điều khiển số vị trí, tốc độ động cơ điện một chiều dùng vi xử lý

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông Lâm Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình

Lời nói đầu

Bộ giáo dục và đào tạo

Trờng đại học bách khoa hà nội

Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nớc Tự động hoá làyếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại Nói đến tự độnghoá thì vi xử lý là một công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu trongnhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật, đặc biệt truyền động, đo l ờng và

điều khiển Việc ứng dụng vi xử lý vào trong các hệ thống truyền động điềukhiển tốc độ và vị trí ngày càng phổ biến Ví dụ nh trong các dây truyền lắpráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong việc gia công sản phẩm có hình dángkich thớc đã định trớc, cơ cấu truyền động cho tay máy, ngời máy, cơ cấu ăndao cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng, trong các hệ bám tuỳ động,

Vì vậy tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung: Điều khiển số vị trí, tốc” Điều khiển số vị trí, tốc

độ động cơ điện một chiều dùng vi xử lý” Điều khiển số vị trí, tốcVới mục đích ứng dụng thành tựu

công nghệ và kỹ thuật vi xử lý để điều khiển nghiên cứu thiết kế và thi công

cho một hệ thống cụ thể

Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏinhững sai sót và có nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm Em rất mongnhận đợc những ý kiến đóng góp, sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các

đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là TS Nguyễn Cảnh Quang đã cho những chỉ dẫn quý báu và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.

Hà Nội, tháng 11 năm 2009

Vũ Hồng Phong

Yêu cầu của đề tài

1 Tìm hiểu động cơ điện một chiều (DC) và các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ DC

2 Tìm hiểu hệ thống truyền động điều khiển tốc độ và vị trí động cơ DC

3 Tìm hiểu các cảm biến đo và phản hồi vị trí và tốc độ

4 Tìm hàm truyền đạt của hệ thống số và các thông số cần cho việc điều khiển vị trí và tốc độ

5 Dùng Simulink của phần mềm Matlab để mô phỏng hệ thống và kiểm nghiệm hệ thống

1.2.4 Phơng pháp điều khiển điện trở phần ứng……… 20

Chơng 2: điều khiển vị trí tốc độ và các thuật toán

2.2 Các thuật toán điều khiển………25

2.2.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ P……… … 26

2.2.2 Thuật toán điều khiển tích phân I……… … 26

2.2.3 Thuật toán điều khiển vi phân D………28

2.2.4 Thuật toán điều khiển PID……… … 28

2.3 Xác định tham số cho bộ điều khiển………30

2.3.1 Phơng pháp lý thuyết – Reinisch……… 31

2.3.2 Phơng pháp xác định thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm ……… ……… ……… 32

2.3.2.1 Phơng pháp Ziegies – Nicholsg ……… …… 32

2.3.2.2 Phơng pháp Jassen và Offerein……… …… 32

Chơng 3: Cảm biến 3.1 Giới thiệu chung……… ……… 34

3.2 Cảm biến vị trí- tốc độ……… 34

3.2.1 Encoder quang tơng đối………35

3.2.2 Encoder tuyệt đối………37

Chơng 4: Tổng hợp hệ thống và kiểm nghiệm bằng phần mềm Matlab 4.1 Mô tả toán học các phần tử trong hệ truyền động………39

4.1.1 Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập……….39

4.1.2 Sơ đồ khối động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông là định mức……… …… 40

4.1.3 Mô tả toán học bộ tạo xung PWM……….41

4.1.4 Mô tả toán học bộ PID số ……… ……… 42

4.2 Tổng hợp hệ thống và xét ổn định của hệ thống số……… …… 43

4.2.1 Tổng hợp hệ thống……… 43

4.2.2 Xét ổn định của hệ thống số………46

4.3 Mô phỏng hệ và kiểm nghiệm hệ thống bằng phần mềm Matlab……47

4.3.1 Mô phỏng mạch vòng tốc độ……… …… 48

4.3.2 Mô phỏng mạch vòng vị trí………51

Chơng 5: xây dựng và thực hiện hệ thống dùng vi xử lý 5.1 Mạch động lực……… 54

5.2 Mạch điều khiển……… 55

5 3 Phơng pháp điều chế độ rộng xung PWM……… 59

3.3.1 Tạo xung bằng phần cứng……… 61

3.3.2 Tạo xung bằng phần mềm……… 61

5.4 Lu đồ giải thuật chơng trình điều khiển vị trí tốc độ bằng PID số 63

5.5 Mô tả hệ thống thử nghiệm và kết quả thử nghiệm……….65Kết luận……….………67

Tài liệu tham khảo……….……….68Phụ lục: Chơng trình điều khiển Atmega8 bằng ngôn ngữ C… … .69

Danh mục Các từ viết tắt, kí hiệu

ACV: Nguồn xoay chiều

DCV: Nguồn một chiều

A/D: Chuyển đổi tơng tự số

D/A: Chuyển đổi số tơng tự

TI: Bằng số thời gian bộ điều khiển tích phân

TD: Hằng số thời gian bộ điều khiển vi phân

Tdmax: Thời gian lớn nhất của bộ điều khiển khâu vi phân

Tth: Chu kỳ giao động tới hạn

KPth: Hệ số tỉ lệ tới hạn của khâu tỉ lệ

PWM: (Pulse Width Modulator) phơng pháp điều biến độ rộng xung

J : Mô men quán tính của rôto

B : Mô men tổn hao theo tốc độ

Km : Hằng số mô men

T : Hằng số thời gian điện từ

Tc Hằng số thời gian điện cơ

 tốc độ động cơ

E2(p): Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển vị trí) miền ảnh laplas

GC2(p): Bộ điều khiển vị trí miền ảnh Laplas

X1(p) : Tín hiệu đặt tốc độ miền ảnh Laplas

E1(p) : Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển tốc độ) miền ảnh Laplas

GC1(p): Bộ điều khiển tốc độ miền ảnh Laplas

Gp1(p): Hàm truyền đạt của bộ điều biến đổi và động cơ miền ảnh Laplas

Y1(p) : Tốc độ miền ảnh Laplas

Gp2(p) : Miền ảnh Laplas

Y(p) : Đáp ứng vị trí miền ảnh Laplas

M1 (p): Hàm truyền của cảm biến tốc độ miền ảnh Laplas

M2(p) : Hàm truyền của cảm biến vị trí miền ảnh Laplas

Y1m(p) : Tốc độ hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi tốc độ) ảnh Laplas

Ym(p) : Vị trí hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi) miền ảnh Laplas

K1, K2, K3, K4: là các khoá bán dẫn

Hz : là tần số

Uđk Là điện áp điều khiển

X(t) : Tín hiệu kích thích miền thời gian tơng tự

Y(t): Đáp ứng trong miền hời gian tơng tự

Gcp(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tỉ lệ miền rời rạc

GcI(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tích phân miền rời rạc

GcD(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh vi phân miền rời rạc

GcPID(z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân miền rời rạcX(z) : Tín hiệu kích thích miền rời rạc

Y(z): Đáp ứng miền rời rạc

Kbx: Hệ số khuếch đại bộ biến đổi

T: Tần số bộ biến đổi

Ts: Tần số lấy mẫu

Gbx: Hàm truyền đạt của bộ biến đổi miền laplas

tqđ : Thời gian quá độ

N(z): Phơng trình đặc tính của hệ thống số

a0,a1,…an là các hệ số của phơng trình đặc tính

Ck : Là các giá trị của định thức của tổng hai ma trận Ak,Bk

Dk: Là các giá trị của định thức của hiệu hai ma trận Ak,Bk

Ak,Bk: Là các ma trận k

Xm: Quãng đờng dịch chuyển của trục encoder

NT:Số xung đếm đợc của encoder

NR: Tổng số xung trên một độ phân giải của encoder

dm: Đờng kính trục bánh xe của encoder

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc khâu điều khiển tỉ lệ P……… …… 26

Hình 2.4: Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển I……… …… 27

Hình 2.5 : Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển D……… … 28

Hình 2.6:Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID………28

Hình 2.7: Đồ thi đặc tính của bộ điều khiển PID……… ……… ……… 29

Hình 2.8: Đờng đặc tuyến tốc độ động cơ ……… 31

Hình 3.1 Sơ đồ khối của cảm biến……… ……… 34

Hình 3.2: : Biểu đồ xung của encoder tăng dần……….36

Hình 3.3: Encoder tăng dần đo lờng dịch vị thẳng………… …… …… 37

Hình 3.4: Encoder tuyệt đối 7 bit……… ……… 38

Hình : 4.1 Sơ đồ khối mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập……… ……… 39

Hình: 4.2 Sơ đồ khối động cơ điện một chiều khi kích từ là định mức…….40

Hình: 4.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID số……… … 42

Hình 4.4: Sơ đồ khối của hệ thống biểu diễn ở hệ thống số ……… …… 43

Hình 4.5: Biến đổi sơ đồ khối của hệ thống dùng lý thuyết điều khiển tự động……… ……… ………… 44

Hình 4.6: Sơ đồ cấu trúc mô phỏng mạch vòng tốc độ động cơ DC bằng Simulik……… ……… .48

Hình 4.7: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi Kp=1, KI=0, KD= 0……… … … 49

Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi Kp=0, KI=1, KD= 0……… … 49

Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi Kp=0, KI=0, KD= 1……… … 50

Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi Kp=0.5, KI=0.2, KD= 0.3………50

Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng mạch vòng vị trí động cơ DC bằng Simulik……… 51

Hình 4.12: Đồ thị đáp ứng vị trí khi Kp=1, KI=0, KD= 0………51

Hình 4.13: Đồ thị đáp ứng vị trí khi Kp=0, KI=1, KD= 0……… …….52

Hình 4.14: Đồ thị đáp ứng vị trí khi Kp=0, KI=0, KD= 1……… …… 52

Hình 4.15: Đồ thị đáp ứng vị trí khi Kp=0.5 ,KI=0.2,KD= 0.3………… … 53

Hình 5.1: Mạch động lực……… … ……… 54

Hình 5.2: Sơ đồ chân của vi điều khiển Atmega8……… 57

Hình 5.3: Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega8…… ……… 57

Hình 5.4:Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển dùng vi xử lý Atmega8………58

Hình 5.5: Biểu đồ xung PWM……… ……… .60

Hình 5.6: Lu đồ thuật toán điều khiển vị trí, tốc độ bằng PID rời rạc…….64

Hình 5.7: Sơ đồ bó trí thiết bị mô hình ……….65

Chơng I Tổng quan về Động cơ một chiều và các phơng pháp

điều khiển tốc độ

Động cơ điện một chiều (DC) thờng đợc sử dụng rộng rãi trong các hệtruyền động cần thay đổi tốc độ khởi động, hãm và đảo chiều Một số ứngdụng của động cơ một chiều nh chuyển động cho xe điện, máy công cụ, máyvận chuyển, máy cán, máy nghiền …

1.1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều

Hình 1.1 giới thiệu các loại động cơ DC thông dụng, bao gồm động cơ

DC kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ tổng hợp.Với động cơ DC kích từ độc lập, dòng phần ứng và dòng kích từ có thể điềukhiển độc lập với nhau Với động cơ kích từ song song, phần ứng và cuộnkích từ đợc đấu với nguồn cung cấp Vì vậy, với loại động cơ này, dòng phầnứng hoặc dòng kích từ chỉ có thể điều khiển độc lập bằng cách thay đổi điệntrở phụ trong mạch phần ứng hoặc mạch kích từ Tuy nhiên, đây là cách điềukhiển có hiệu suất thấp Với động cơ kích từ nối tiếp, dòng phần ứng cũng làdòng kích từ, và do đó, từ thông động cơ là một hàm của dòng phản ứng Với

động cơ kích từ tổng hợp, cần đấu nối sao cho sức từ động của cuộn nối tiếpcùng chiều với sức từ động của cuộn song song

Hình 1.1 Các loại động cơ một chiều thông dụng

Mạch tơng đơng ở chế độ tĩnh của động cơ một chiều đợc trình bày ởhình 1.2, điện trở R biểu thị điện trở phần ứng Đối với động cơ một chiềukích từ độc lập hoặc động cơ kích từ hỗn hợp, R là tổng điện trở của cuộnphần ứng và cuộn kích từ nối tiếp

- J: momen do động cơ sinh ra (Nm)

- K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ

Từ công thức (1-1) – (1-3), ta có:

u u

K

R K

U





   (1-4)Hoặc:

K  M

R K

Với động cơ một chiều kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ đợc duy trìkhông đổi, có thể giả thiết rằng từ thông động cơ không đổi khi momen độngcơ thay đổi

sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng

Với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khikhông tải khoảng 50%

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp, từ thông  là một hàm của dòngphần ứng Nếu giả thiết động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặctính từ hoá, có thể xem là từ thông tỷ lệ bậc nhất với dòng phần ứng nghĩa là:  K kt I u (1-7)

Thay (1-7) vào (1-1),(1-4) và (1-5), ta đợc:

2

u

kt I KK

J 

kt

u u kt

u

KK

R I KK

U





 9)

(1-kt

u kt

u

KK

R J KK

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏimomen khởi động cao và có thể quá tải Với momen tải tăng, từ thông độngcơ cũng tăng theo Nh vậy với cùng một lợng gia tăng của momen nh nhau,dòng phần ứng I của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng ít hơn so với

động cơ kích từ độc lập Do đó, trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải củanguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động cơ kích

Theo công thức (1.10), tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch vớicăn bậc hai của momen Vì vậy tốc độ động cơ khi không tải có thể tăng lênrất cao, chỉ bị hạn chế bởi từ d của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc

độ định mức Điều này là không cho phép với máy điện – th ờng chỉ chophép hoạt động gấp 2 lần tốc độ định mức Do đó, động cơ kích từ nối tiếpkhông đợc dùng với các ứng dụng trong đó momen tải có thể nhỏ đến mứclàm tốc độ động cơ vợt quá mức giới hạn cho phép Đặc tính của động cơmột chiều kích từ hỗn hợp có dạng nh biểu diễn trên đờng (c) hình 1.3 Tốc

độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ qua cuộn song song,trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song song,trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song song

và cuộn nối tiếp

Động cơ kích từ hỗn hợp đợc sử dụng trong những ứng dụng cần có

đặc tính cơ tơng tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độkhông tải ở một giá trị giới hạn thích hợp Cũng cần lu ý các đặc tính cơ đềcập trên hình 1.3 là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nghĩa là các đặc tínhnày nhận đợc khi động cơ hoạt động với điện áp cung cấp và từ thông địnhmức, và không có điện trở phụ nào trong mạch phần ứng hoặc kích từ

1.2 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ DC:

Từ công thức (1-5) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ- momen động cơ,cóthể thấy rằng tốc độ động cơ có thể đợc điều khiển bằng ba phơng pháp cơbản sau:

* Điều khiển điện áp phần ứng

* Điều khiển từ thông

* Điều khiển điện trở phần ứng

1.2.1 Phơng pháp điều khiển điện áp phần ứng

Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích tờ độc lập và kích từ nối tiếp khi

điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ đợc vẽ trên hình 1.4(a) và(b) Các đặc tính này suy ra từ công thức (1-5) với điện áp U thay đổi

Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bấtkì tốc độ, momen nào nằm giữa đờng đặc tính cơ tự nhiên và trục momen Vì

điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dới định mức, phơng pháp này chỉ

tự nhiên Tính chất quan trọng của phơng pháp này là độ cứng đặc tính cơkhông thay đổi khi tốc độ động cơ đợc điều chỉnh Điều này khiến hệ có khảnăng đáp ứng với tải có momen hằng số vì dòng phần ứng cực đại cho phép I-

max- tơng ứng với nó là momen tải cực đại cho phép của động cơ không đổivới mọi tốc độ

Để điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng thay đổi điện áp phần ứng

động cơ ta có thể sử dụng các phơng pháp sau:

- Máy phát DC (Hệ Máy phát - Động cơ)

- Bộ chỉnh lu có điều khiển (AC→ DC)

- Bộ biến đổi xung áp (DC→ DC)

1.2.2 Phơng pháp điều khiển từ thông động cơ

Điều khiển từ thông đợc sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của

động cơ cao hơn tốc độ định mức Có thể thấy điều đó qua công thức (1-5)

Đặc tính tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều khiển

từ thông đợc biểu diễn lần lợt trên hình1.4 (a) và (b) bằng các đờng nét đứt

Lu ý là độ cứng đặc tính cơ giảm nhanh khi giảm từ thông

Tốc độ cao của động cơ (đạt đợc khi giảm từ thông) bị hạn chế bởi:

- Sự không ổn định của động cơ, gây ra bởi ảnh hởng của phản ứngphần ứng

- Giới hạn về mặt cơ khí của động cơ: các động cơ thông th ờng chophép tốc độ đạt đến 1,5-2 lần tốc độ định mức Một số động cơ chế tạo đặcbiệt cho phép tốc độ cao nhất đạt tới 6 lần định mức

Đối với động cơ DC kích từ độc lập và song song, công suất cực đại chophép của động cơ gần nh không đổi với mọi tốc độ khi điều khiển từ thông(hình 1.5) Có thể thấy điều này nếu giả thiết là dòng cực đại cho phép(I của

Giảm, U=const

đặc tính tự nhiên

Giảm U, =const

Giảm U,=const

Giảm, U=const

(a) Động cơ kích từ độc lập (b) Động cơ kích từ nối tiếp

Hình 1.4: Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ

DC

động cơ) không thay đổi khi điều chỉnh từ thông và điện áp cung cấp chophần ứng, V là định mức Khi đó, sức điện động của động cơ, E = U – RI

là hằng số Vì vậy công suất điện từ cực đại cho phép của động cơ là EI sẽ

là hằng số, và Momen cực đại cho phép của động cơ sẽ biến thiên tỉ lệnghịch với tốc độ Trong thực tế, giả thiết dòng phần ứng cực đại cho phép

I không thay đổi khi giảm từ thông chỉ là gần đúng

Tác động của phản ứng phần ứng càng lớn khi từ thông càng giảm

Do đó, dòng phần ứng cực đại cho phép cần giảm xuống để không sinh ratia lửa điện quá mức trên cổ góp Điều này dẫn đến việc giá trị thực tế của I

sẽ giảm xuống khi tốc độ tăng cao

Với động cơ DC kích từ độc lập, việc điều khiển kích từ đ ợc thựchiện bằng cách thay đổi điện áp kích từ với bộ chỉnh l u có điều khiển hoặc

bộ chopper, tuỳ theo nguồn cung cấp đợc sử dụng là AC hoặc DC Với độngcơ công suất nhỏ, cũng có thể nối tiếp biến trở vào mạch kích từ để điềukhiển từ thông

Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ thông đ ợc thựchiện bằng cách thay đổi điện trở song song với cuộn kích từ Một số độngcơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ nhiều đầu ra, và do đó có thể thay đổi từthông bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn kích từ

1.2.3 Phơng pháp điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông

Tốc độ trên định mức đợc điều khiển bằng cách thay đổi điện áp kích

từ Giới hạn của momen và công suất ra khi điều khiển hỗn hợp điện ápphần ứng và từ thông kích từ đợc vẽ trên hình: 1.5

1.2.4 Phơng pháp điều khiển điện trở phần ứng

Hình 1.6 biểu diễn đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập và nối tiếp khi điều khiển tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào phần ứng

Khuyết điểm chính của phơng pháp này là có hiệu suất của hệ thống rất kém và độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là khi hoạt động ở tốc độ thấp Do

đó, phơng pháp này hiện nay ít đợc sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, trừcác trờng hợp:

(a) Động cơ kích từ độc lập (b) Động cơ kích từ nối tiếp

Hình 1.6: Đặc tính động cơ DC khi thêm điện trở phụ vào phần ứng

- Điều chỉnh điện trở phụ đặt vào phần ứng động cơ : Giảm độ cứngcủa đặc tính cơ, gây tổn hao trên điện trở phụ làm hiệu suất biến đổi của

động cở điện giảm, giải điều chỉnh hẹp

- Thay đổi từ thông động cơ: Độ cứng của đặc tính cơ cũng giảm,mômen giảm, làm tăng quá trình quá độ, điều kiện chuyển mạch của cổ gópcũng bị xấu đi hiệu suất biến đổi giảm

- Thay đổi điện áp phần ứng: Mômen tải là hằng số trong toàn dải điềuchỉnh, độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi, dải điều chỉnh rộng khônggây tổn hao thêm trong động cơ điện, hiệu suất biến đổi cao

Từ đó ta thấy rằng phơng pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ điện để

điều chỉnh tốc độ đông cơ tỏ ra hiệu quả hơn cả và sẽ đợc sử dụng trong luậnvăn này

ta cần phải điều khiển vị trí

Trong công nghiệp điều khiển vị trí đợc sử dụng rộng rãi nh trong cơcấu truyền động cho tay máy, Robot tự động, quay kính viễn vọng, cơ cấu ăndao cắt gọt kim loại, giấy, vải,…

Việc ứng dụng vi xử lý vào trong hệ thống truyền động điều khiển vịtrí ngày càng phổ biến hơn do một số tính năng u việt của nó, đặc biệt làtrong các dây chuyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao

Trong luận văn này, nghiên cứu và phát triển chủ yếu tập trung vào cácphơng pháp điều khiển tốc độ, vị trí động cơ DC

2.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ.

Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ động cơ điện một chiều đợc biểu diễn trên hình vẽ 2.1 dới đây:

Trong đó: X(p) Là vị trí đặt

E2(p) Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển vị trí)

GC2(p) Bộ điều khiển vị tríX1(p) Tín hiệu đặt tốc độ

E1(p) Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển tốc độ)

m (p)

G C1 (p)

Y1(p) Tốc độ

Gp2(p) Y(p) Đáp ứng vị trí

M1 (p) Hàm truyền của cảm biến tốc độ

M2(p) Hàm truyền của cảm biến vị trí

Y1m(p) Tốc độ hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi tốc độ)

Ym(p) Vị trí hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi vị trí)

2.1.2:Mạch điều khiển động cơ DC:

Hình 2.2 biểu diễn mạch điều khiển động cơ DC

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng vi xử lý

Trong hình trên các van K1, K2, K3, K4 là các khoá bán dẫn, tuỳ theocông suất của động cơ mà các khoá này có thể là Transistor, Thyristor vàGTO,…

- Encoder là cảm biến gắn trên trục của động cơ để đo vị trí và tốc độ

- Khối cách ly (OPTO): Dùng để cách ly mạch lực và vi điều khiển về điện

tín hiệu đặt

K1

K2 V+

- Vi xử lý nhận tín hiệu đặt và phản hồi từ encoder đ a ra lệnh điều khiển cácvan K1, K2, K3, K4.

Khi tín hiệu xuất ra từ vi xử lý kích mở các van K1, K3 thì động cơquay theo chiều thuận, khi K2 và K4 mở động cơ quay theo chiều nghịch

Để thay đổi tốc độ động cơ ta thay đổi khoảng dẫn của các van bằng phơngpháp điều chế độ rộng xung PWM

2.2 Các thuật toán điều khiển

Khi tiến hành thiết kế một hệ thống điều khiển tự động nói chung,công việc đầu tiên ta phải xây dựng mô hình toán học cho đối t ợng Côngviệc này cung cấp cho ta những hiểu biết về đối tợng, giúp ta thành côngtrong việc tổng hợp bộ điều khiển

Một công việc quan trọng không kém giúp ta giải quyết tốt bài toán làchọn luật điều khiển cho hệ thống Tuỳ thuộc v o điều kiện l m việc, yêuμo điều kiện lμm việc, yêu μo điều kiện lμm việc, yêucầu kỹ thuật v mô hình đối t ợng m ta chọn luật điều khiển phù hợpμo điều kiện lμm việc, yêu −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp μo điều kiện lμm việc, yêuHiện nay trong thực tế có rất nhiều ph ơng pháp thiết kế hệ thống, mỗi−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

ph ơng pháp cho ta một kết quả có u điểm riêng −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

Nh ta biết bộ điều khiển kinh điển PID có đặc tính mềm dẻo, đ ợc−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

sử dụng rất phổ biến v đem lại hiệu quả cao trong hầu hết các hệ thống điềuμo điều kiện lμm việc, yêukhiển tự động khống chế nhiệt độ, mức v tốc độ, vị trí μo điều kiện lμm việc, yêu … μo điều kiện lμm việc, yêu m ngay cả khi

lý thuyết điều khiển hiện đại ra đời cũng cha thể thay thế đ ợc các u điểm−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợpcủa bộ điều khiển PID

Trong những năm gần đây kỹ thuật vi xử lý,vi điều khiển đã có nhữngbớc phát triển mạnh mẽ Việc ứng dụng vi xử lý v o tự động hoá l một vấnμo điều kiện lμm việc, yêu μo điều kiện lμm việc, yêu

đề tất yếu v đã đ a tự động hoá có các b ớc phát triển mới Ta thấy rằngμo điều kiện lμm việc, yêu −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

bộ điều khiển PID trớc kia đ ợc xây dựng bằng các thiết bị điện tử t−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp ơng tự

v có một số nh ợc điểm nhất định:μo điều kiện lμm việc, yêu −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

- Dễ chịu tác động phá huỷ của môi tr ờng công nghiệp.−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

- Các thông số của bộ điều khiển dễ bị thay đổi do yếu tố nhiệt độ môi

tr ờng v tuổi thọ thiết bị.−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp μo điều kiện lμm việc, yêu

- Khả năng linh hoạt trong thay đổi (thông số, cấu trúc điều khiển)thấp

Do khắc phục đợc các nhợc điểm nêu trên nên việc sử dụng các bộ

điều khiển PID số ng y c ng rộng rãi, đ ợc xây dựng trênμo điều kiện lμm việc, yêu μo điều kiện lμm việc, yêu −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp các phần mềmchuyên dụng hoặc bằng các ngôn ngữ lập trình phổ thông kết hợp với vi xử

lý, vi điều khiển

Để thực hiện thuật toán điều khiển PID số ta tiến hành xấp xỉ liên tụccác bộ điều khiển PID liên tục Sau đây chúng ta sẽ xem xét các thành phần( P,I,D )của một bộ điều khiển PID và cách biểu diễn chúng dới dạng số rờirạc

2.2.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ P

I x kT dt K x kT dt K

I x kT dt K

T k y kT

I x kT dt K

Hình 2.4 Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển I

I x kT dt K

T k y

   

dt

t dx K t

dt

kT dx K kT

  xkT x k T 

T

K kT

  x z z X z 

T

K z

z

z T

K z

CD

1 )

(   

2.2.4 ThuËt to¸n ®iÒu khiÓn PID

ThuËt to¸n ®iÒu khiÓn PID gåm cã bé ®iÒu khiÓn P, bé ®iÒu khiÓn I vµ

bé ®iÒu khiÓn D m¾c song song víi nhau nh h×nh vÏ díi ®©y:

Trong miÒn tÇn sè (to¸n tö z), hµm truyÒn PID cã d¹ng:

 z G  z G  z G  z

x X(kT)

 

z

z T

K z

z T K K z

P CPID

1 1

1 2

2 0

A z A z A z

G CPID

 k yk 1A0x k A1xk 1A2xk 2

y

Hoặc u k u(k  1 ) A0e k A1ek 1A2ek 2

Đồ thị đặc tính của bộ điều khiển PID

Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy rằng đặc tính l m việc của bộ điềuμo điều kiện lμm việc, yêu

khiển PID rất linh hoạt, mềm dẻo

ở giải tần số thấp thì bộ điều khiển l m việc theo quy luật tỷ lệ tíchμo điều kiện lμm việc, yêu

phân ở giải tần số cao thì bộ điều khiển l m việc theo quy luật tỷ lệ viμo điều kiện lμm việc, yêu

phân Khi

Td Ti.



A()

t0

Bộ điều khiển có ba tham số Km , Ti v Tμo điều kiện lμm việc, yêu d

+ Khi ta cho Ti = , Td = 0 thì bộ điều khiển l m việc theo luật tỷ lệ μo điều kiện lμm việc, yêu+ Khi Ti = bộ điều khiển l m việc theo luật tỷ lệ - vi phân μo điều kiện lμm việc, yêu

+ Khi Td = 0 bộ điều khiển l m việc theo luật tỷ lệ – tích phân μo điều kiện lμm việc, yêu

Tín hiệu ra của bộ điều khiển lệch pha so với tín hiệu v o một góc μo điều kiện lμm việc, yêu 







Đây l các đặc tính mềm dẻo của bộ điều khiển μo điều kiện lμm việc, yêu

Nếu ta chọn đ ợc bộ tham số phù hợp cho bộ điều khiển PID thì hệ−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợpthống cho ta đặc tính nh mong muốn, đáp ứng đ−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp ợc các yêu cầu của các hệthống trong công nghiệp

Việc xác định các tham số Km, Ti ,Td có thể dựa trên thực nghiệmhoặc lý thuyết Về lý thuyết mặc dù cho đến nay đã có nhiều lý thuyết về xác

định tham số cho bộ điều khiển PID, nh ng vẫn ch a một lý thuyết n o−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp μo điều kiện lμm việc, yêu

ho n hảo v tiện lợi Việc xác định tham số cho bộ điều khiển cho hệ thốngμo điều kiện lμm việc, yêu μo điều kiện lμm việc, yêuphức tạp không đơn giản, đòi hỏi kỹ s phải có chuyên môn về tích hợp hệ−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợpthống

2.3 Xác định tham số cho bộ điều khiển

Luật điều khiển đ ợc chọn trên cơ sở hiểu biết v xác định đ ợc mô−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp μo điều kiện lμm việc, yêu −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợphình toán học cho đối t ợng, phải phù hợp với đối t ợng đảm bảo các yêu cầu−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợpcủa b i toán thiết kế.μo điều kiện lμm việc, yêu

Tr ờng hợp ta không xác định đ ợc mô hình toán học cho đối−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

t ợng, có thể chọn luật điều khiển v các tham số cho bộ điều khiển bằng−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp μo điều kiện lμm việc, yêu

ph ơng pháp thực nghiệm trên cơ sở hệ thống phải thoả mãn một số điều−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợpkiện r ng buộc nhất địnhμo điều kiện lμm việc, yêu

2.3.1 Ph ơng pháp lý thuyết- Reinisch: −ơng pháp lý thuyết- Reinisch:

Ph ơng pháp thiết kế lý thuyết- Reiních dựa trên mô hình toán học−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợpcủa đối t ợng Mô hình động học của đối t ợng đ ợc đ a về dạng cơ bản−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợpsau:

* Dạng khâu nguyên h m với mô hình đặc tr ng: μo điều kiện lμm việc, yêu −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

n

pT dt

p a p

a p a

e p b K

1

1 2 2 1

T p

e p b k

p

1

1

1

Trong đó Ti l các số thực thoả mãn Tμo điều kiện lμm việc, yêu 1≥T2 ≥…≥Tn v hằng số thời μo điều kiện lμm việc, yêugian trễ Tt l một số thực hữu hạn không âm μo điều kiện lμm việc, yêu

Nếu 0 ≤ b ≤ T3 thì bộ điều khiển đợc chọn là luật P hoặc luật PI

Trong trờng hợp 0 ≤ b ≤ T4 thì ta chọn bộ điều khiển PD hoặc luật PID Theo phơng pháp 1 của nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler-Nichol (cho PID):

1

2

2 1

Khi đối t ợng không xác định đ ợc mô hình toán học thì ta tiến−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

h nh chọn tham số v luật điều khiển cho hệ thống theo phμo điều kiện lμm việc, yêu μo điều kiện lμm việc, yêu ơng pháp thựcnghiệm

Theo phơng pháp này hệ thống phải đảm bảo điều kiện là khi đ a trạng−ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợpthái l m việc của hệ thống về biên giới ổn định thì các giá trị của tín hiệuμo điều kiện lμm việc, yêutrong hệ thống nằm trong giới hạn cho phép

2.3.2.1 Ph ơng pháp Ziegies v Nichols −ơng pháp lý thuyết- Reinisch: μ Nichols.

Các b ớc tiến h nh nh sau: −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp μo điều kiện lμm việc, yêu −ợng mμ ta chọn luật điều khiển phù hợp

• Cho hệ thống l m việc ở biên giới ổn định μo điều kiện lμm việc, yêu

- Điều khiển đối tợng theo luật P (Ti→; Td→0)

- Tăng Kp đến khi hệ thống l m việc ở biên giới ổn định Xác định hệμo điều kiện lμm việc, yêu

số Kp th v chu kỳ dao động tới hạn Tμo điều kiện lμm việc, yêu th

• Chọn luật điều khiển v tính toán các tham số từ Kμo điều kiện lμm việc, yêu pth v Tμo điều kiện lμm việc, yêu th theobảng(2.1) nh sau:

2.3.2.2 Ph ơng pháp Jassen v Offerein −ơng pháp lý thuyết- Reinisch: μ Nichols.

• Cho hệ thống l m việc ở biên giới ổn định μo điều kiện lμm việc, yêu

- Điều khiển đối tợng theo luật P (Ti→; Td→0)

- Xác định tham số Kpth

• Chọn thông số cho luật PI

- Chọn luật điều khiển PI với hệ số Kp = 0.45Kpth; Ti tuỳ chọn

- Giảm hằng số thời gian tích phân Ti đến khi hệ thống l m việc ởμo điều kiện lμm việc, yêubiên giới ổn định Xác định hằng số thời gian tích phân Tith ở biên giới ổn

định

- Chọn Ti = 3Tith

• Chọn luật điều khiển PID

- Cho hệ thống làm việc với bộ điều khiển PID với Kp = Kpth - 

Kết luận: Với các u điểm của bộ điều khiển PID số nêu trên, thuật toán PID

số vì vậy sẽ đợc sử dụng trong luận văn này

Chơng III Cảm biến

3.1 Giới thiệu chung:

Cảm biến là một thiết bị biến đổi đại lợng đo đợc thành một tín hiệu ởdạng khác Ngõ vào của cảm biến có thể là lực, dịch vị, áp suất, điện áp,dòng điện,…, và thông thờng ngõ ra của cảm biến đợc yêu cầu chuyển đổithành một tín hiệu điện phù hợp với việc điều khiển hay hiển thị của thiết bị.Hình 3.1 dới đây là sơ đồ đặc trng ngõ vào ra của cảm biến, mạch xử lý tínhiệu và đo lờng chuyển đổi

3.2 Cảm biến vị trí và tốc độ

Cảm biến Xử lý tín

hiệu

Ngõ ra cảm biến

Chuyển đổi đo l ờng

Đại l ợng vật

lý cần đo

Ngõ ra chuyển

đổi đo l ờng Cm

3.1: Sơ đồ khối của cảm biến

Năng l ợng bên ngoài

Trong xử lý tín hiệu cả liên tục và rời rạc, cảm biến vị trí đ ợc xử dụng

để xác định vị trí, đo lờng bề dày, đờng kính của một vật, vị trí hiện tại củamột vật đang dịch chuyển…

Cảm biến vị trí thờng có một trục có quan hệ cơ khí với đối tợng cần

đo Để đo lờng, cảm biến dựa vào vị trí trục cảm biến, chức năng của cảmbiến là chuyển đổi vị trí của trục cảm biến thành phẩm chất đo l ờng.Ví dụ vịtrí hiện tại của trục cảm biến có thể gây lên sự thay đổi của điện dung,tụ

điện, độ tự ảm, c hỗ cảm, điện trở…từ đó xác định đợc vị trí của đối tợng

Ngoài ra trục cảm biến còn có thể ghép nối với encoder, một thiết bịchuyển đổi vị trí hiện tại thành tín hiệu số

Để đo vị trí ngời ta thờng dùng hai loại cảm biến: Tơng tự và số

Cảm biến vị trí dùng chiết áp, cảm biến vị trí dùng biến áp vi sai, cảm biến vịtrí sử dụng selsyn, bộ giải góc… là các cảm biến tơng tự

Các loại cảm biến vị trí có ngõ ra là số để giao tiếp trực tiếp với vi xử lý vàmáy tính nh :

- Encoder số

- Encoder tiếp xúc

- Encoder từ trờng

- Encoder quangngày càng đợc sử dụng rộng rãi

Hiện nay encoder quang dùng ánh sáng của bán dẫn (Leds) là loạithông dụng nhất nhờ vào độ chính xác cao Một encoder quang có bốn phầnchính: nguồn quang, đĩa mã, cảm biến quang và mạch xử lý tín hiệu.Encoder quang có thể đợc phân thành hai loại: Encoder tơng đối (tăng dần )

và encoder tuyệt đối

3.2.1.Encoder quang tơng đối:

Encoder quang tơng đối tạo ra xung từ một hay nhiều rãnh chung trên

đĩa mã Xung đợc tạo ra khi mà tia sáng xuyên qua lỗ trên đĩa mã DoEncoder tơng đối có ba rãnh nên sẽ có ba nguồn sáng và ba cảm biến quang

Hình 3.2 biểu diễn một encoder quang tăng dần với 3 rãnh Trên rãnhtrong chỉ có một lỗ; hai rãnh còn lại có một chuỗi các lỗ cách đều nhau tạo

rãnh bên ngoài một khoảng bằng một nửa độ rộng của một lỗ Mục đích của

độ lệch này là tạo ra thông tin về hớng quay Sơ đồ xung do rãnh phát ra(hình 3.2) khi đĩa quay trên một bộ đếm độ rộng xung clock có h ớng Chú ýrằng xung phát từ rãnh ngoài nhanh pha hơn xung phát ra rãnh bên trong mộtkhoảng bằng 1/2 bề rộng của xung khi quay thuận Nếu hớng quay ngợc lại,thì xung clock phát ra từ rãnh trong nhanh pha hơn xung clock rãnh ngoàimột khoảng bằng 1/2 bề rộng xung

Hình 3.2: Biểu đồ xung của encoder tăng dầnEncoder tăng dần với 3 rãnh, rãnh trong tạo một xung chuẩn khi trục quay đến vị trí ban đầu, rãnh giữa cung cấp thông tin về hớng quay

ẵ PW PW

Chức năng cơ bản của mạch xử lý tín hiệu số của encoder tăng dần làxác định hớng quay và số xung phát ra để xác định góc dịch chuyển của đĩamã Số xung phát ra là tín hiệu số, do đó bộ chuyển đổi ADC là không cầnthiết cho encoder loại này.

Encoder tăng dần có thể đo lờng dịch chuyển thẳng bằng cách ghépEncoder với một trục của bánh xe nh hình 3.16 Bánh xe sẽ lăn trên bề mặtcủa vật đợc đo, mạch xử lý tín hiệu sẽ đếm số xung Tổng khoảng dịchchuyển có thể đợc đo lờng bị giới hạn bởi dung lợng bộ đếm của mạch xử lýtín hiệu Khoảng dịch chuyển có thể đợc đo từ tổng số xung phát ra bởi côngthức:

R

T m

N

N d

x

Trong đó: x(m): Khoảng dịch chuyển

d(m): Đờng kính của trục bánh xe

NT: Tổng số xung đếm đợc

NR: là số xung trên một độ phân giải của encoder

Hình 3.3: Encoder tăng dần đo lờng dịch vị thẳng

3.2.2 Encoder tuyệt đối:

Tạo ra mã số nhị phân cho mỗi vị trí trên đĩa mã Encoder tuyệt đối có

6 đến 20 track, mỗi track tạo ra một bit số nhị phân theo mã mà nó tạo nênbởi các lỗ trên đĩa mã (mã hoá) Hình 3.4 biểu diễn một encoder tuyệt đốivới 7 track mã hoá theo mã số nhị phân tự nhiên Vậy sẽ có 128 đơn vị vị trítrên đĩa mã, số nhị phân đại diện cho từng đơn vị vị trí trên đĩa mã quan hệvới số bit của encoder (số track trên đĩa mã) tạo nên độ phân giải của

Xung đếm đến mạch xử lý tớn hiệu Encoder tăng dần

Bánh xe

Số vị trí đợc mã hoá = 2N, độ phân giải = N

2 1

với N là số rãnh bằng số bit của cảm biến

Số nhị phân đợc sử dụng cho encoder có thể đợc mã hoá theo các loạimã phổ biến sau: mã nhị phân tự nhiên, mã Gray và mã BCD Trong đó mãGray đợc dùng nhiều nhất vì bộ đếm dùng trong mạch xử lý tín hiệu của cảmbiến chỉ có một bit thay đổi mỗi lần số đếm tăng lên một

Hình 3.4: Encoder tuyệt đối 7 bit

* Ưu điểm của encoder số: Bộ encoder số cho độ phân giải cao (trên

20 bit binary), độ tin cậy, độ chính xác cao hơn nhiều so với bộ cảm biến

t-ơng tự

Chơng IV : Tổng hợp hệ thống và kiểm nghiệm

Nguồn sáng

trục cảm biến Cảm biến quang

đĩa mã

bằng phần mềm matlab 4.1 Mô tả toán học các phần tử trong hệ truyền động

4.1.1 Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Mô hình sơ đồ khối mô tả toán học của động cơ DC kích từ độc lập

- Mômen điện từ của động cơ Mđt

4.1.2 Sơ đồ khối của động cơ điện một chiều kích từ độc lập với kích từ