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

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Ngành Điều khiển & Tự động hoá 1 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học Điều khiển số vị trí, tốc độ động cơ điện một chiều dùng vi xử lý Ngành: Ngành điều khiển và tự động hoá M số:ã Hà Nội - 2009 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Lời nói đầu Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nớc. Tự động hoá là yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại. Nói đến tự động hoá thì vi xử lý là một công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật, đặc biệt truyền động, đo lờng và điều khiển. Việc ứng dụng vi xử lý vào trong các hệ thống truyền động điều khiển tốc độ và vị trí ngày càng phổ biến. Ví dụ nh trong các dây truyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong việc gia công sản phẩm có hình dáng kich thớc đã định trớc, cơ cấu truyền động cho tay máy, ngời máy, cơ cấu ăn dao cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng, trong các hệ bám tuỳ động, Do tính u việt của công nghệ số so với phơng pháp điều khiển tơng tự truyền thống nh: - Mềm dẻo trong việc thây đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động - Độ chính xác cao. - Có khả năng chống nhiễu tốt. - Dễ dàng tự động hoá Các bộ điều khiển số đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, dễ dàng thay đổi tham số cấu trúc bằng phần mềm, nên các hệ thống vi điều khiển đ- ợc thiết kế chế tạo tin cậy sẽ tạo ra các bộ điều khiển linh hoạt, phù hợp với từng đặc điểm của hệ điều khiển tự động . Tuy nhiên ở nớc ta phần lớn các bộ điều khiển số động cơ điện một chiều chất lợng cao thờng phải nhập nhập từ nớc ngoài. Nhng thực ra nếu áp dụng tôt các nguyên lý về điều khiển số và vi xử lý, ta hoàn toàn có thể chế tạo ra các bộ điều khiển hoàn chỉnh có chức năng tơng đơng. Vì vậy tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung: Điều khiển số vị trí, tốc độ động cơ điện một chiều dùng vi xử lý Với 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. Ngành Điều khiển & Tự động hoá 2 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi những sai sót và có nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm. Em rất mong nhận 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 Tác giả Vũ Hồng Phong Ngành Điều khiển & Tự động hoá 3 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 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. 6. Tổng hợp hệ thống số. 7. Thiết kế và thi công một hệ thống cụ thể ứng dụng kỹ thuật vi xử lý. Ngành Điều khiển & Tự động hoá 4 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Mục lục Trang Chơng 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phơng pháp điều khiển tốc độ 1.1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ điện một chiều 12 1.2 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ DC .17 1.2.1 Phơng pháp điều khiển điện áp phần ứng 17 1.2.2 Phơng pháp điều khiển từ thông động cơ 18 1.2.3 Phơng pháp điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông động cơ 19 1.2.4 Phơng pháp điều khiển điện trở phần ứng 20 Chơng 2: điều khiển vị trí tốc độ và các thuật toán điều khiển 2.1 Điều khiển vị trí tốc độ 22 2.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ .22 2.1.2 Mạch điều khiển động cơ DC 24 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 Ngành Điều khiển & Tự động hoá 5 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 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 .65 Kết luận.67 Tài liệu tham khảo 68 Phụ lục: Chơng trình điều khiển Atmega8 bằng ngôn ngữ C 69 Ngành Điều khiển & Tự động hoá 6 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 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. DC: Động cơ điện một chiều. : Độ lệch pha giữa hai tín hiệu. P: Bộ điều chỉnh tỉ lệ. I: Bộ điều chỉnh tích phân. D: Bộ điều chỉnh vi phân. PID: Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân. K P . :Hằng số tỉ lệ K I . Hằng số tích phân K D . : Hằng số vi phân T I : Bằng số thời gian bộ điều khiển tích phân. T D : Hằng số thời gian bộ điều khiển vi phân. T dmax : Thời gian lớn nhất của bộ điều khiển khâu vi phân. T th : Chu kỳ giao động tới hạn. K Pth : Hệ số tỉ lệ tới hạn của khâu tỉ lệ. PWM: (Pulse Width Modulator) phơng pháp điều biến độ rộng xung. P đc : Công suất động cơ U : Điện áp phần ứng L : Điện cảm phần ứng R : Điện trở phần ứng. K đc : Hệ số khuếch đại động cơ. 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 T c . Hằng số thời gian điện cơ Ngành Điều khiển & Tự động hoá 7 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học . tốc độ động cơ Const: Hằng số I kt : dòng điện cuộn kích từ K kt : Hệ số cuộn kích từ C kt : Cuộn kích từ U kt : Điện áp cuộn kích từ : Từ thông động cơ đm : Tốc độ định mức của động cơ X(p) : Là vị trí đặt miền ảnh laplas E 2 (p): Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển vị trí) miền ảnh laplas G C2 (p): Bộ điều khiển vị trí miền ảnh Laplas X1(p) : Tín hiệu đặt tốc độ miền ảnh Laplas E 1 (p) : Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển tốc độ) miền ảnh Laplas G C1 (p): Bộ điều khiển tốc độ miền ảnh Laplas G p1 (p): Hàm truyền đạt của bộ điều biến đổi và động cơ miền ảnh Laplas Y 1 (p) : Tốc độ miền ảnh Laplas G p2 (p) : Miền ảnh Laplas Y(p) : Đáp ứng vị trí miền ảnh Laplas M 1 (p): Hàm truyền của cảm biến tốc độ miền ảnh Laplas M 2 (p) : Hàm truyền của cảm biến vị trí miền ảnh Laplas Y 1m (p) : Tốc độ hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi tốc độ) ảnh Laplas Y m (p) : Vị trí hiện tại của động cơ (tín hiệu phản hồi) miền ảnh Laplas K 1 , K 2 , K 3 , K 4 : là các khoá bán dẫn. Hz : là tần số U đk . 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. G cp (z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tỉ lệ miền rời rạc G cI (z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tích phân miền rời rạc G cD (z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh vi phân miền rời rạc G cPID (z): Hàm truyền của bộ điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân miền rời rạc Ngành Điều khiển & Tự động hoá 8 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học X(z) : Tín hiệu kích thích miền rời rạc. Y(z): Đáp ứng miền rời rạc K bx : Hệ số khuếch đại bộ biến đổi. T: Tần số bộ biến đổi. Ts: Tần số lấy mẫu. G bx : Hàm truyền đạt của bộ biến đổi miền laplas. t qđ : Thời gian quá độ. N(z): Phơng trình đặc tính của hệ thống số. a 0 ,a 1 , a n là các hệ số của phơng trình đặc tính. C k : Là các giá trị của định thức của tổng hai ma trận A k ,B k . D k : Là các giá trị của định thức của hiệu hai ma trận A k ,B k A k ,B k : Là các ma trận k. X m : 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. Ngành Điều khiển & Tự động hoá 9 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Danh mục Các hình vẽ Hình 1.1 Các loại động cơ một chiều thông dụng .13 (a) Kích từc độc lập (b) Kích từ song song (c) Kích từ nối tiếp (d) Kích từ hỗn hợp Hình 1.2: Mạch tơng đơng chế độ tĩnh của động cơ DC 13 Hình 1.3 Đặc tính cơ các loại động cơ DC .15 Hình 1.4: Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ .18 (a) Động cơ kích từ độc lập (b) Động cơ kích từ nối Hình 1.5: Giới hạn momen và tốc độ khi điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông 20 Hình 1.6: Đặc tính động cơ DC khi thêm điện trở phụ vào phần ứng 20 (a Động cơ kích từ độc lập (b) Động cơ kích từ nối tiếp Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí tốc độ động cơ DC 23 Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng vi xử lý 24 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 Ngành Điều khiển & Tự động hoá 10 [...]... Ngành Điều khiển & Tự động hoá Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 12 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 hệ truyền động cần thay đổi tốc độ khởi động, hãm và đảo chiều Một số ứng dụng của động cơ một chiều nh chuyển động cho xe điện, máy công cụ, máy vận chuyển, máy cán, máy nghiền 1.1 Đặc tính cơ tĩnh của động. .. Điều khiển & Tự động hoá Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 17 Từ công thức (1-5) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ- momen động cơ, có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể đợc điều khiển bằng ba phơng pháp cơ bản 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. .. (tín hiệu điều khiển vị trí) GC2(p) Bộ điều khiển vị trí X1(p) Tín hiệu đặt tốc độ E1(p) Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển tốc độ) GC1(p) Bộ điều khiển tốc độ Gp1(p) Hàm truyền đạt của bộ biến đổi và động cơ 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... không ổn định của động cơ, gây ra bởi ảnh hởng của phản ứng phần ứng - Giới hạn về mặt cơ khí của động cơ: các động cơ thông thờng cho phép 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 nhất đạt tới 6 lần định mức Đối với động cơ DC kích từ độc lập và song song, công suất cực đại cho phép của động cơ gần nh không đổi với mọi tốc độ khi điều khiển từ thông... cơ tự nhiên o đặc tính cơ tự nhiên Tăng điện trở phụ M M (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 * Kết luận: Từ các nguyên tắc điều chỉnh trình bày trên ta thấy rằng có thể điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều dùng các phơng pháp sau: - Điều chỉnh điện trở phụ đặt vào phần ứng động cơ : Giảm độ cứng của đặc tính cơ, ... 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: X(p) E2(p) Ym(p) G (p) C2 X1(p) E1(p) G (p) C1 G (p) p1 Y1(p) G (p) p2 Y1m(p) M1 (p) M2(p) Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí- tốc độ động cơ DC Trong đó: X(p) Là vị trí đặt Ngành Điều khiển & Tự động hoá... (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 Ngành Điều khiển & Tự động hoá Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 18 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. .. 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 - Vi xử lý nhận tín hiệu đặt và phản hồi từ encoder đ a ra lệnh điều khiển các van K1, K2, K3, K4 Khi tín hiệu xuất ra từ vi xử lý kích mở các van K 1, K3 thì động cơ quay 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... 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 Ngành Điều khiển & Tự động hoá Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 24 tín hiệu đặt V+ OPTO K1 Vi xử lý K2 OPTO Encoder DC K4 OPTO Hình 2.2 K3 OPTO Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng vi xử lý Trong hình trên các van K 1, K2, K3, K4 là các khoá bán dẫn, tuỳ theo công suất của động cơ mà các... 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, trừ các trờng 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 . 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. điện một chiều và các phơng pháp điều khiển tốc độ 1.1 Đặc tính cơ tĩnh của động cơ điện một chiều 12 1.2 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ DC .17 1.2.1 Phơng pháp điều khiển điện áp. 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, trừ các trờng hợp: - Khởi động động cơ - Thay đổi tốc độ động cơ