC7805 sau chỉnh lưu và bộ lọc nguồn để có nguồn 5V cấp cho Arduino.
Sơ đồ nguyên lí thiết kế mạch nguồn
3.5 THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ÁP
- Khi dùng biến áp sẽ nảy ra nhiều vấn đề phức tạp, đặc tính riêng cho mạch chỉnh lưu Để đưa được đến tải một điện áp ra U d theo yêu cầu, cần phải tính đến nhiều yếu tố nhằm bù hết các sụt áp trên đường ra tải Ngoài các sụt áp bình thường như sụt áp trên điện kháng máy biến áp, trên điện trở cuộn dây, điện trở dây dẫn, sụt áp trên các van, sụt áp do hiện tượng chuyển mạch.
- Điện áp một chiều tổng quát U d tương ứng với tải định mức bao gồm : d ddm luoi v R
‣ U ddm : Điện áp một chiều tải định mức
‣ U luoi : Sụt áp nguồn xoay chiều dưới trị số định mức vì lưới điện không ổn định
‣ U v : Sụt áp trung bình trên các van bán dẫn
‣ U R : Tổng sụt áp do thành phần một chiều gây ra trên điện trở
‣ U : Sụt áp do hiện tượng chuyển mạch gây ra khi điện kháng phía xoay chiều là đáng kể
- Vì động cơ có dải điện áp hoạt động trong khoảng từ 3 – 12V, nên chọn nguồn nuôi động cơ là 15V, vì vậy chọn giá trị điện áp hiệu dụng của phía sơ cấp máy biến áp U 2 15 V Với điện áp lưới U 1 220 V ta xác định được tỉ số biến áp:
3.5.2.2 Xác định công suất của máy biến áp và hệ số sử dụng
- Công suất của máy biến áp được xác định :
‣ S S 1 , 2 là công suất biểu kiến định mức phía sơ cấp, thứ cấp máy biến áp.
‣ m m 1 , 2 là số pha phía sơ cấp, thứ cấp máy biến áp
‣ k ba là hệ số sử dụng máy biến áp
‣ P d U I d d là công suất phía chỉnh lưu
- Với sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển thì dòng điện hiệu dụng phía thứ cấp và phía sơ cấp của máy biến áp là:
- Giá trị hiệu dụng của điện áp chỉnh lưu:
- Giá trị hiệu dụng của điện áp phía thứ cấp và sơ cấp :
- Công suất máy biến áp :
3.6 TÍNH TOÁN BẢO VỆ MẠCH
3.6.1 Bảo vệ quá dòng cho van
- Để bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện, thường dùng cầu chì hoặc aptomat.
- Ta có : Ibv = 1,2 Iv = 1,2.2.25 = 2,7A → Chọn cầu chì có Iđm = 3A
3.6.2 Bảo vệ quá điện áp cho van
Dùng mạch RC mắc song song với các van và phải đặt càng gần van càng tốt, sao cho dây nối ngắn tối đa
3.6.2.1 Tính hệ số quá áp của van được chọn k = Ucp/Utt
• Ucp là điện áp lớn nhất cho phép đặt lên van ở chế độ phi chu kỳ, tuy nhiên thông thường nó cao hơn giá trị cho phép ở chế độ phi chu kỳ cỡ 10%.
• Utt là điện áp thực tế lớn nhất trên van khi làm việc.
3.6.2.2 Tra đồ thị các hệ số �∗, �∗��� �∗���, Đồ thị tính mạch RC
Từ đồ thị, suy ra:
THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ÁP
- Khi dùng biến áp sẽ nảy ra nhiều vấn đề phức tạp, đặc tính riêng cho mạch chỉnh lưu Để đưa được đến tải một điện áp ra U d theo yêu cầu, cần phải tính đến nhiều yếu tố nhằm bù hết các sụt áp trên đường ra tải Ngoài các sụt áp bình thường như sụt áp trên điện kháng máy biến áp, trên điện trở cuộn dây, điện trở dây dẫn, sụt áp trên các van, sụt áp do hiện tượng chuyển mạch.
- Điện áp một chiều tổng quát U d tương ứng với tải định mức bao gồm : d ddm luoi v R
‣ U ddm : Điện áp một chiều tải định mức
‣ U luoi : Sụt áp nguồn xoay chiều dưới trị số định mức vì lưới điện không ổn định
‣ U v : Sụt áp trung bình trên các van bán dẫn
‣ U R : Tổng sụt áp do thành phần một chiều gây ra trên điện trở
‣ U : Sụt áp do hiện tượng chuyển mạch gây ra khi điện kháng phía xoay chiều là đáng kể
- Vì động cơ có dải điện áp hoạt động trong khoảng từ 3 – 12V, nên chọn nguồn nuôi động cơ là 15V, vì vậy chọn giá trị điện áp hiệu dụng của phía sơ cấp máy biến áp U 2 15 V Với điện áp lưới U 1 220 V ta xác định được tỉ số biến áp:
3.5.2.2 Xác định công suất của máy biến áp và hệ số sử dụng
- Công suất của máy biến áp được xác định :
‣ S S 1 , 2 là công suất biểu kiến định mức phía sơ cấp, thứ cấp máy biến áp.
‣ m m 1 , 2 là số pha phía sơ cấp, thứ cấp máy biến áp
‣ k ba là hệ số sử dụng máy biến áp
‣ P d U I d d là công suất phía chỉnh lưu
- Với sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển thì dòng điện hiệu dụng phía thứ cấp và phía sơ cấp của máy biến áp là:
- Giá trị hiệu dụng của điện áp chỉnh lưu:
- Giá trị hiệu dụng của điện áp phía thứ cấp và sơ cấp :
- Công suất máy biến áp :
TÍNH TOÁN BẢO VỆ MẠCH
3.6.1 Bảo vệ quá dòng cho van
- Để bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện, thường dùng cầu chì hoặc aptomat.
- Ta có : Ibv = 1,2 Iv = 1,2.2.25 = 2,7A → Chọn cầu chì có Iđm = 3A
3.6.2 Bảo vệ quá điện áp cho van
Dùng mạch RC mắc song song với các van và phải đặt càng gần van càng tốt, sao cho dây nối ngắn tối đa
3.6.2.1 Tính hệ số quá áp của van được chọn k = Ucp/Utt
• Ucp là điện áp lớn nhất cho phép đặt lên van ở chế độ phi chu kỳ, tuy nhiên thông thường nó cao hơn giá trị cho phép ở chế độ phi chu kỳ cỡ 10%.
• Utt là điện áp thực tế lớn nhất trên van khi làm việc.
3.6.2.2 Tra đồ thị các hệ số �∗, �∗��� �∗���, Đồ thị tính mạch RC
Từ đồ thị, suy ra:
3.6.2.3 Tính năng lượng từ trường tính luỹ trong biến áp
• 2 – dòng điện thứ cấp biến áp.�
• �� – điện cảm từ hóa biến áp.
• ����� - biên độ dòng từ hóa; thường trong khoảng 3% 7% dòng định mức I2. Biên độ điện áp thứ cấp :�2� = 1,41 2 = 1,41.15 = 21,15 ( )� �
Biên độ dòng từ hóa : ����� = √2 0,04 2 = √2 0,04.0,9225 = 0,0521 ( )� �
3.6.2.4 Mạch bảo vệ RC mắc phía xoay chiều, song song cuộn thứ cấp biến áp lực
Theo yêu cầu cần có hệ số quá áp k=2,59, qua đồ thị ta có :
Từ đây ta tính được các giá trị
PHÂN TÍCH VÀ TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN CHO DỰ ÁN
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CỦA MẠCH ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG
Xung là các trạng thái cao / thấp (HIGH/LOW) về mức điện áp được lặp đi lặp lại Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM (Pulse Width Modulation) bao gồm tần số (frequency) và chu kì xung (duty cycle).
Tần số là số lần lặp lại trong 1 đơn vị thời gian Đơn vị tần số là Hz, tức là số lần lặp lại dao động trong 1 giây.
+ 1Hz = 1 dao động trong 1 giây.
+ 2Hz = 2 dao động trong 1 giây.
+ 16MHz = 16 triệu dao động trong 1 giây.
Một dao động được xác định từ trạng thái bắt đầu và kết thúc ngay trước khi trạng thái bắt đầu được lặp lại
Như vậy thông thường, 1 dao động sẽ bao gồm 2 trạng thái điện: mức cao (x giây) và mức thấp (y giây) Tổng thời gian của 2 trạng thái điện này chính là chu kì xung (x+y) giây. Độ rộng xung = (x/(x+y))*100, đơn vị %.
Tỉ lệ phần trăm thời gian giữa 2 trạng thái điện này chính là chu kì xung.
- Với x/y = 0% ta có xung chứa toàn bộ điện áp thấp (khái niệm xung nên hiểu mở rộng)
- Với x/y = 50% thì 50% thời gian đầu, xung có điện áp cao, 50% sau xung có điện áp thấp.
- Với x/y0% ta có xung chứa toàn bộ điện áp cao.
Tóm lại, với 1 xung ta có:
+ Tần số: để tính toán ra được thời gian của 1 xung
+ Chu kì xung: bao nhiêu thời gian xung có mức áp cao, bao nhiêu thời gian xung có mức áp thấp
4.1.2 Cách để tạo ra xung PWM
4.1.2.1 Tạo xung bằng phần cứng
IC NE555 là một mạch tích hợp của hãng CMOS sản xuất, là một linh kiện khá phổ biến để tạo được xung PWM và có thể thay đổi tần số tùy thích.
NE555 làm việc với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung.
Vì vậy, NE555 được sử dụng trong một loạt các bộ đếm thời gian, thế hệ xung, dao động và các ứng dụng NE555 có thể được sử dụng để cung cấp cho sự chậm trễ thời gian, như một dao động, và như là một yếu tố flip-flop Các dẫn xuất cung cấp lên đến bốn mạch thời gian trong một gói.
4.1.2.1.1 Cấu trúc bên trong của NE555
+ Hai bộ so sánh (hai op-amps)
+ Một mạng điện trở gồm 3 điện trở bằng nhau (5k Ohms) để hoạt động như một bộ chia điện áp và cấp cho đầu vào của 2 Op-amps như là điện áp tham chiếu
4.1.2.1.2 Mạch tạo dao động bằng IC NE555
Mạch tạo dao động xung của IC555
Bộ so sánh 1 - so sánh điện áp ngưỡng (ở chân 6) với điện áp tham chiếu + 2/3 �CC.
Bộ so sánh 2 - so sánh điện áp kích hoạt (ở chân 2) với điện áp tham chiếu + 1/3 �CC.
❖ Khi Q ở mức THẤP, Vout sẽ ở mức CAO (mà chúng ta gọi là Đầu ra hẹn giờ). + Q được kết nối trực tiếp với đế của transistor (tại đầu cực xả).
+ Vì vậy, khi Q ở mức THẤP, bóng bán dẫn sẽ ở trạng thái cắt (trạng thái TẮT). + Ở trạng thái này, tụ C được kết nối trực tiếp với nguồn điện Vcc thông qua các điện trở �� và ��
+ Vì vậy, tụ điện sẽ bắt đầu sạc về phía điện áp cung cấp Vcc và hằng số thời gian sạc sẽ được xác định bởi các giá trị �� và �� là (�� �� + ) * C.
+ Các tụ điện sẽ sạc về phía Vcc và điều này sẽ làm tăng điện áp ngưỡng (điện áp trên chân 6) của IC 555.
+ Khi tụ tích điện lên tới 2/3
�cc và hơn thế nữa, điện áp ngưỡng cũng sẽ vượt qua mức 2/3
�cc và điều này sẽ buộc đầu ra op amp (bộ so sánh 1) ở mức CAO (lưu ý rằng điện áp tham chiếu tại - đầu cuối của bộ so sánh 1 là 2/3 �cc).
+ Vì đầu ra op amp của bộ so sánh 1 được kết nối 'S' (đầu vào SET) của flip flop, nên flip flop sẽ được kích hoạt và đầu ra Q (đầu ra không đảo ngược) của flip flop sẽ chuyển sang CAO.
+ Chúng ta đã giả sử Q là THẤP ban đầu Bây giờ là kết quả của việc sạc tụ điện,
Q đã tự động chuyển CAO từ THẤP Khi Q lên CAO, Vout sẽ tự động chuyển sang THẤP❖ Khi Q ở mức CAO, bóng bán dẫn ở chân 7 (cực xả) sẽ được BẬT và bóng bán dẫn sẽ bị bão hòa.
+ Khi bóng bán dẫn được bão hòa, chân 7A (đầu cực phóng điện) sẽ đóng vai trò là mặt đất cho tụ điện.
+ Kết quả là, một đường dẫn mới có sẵn để tụ phóng điện từ mức 2/3 cc xuống 0� volt Tụ điện sẽ bắt đầu phóng điện qua đường dẫn mới (thông qua ��) và điều này sẽ dẫn đến việc giảm điện áp trên cực kích hoạt (chân 2) của IC 555 Hằng số thời gian xả được xác định bởi �� * C.
+ Khi tụ phóng điện xuống mức dưới 1/3
�cc, dẫn đến cùng một điện áp (điện áp của tụ) trên đầu cực kích hoạt (lưu ý rằng điện áp đầu vào tham chiếu tại cộng với cực của bộ so sánh 2 là 1/3 cc), đầu ra op� amp của so sánh 2 sẽ lên CAO.
+ Do đầu ra của bộ so sánh 2 được kết nối với , - đầu vào đầu vào RESET của�
SR flip flop, đầu ra Q của flip flop sẽ đi từ CAO đến THẤP.
+ Khi Q chuyển sang THẤP, Vout sẽ tự động chuyển sang CAO Do đó, quá trình chuyển đổi tự động từ CAO sang THẤP và sau đó từ THẤP sang CAO đạt được trong
Bộ đa năng ổn định Chu kỳ lặp lại.
4.1.2.2 Cách tạo ra xung PWM bằng phần mềm (Arduino)
Arduino IDE có một hàm được tích hợp sẵn “analogWrite()”, có thể được sử dụng để tạo ra một tín hiệu PWM Nó có thể được sử dụng để điều khiển độ sáng của đèn LED hoặc điều khiển động cơ ở nhiều tốc độ khác nhau Sau lệnh gọi hàm analogWrite(), chân này sẽ tạo ra một sóng vuông ổn định với chu kỳ làm việc xác định cho đến khi lệnh tiếp theo analogWrite () hoặc digitalRead () hoặc digitalWrite () trên cùng một chân.
Xung khi sử dụng hàm analogwrite trong Arduino
Trên Arduino UNO, các chân PWM là 3, 5, 6, 9, 10 và 11 Tần số của tín hiệu PWM trên các chân 5 và 6 sẽ là khoảng 980Hz và trên các chân khác sẽ là 490Hz Các chân PWM được dán nhãn với dấu ~
Tỉ lệ và chu kì xung trên arduino: analogWrite Tỉ lệ Chu kì xung analogWrite(0) 0/255 0% analogWrite(64) 64/255 25% analogWrite(127) 127/255 50% analogWrite(191) 191/255 75% analogWrite(255) 255/255 100%
Hàm analogWrite() trong Arduino giúp việc tạo 1 xung dễ dàng hơn.
Hàm này truyền vào tham số cho phép thay đổi chu kì xung, bạn có thể tính toán ra được chu kì xung như ở bảng trên.
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,…
Encoder hay còn gọi là Bộ mã hóa quay hoặc bộ mã hóa trục, là một thiết bị cơ điện chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành tín hiệu đầu ra analog hoặc kỹ thuật số Encoder được dùng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ… của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục.
Encoder được tích hợp trong động cơ DC
Khi đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua (Led). Chỗ có rãnh thì ánh sáng xuyên qua được, chỗ không có rãnh ánh sáng không xuyên qua được Với các tín hiệu có/không người ta ghi nhận đèn Led có chiếu qua hay không Số xung Encoder được quy ước là số lần ánh sáng chiếu qua khe. Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạn hãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu
“đi” từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A)
Nguyên lý hoạt động của Encoder
- Điện áp hoạt động : 3.3-5VDC.
- Encoder: Đĩa từ 11 xung/1 kênh/ 1 vòng, 2 kênh xung AB.
- Số xung Encoder trả ra cho 1 vòng quay: 11x270 = 2970 xung / 1 vòng.
- M1: Dây cấp nguồn cho động cơ.
- GND: Dây cấp nguồn cho Encoder, 0VDC
4.2.1.5 Cách quy đổi từ xung về tốc độ động cơ :
Cấu tạo của Encoder Đối với động cơ có tích hợp Encoder ở phía sau thì trục quay của Encoder được kết nối với trục động cơ, khi động cơ quay thì trục quay đó sẽ quay theo. Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển tuy nhiên trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 độ Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.
Sự bố trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau
Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải.
Quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu
“đi” từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao.
Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay của động
Từ các thông số kỹ thuật ta có sơ đồ nối dây khi đo tốc độ :
Sơ đồ nối dây khi đo tốc độ bằng Encoder
Sử dụng ngắt ngoài : đây là phương pháp dễ nhưng chính xác để đọc encoder Ý tưởng của phương pháp , chúng ta nối kênh A của encoder với 1 ngắt ngoài và kênh B với một chân nào đó bất kỳ Cứ mỗi lần ngắt ngoài xảy ra, tức có 1 xung xuất hiện trên ở kênh A thì trình phục vụ ngắt ngoài tự động được gọi Trong trình phục vụ ngắt này chúng ta kiểm tra mức của kênh B, tùy theo mức của kênh B chúng ta sẽ tăng biến đếm xung lên 1 hoặc giảm đi 1 Cụ thể trong dự án độ phân giải của Encoder là 2970 (2970 xung trên mỗi vòng quay)
4.2.2.1 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.
+ Tránh động cơ làm việc quá tải. Để chọn được cảm biến dòng đúng chuẩn thì cần phải biết dòng tải lớn nhất đi qua cảm biến Tiếp theo mới chọn đến giá trị đo của cảm biến :
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.
Cấu tạo của cảm biến dòng điện Hall ACS712
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 IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall Chân ACS712 sẽ xuất ra một tín hiệu analog ở chân Vout biến đổi tuyến tính theo Ip (dòng điện cần đo) được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC) trong phạm vi cho phép Tụ Cf (theo sơ đồ) dùng để chống nhiễu.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng điện Hall ACS712
Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, dòng điện đi từ Ip+ đến Ip- để Vout ra mức điện thế 2.5 – 5V tương ứng dòng 0 – 5A, nếu mắc ngược Vout sẽ ra điện thế 2.5V đến 0V tương ứng với 0A đến -5A.
Cấp nguồn 5V cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với domino), thì Vout=2.5v Khi dòng Ip (dòng của tải) bằng 5A thì Vout=5V, Vout sẽ tuyến tính với dòng Ip, trong khoản 2.5V đến 5V tương ứng với dòng 0 đến 5A
→ Để kiểm tra ta dùng đồng hồ VOM thang đo DC đo điện thế 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.
4.2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu :
Khi thực hiện một phép đo, cho dù dụng cụ đo có chính xác đến mức nào, phương pháp đo có hợp lý đến đâu, người đo cẩn thận đến mức nào thì kết quả đo nhận được cũng chỉ là một đại lượng gần đúng với giá trị thực của nó Bên cạnh đó, sau mỗi lần đo sẽ cho một kết quả đo nhận được khác nhau Để thiết kế được một hệ truyền động một cách tốt nhất đòi hỏi phải có những số liệu gần với giá trị thực nhất để tránh sai lệch của hệ thống quá lớn.
Khi đo n lần cùng một đại lượng A, ta nhận được các giá trị khác nhau : A1,A2,…,An
Trung bình số học của đại lượng đo sẽ là gần giá trị thực A :
Số lần đo n càng lớn, thì giá trị � càng tiến đến giá trị thực A.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB / SIMULINK
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
5.1.1.1 Khối nguồn Điện áp ra 12VDC cấp cho khối cầu H.
Input: Điện áp 12VDC lấy từ khối nguồn và xung điều khiển lấy từ khối PWM.Output: Điện áp 12VDC thay đổi được
Input: Điện áp từ bộ điều khiển.
Output: Xung điều khiển đến các mosfet của cầu H
5.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển trong miền rời rạc
ĐỀ XUẤT YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
5.2.1 Bộ điều khiển PID Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp vòng kín được sử dụng rộng rải trong hệ thống điện, tự động hóa, điện tử,… PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao động.
P: là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
I: là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0 Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ.
D: là vi phân của sai lệch Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh. Ưu điểm:
• Thiết kế và điều chỉnh phức tạp.
Bộ điều khiển PI là một phương pháp thường được được sử dụng trong hệ thống điều khiển để sửa lỗi giữa điểm đặt lệnh và giá trị thực dựa trên phản hồi.
Bước đầu tiên của bộ điều khiển PI chỉ đơn giản là tính toán sai số giữa tốc độ đặt và tốc độ thực tế tại thời điểm cụ thể Sau đó, sai số này được đưa vào thuật toán điều khiển PI, thuật toán này có thể được chia thành các thành phần Tỷ lệ và Tích phân tương ứng của nó.
5.2.2.1 Khâu kiểm soát tỷ lệ Điều khiển tỷ lệ được sử dụng để phản hồi ngay lập tức bất kỳ lỗi nào giữa lệnh và tốc độ thực tế Lỗi càng lớn, bộ điều khiển tỷ lệ càng ảnh hưởng đến đầu ra để loại bỏ lỗi càng nhanh càng tốt.
5.2.2.2 Khâu kiểm soát tích hợp Điều khiển tích hợp được sử dụng để loại bỏ lỗi dài hạn và bù đắp trong hệ thống Điều khiển tích phân vẫn sử dụng độ lợi bô điều khiển tỷ lệ, nhưng thêm hằng số thời gian của bộ điều khiển tích phân Hai tham số này ảnh hưởng lẫn nhau. Độ lợi Thời gian tăng Độ vọt lố Thời gian xác lập
Kp Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm
Ki Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu Ưu điểm:
• Bằng cách điều khiển 2 thông số, có thể nhanh chóng phản hồi các sai số giữa tốc độ đặt và tốc độ thực tế đồng thời loại bỏ mọi sai số lâu dài trong hệ thống. Điều này cho phép bộ điều khiển đạt được khả năng kiểm soát tốc độ chính xác.
• Thiết kế đơn giản và điều khiển dễ dàng.
• Được ứng dụng nhiều trong điều khiển tốc độ động cơ
• Độ ổn định vừa phải.
• Kiểm soát nhiễu chưa tốt.
5.2.3 Lựa chọn của nhóm và lý do
Sau khi thảo luận, nhóm đã quyết định lựa chọn bộ điều khiển PI để làm bộ điều khiển cho hệ thống Vì các ưu nhược điểm của bộ điều điều khiển này phù hợp với những yêu cầu của nhóm.
5.2.4 Yêu cầu chất lượng điều khiển
• Độ chính xác cao: Tốc độ đầu ra của động cơ bám tốc độ đầu vào mong muốn và ít dao động để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
• Độ quá điều chỉnh vừa phải để đảm bảo hệ thống nhanh chóng ổn định trở lại.
• Tốc độ đáp ứng đủ nhanh
MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ VÀ TÍNH CHỌN THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN
5.3.1 Mô phỏng động cơ bằng mô hình toán và thông số của động cơ mô phỏng
5.3.2 Mô phỏng khi không có bộ điều khiển
5.3.2.2 Đánh giá kết quả mô phỏng
Khi tiến hành mô phỏng động cơ khi chưa có sự tham gia của các bộ điều khiển, ta thấy rằng tốc độ đầu ra của động cơ chưa bám theo giá trị đặt Tại thời điểm thêm tải (t = 2s) tốc độ động cơ giảm xuống, không thể đạt tốc độ lúc ban đầu và giai đoạn đảo chiều thì tốc độ đầu ra lớn hơn giá trị đặt.
5.3.3 Mô phỏng khi chỉ có bộ điều khiển tốc độ
5.3.3.2 Đánh giá kết quả mô phỏng
Khi tiến hành mô phỏng động cơ có sự tham gia của bộ điều khiển tốc độ dưới tác động của nhiễu, lúc này ta thấy rằng tốc độ đầu ra của động cơ đã bám sát với giá trị đặt hơn khi không có bộ điều khiển Tuy nhiên, tốc độ đầu ra vẫn còn lệch so với giá trị đặt, tại thời điểm (t = 2s) độ quá điều chỉnh vẫn còn lớn khi thêm tải vào Tín hiệu dòng điện và momen điện từ dao động mạnh hơn.
5.3.4 Mô phỏng khi có cả bộ điều khiển tốc độ và dòng điện
5.3.4.1 Thông số của các bộ điều khiển PI
Sử dụng Tuner của SIMULINK ta lấy được các thông số của bộ điều khiển như sau:
- ���: Hệ số tỉ lệ của bộ điều khiển dòng điện.
- ���: Hệ số tích phân của bộ điều khiển dòng điện.
- ���: Hệ số tỉ lệ của bộ điều khiển tốc độ.
- ���: Hệ số tích phân của bộ điều khiển tốc độ.
5.3.4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng
Khi tiến hành mô phỏng động cơ có sự tham gia của cả bộ điều khiển tốc độ và dòng điện dưới tác động của nhiễu, lúc này tốc độ đầu ra của động cơ đã bám sát với tốc độ mong muốn Tại thời điểm (t = 2s), sau khi thêm tải tốc độ động cơ giảm xuống nhẹ sau đó nhanh chóng bám lại tốc độ mong muốn Khi có thêm bộ điều khiển dòng điện thì tín hiệu dòng điện và momen điện từ đã giảm đi sự dao động mạnh Có thể nói lúc này động cơ đã hoạt động mượt và tốt.
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO UNO
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino UNO
6.1.2 Bộ nhớ của arduino uno
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
• 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu.
• 2KB cho SRAM: giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất 1KB cho EEPROM: đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.
6.1.3 Các chân của arduino uno
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua
2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10 bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác
6.1.4 Một số lưu ý khi sử dụng arduino
• Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy mình khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.
• Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
• Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board.
• Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328.
• Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
• Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.
• Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog
6.1.5 Lập trình cho arduino bằng phần mền arduino IDE
• Thanh menu bar, bao gồm các tùy chọn thiết lập cho phần mềm Arduino và cho sketch đang thực hiện.
• Thanh symbol bar, gồm các nút nhấn Verify để biên dịch sketch, upload để nạp sketch vào board, New để tạo sketch mới, Open để mở sketch, Save lưu sketch và Serial Monitor để mở 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
6.2.1 PID rời rạc hay còn gọi là PID số
Hàm truyền của động cơ chùng ta tìm ra được thì đó là hàm truyền trong miền liên tục Tuy nhiên khi sử dụng vi điều khiển chúng ta không dùng hàm PID liên tục được vì nó sẽ không chính xác trong từng khoảng thời gian Do đó chúng ta sẽ sử dụng hàm PID rời rạc Bộ điều khiển PID rời rạc hay còn gọi là bộ điều khiển số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần được rời rạc ở một vài mức Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể đạt được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng Chúng ta sẽ quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi khoảng lấy mẫu: e(n) = X(n) - Y(n)
Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) – thời gian lấy mẫu T Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc độ thay đổi sai số.Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn.
6.2.2 Chuyển đổi PID trong miền liên tục sang miền rời rạc
Các bước triển khai miền rời rạc
Mô hình hoá làm PID rời rạc
CÀI ĐẶT THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐÃ TÌM ĐƯỢC VÀO VI ĐIỀU KHIỂN
6.3.1 Thực hiện viết chương trình PID theo các công thức của PID tương tự
Theo lý thuyết thì bộ điều khiển PID được hiểu theo công thức sau:
Vì vậy, ta có thể viết chương trình điều khiển thuật toán PID dựa trên công thức ở trên.
/*khai báo biến*/ unsigned long lastTime; double Input, Output, Setpoint; double errSum, lastErr; double kp, ki, kd; void Compute()
/*thời gian tính toán*/ unsigned long now = millis(); double timeChange = (double)(now - lastTime);
/*Tính toán các biến hoạt động */ double error = Setpoint - Input; // sai số e errSum += (error * timeChange); // tích phân double dErr = (error - lastErr); // Vi phân
/*Thuật toán PID đầu ra*/
Output = kp * error + ki * errSum + kd * dErr;
/*nhớ các biến cho lần tính toán kế tiếp */ lastErr = error; lastTime = now;
/*nhập giá trị PID*/ void SetTunings(double Kp, double Ki, double Kd)
{ kp = Kp; ki = Ki; kd = Kd;
6.3.2 Sử dụng thư viện có sẵn trong arduino uno để viết chương trình
- PID được coi là là bộ điều khiển lý tưởng của các hệ thống điều khiển quy trình hiện đại Nó được sử dụng hầu hết trong các ứng dụng điều khiển quá trình tự động trong công nghiệp hiện nay Biết về những lợi ích đó, nhà sản xuất phần mềmArduino đã cho người dùng thao tác ngay trên Arduino IDE bằng Thư viện Arduino PID Thư viện có nhiều phiên bản cho người dùng có thể thoải mái lựa chọn.
Thư viện PID Một số hàm của PID:
PID() //Hàm khởi tạo PID
Compute() //Hàm chứa thuật toán PID
SetOutputLimits() // hàm giới hạn đầu ra
SetTunings() //Hàm thay đổi PID trong lúc chạy
SetSampleTime() // Thời gian lấy mẫu
SetControllerDirection() // Định hướng điều khiển
Tạo bộ điều khiển PID được liên kết với Đầu vào, Đầu ra và Điểm đặt được chỉ định.
PID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, Direction)
PID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, POn, Direction)
6.3.2.1.3 Ý nghĩa các thuật ngữ Đầu vào: Biến chúng tôi đang cố gắng kiểm soát (gấp đôi) Đầu ra: Biến sẽ được điều chỉnh bởi pid (double) Điểm đặt: Giá trị chúng ta muốn Nhập để duy trì (gấp đôi)
Kp, Ki, Kd: Các thông số điều chỉnh những điều này ảnh hưởng đến cách pid sẽ thay đổi đầu ra (gấp đôi> = 0)
Hướng: Hoặc DIRECT or REVERSE xác định hướng mà đầu ra sẽ di chuyển khi gặp một lỗi nhất định DIRECT là phổ biến nhất.
Chứa thuật toán pid nó sẽ được gọi một lần mỗi vòng lặp () Hầu hết thời gian nó sẽ chỉ quay lại mà không làm gì cả Ở một tần số do SetSampleTime chỉ định, nó sẽ tính một Đầu ra mới.
Chỉ định PID nên bật (Automatic) hay tắt (Manual.) PID mặc định ở vị trí tắt khi được tạo.
Chế độ: AUTOMATIC or MANUAL
Bộ điều khiển PID được thiết kế để thay đổi đầu ra của nó trong một phạm vi nhất định Theo mặc định, phạm vi này là 0-255: phạm vi arduino PWM Việc gửi 300, 400 hoặc 500 tới PWM không có ích lợi gì Tuy nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng, một phạm vi khác nhau có thể được mong muốn.
Min: Kết thúc thấp nhất của phạm vi.
Max: Kết thúc cao của phạm vi.
Các tham số điều chỉnh (hoặc "Điều chỉnh") quy định hành vi động của
PID Nó sẽ dao động hay không? Nó sẽ nhanh hay chậm? Một bộ Điều chỉnh ban đầu được chỉ định khi PID được tạo Đối với hầu hết người dùng, điều này là đủ Tuy nhiên, đôi khi cần phải thay đổi điều chỉnh trong thời gian chạy Tại những thời điểm đó, hàm này có thể được gọi.
SetTunings (Kp, Ki, Kd, POn )
Kp: Xác định mức độ phản ứng của PID đối với lượng lỗi hiện tại (Tỷ lệ) (gấp đôi> = 0)
Ki: Xác định mức độ mạnh mẽ mà PID phản ứng với lỗi theo thời gian (Tích phân) (double> = 0)
Kd: Xác định mức độ phản ứng mạnh mẽ của PID đối với sự thay đổi trong lỗi (Đạo hàm) (double> = 0)
POn : Hoặc P_ON_E (mặc định) hoặc P_ON_M.
Xác định tần suất đánh giá của thuật toán PID Mặc định là 200mS Đối với các ứng dụng rô bốt, điều này có thể cần nhanh hơn, nhưng đối với hầu hết các phần, 200mS là rất nhanh
SampleTime : Tần suất, tính bằng mili giây, PID sẽ được đánh giá (int> 0)
Nếu Đầu vào của tôi cao hơn Điểm thiết lập, đầu ra nên tăng hay giảm? Tùy thuộc vào những gì PID được kết nối, có thể đúng Với ô tô, công suất phải giảm để giảm tốc độ Đối với tủ lạnh thì ngược lại Đầu ra (làm mát) cần được tăng lên để làm giảm nhiệt độ của tôi Hàm này chỉ định loại quy trình mà PID được kết nối Thông tin này cũng được chỉ định khi PID được xây dựng Vì không có khả năng quá trình chuyển từ trực tiếp sang đảo ngược, nên cũng không có khả năng bất kỳ ai thực sự sử dụng chức năng này.
6.3.3 Cách lấy thư viện PID trong Arduino
Theo đường dẫn: Sketch/Inlcude Library/PID
Sau khi thực hiện bước trên ta sẽ được sử dụng PID theo một cách tự động mà không cần phải viết thuật toán 1 cách dài dòng
Thư viện PID sau khi mở
6.3.4 THỰC HIỆN VIẾT ĐOẠN CODE BẰNG THƯ VIỆN
#include // gọi thư viện PID
#define encodPinA1 2 // đầu vào xung chân A
#define encodPinB1 8 // Đầu vào xung chân B
#define M1 9 // chân số 1 phát xung điều khiển động cơ chiều thuận
#define M2 10 // chân số 0 phát xung điều khiển động cơ chiều nghịch
#define D0 0 // chân cảm biến dòng double kp = 0 , ki = 0 , kd = 0 ,input = 0, output = 0, setpoint = 0;
// khai báo biến đầu vào PID long temp;
// biến giá trị thay đổi giá trị setpoint volatile long encoderPos = 0; volatile int dongPos = 0// khai báo biến tốc độ theo kiểu volatile
// khai báo biến dòng theo kiểu volatile; temp += analogRead(1); // đọc giá trị biến trở ở chân A1 if (temp < 0) // trong trường hợp giá trị điểm đặt không có { encoderPos = 0; temp = 0;
{ setpoint = temp / 500; // giá trị setpoint input = encoderPos ; // giá trị encorder myPID.Compute(); // tự động tính toán cho mạch vòng tốc độ pwmOut(output); // chương trình phát xung cho cầu H
//chương trinh con void pwmOut(int out) // sang mạch cầu H
{ analogWrite(M1, out); // động cơ theo chiều thuận analogWrite(M2, 0);
} else { analogWrite(M1, 0); analogWrite(M2, abs(out)); // động cơ theo chiều nghịch
{ int value = analogRead(dong); // đọc giá trị cảm biến dòng
{ if (PINB & 0b00000001) encoderPos++; else encoderPos ;
SO SÁNH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA 2 CÁCH VIẾT PID VÀ LỰA CHỌN
• Phù hợp với bất kì loại mô hình hoá nào
• Có thế thay đổi linh hoạt các thông số
• Giúp người lập trình dễ nắm bắt được các biến cũng như các công thức ay đổi các công thức tính toán theo phương thức của người lập trình
• Khá nhiều công thức nên cần phải sắp xếp một cách hợp lí
• Yêu cầu người điều khiển phải có vững kiến thức về lập trình
6.4.2 Cách viết theo thư viện PID của arduino
• Tự động việc tính toán các công thức liên quan đến PID
• Thay đổi linh hoạt các thông số
• Giúp người dùng tối ưu hoá các câu lệnh
• Cần phải add thư viện PID
• Yêu cầu hiểu rõ thư viện trước khi sử dụng
• Việc không cắt giảm được 1 trong các khâu PID khiến việc Vi điều khiển sẽ tốn thời gian cho khâu đó Nó sẽ không phù hợp với Nhũng khâu chỉ cần 1 dến 2 hàm
6.4.3 Lựa chọn của nhóm về hướng lập trình
Sau khi thảo luận về ưu nhược điểm của 2 phương thức trên Nhóm đã chọn phương pháp sẽ tự viết code theo công thức của PID
• Dự án chỉ sử dụng khâu PI Do đó sẽ tiết kiệm vùng dữ liệu để tính toán tránh bị trễ trong các tình huống xử lí
• Dự án sử dụng 2 mạch vòng Điều này khá rắc rối rồi nếu phải sử dụng thư viện thì phải rõ hướng hoạt đông ở trong thư viện Đôi khi, code theo nhưng lại sai ý nghĩa do đó sẽ gặp khó khắn Vì vậy, code theo những công thức sẽ nằm trong tính toán của bản thân
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN LẤY MẪU KHI CÀI ĐẶT
GIÁ TRỊ PID VÀO VI ĐIỀU KHIỂN.
SetSampleTime (1): thời gian lấy mẫu là 1 ms Đây là khoảng thời gian phải trôi qua trước khi hàm Compute () thực hiện lại phép tính PID Nếu thời gian đã đặt chưa trôi qua khi Compute () được gọi, hàm sẽ quay trởlại mã gọi mà không tính PID Như vậy sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến việc điêu khiển Dođo cần phải chọn một cách phù hợp với loại mô hình mình đang sử dụng
