nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển cho hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số: Học viên: ĐỖ MẠNH TUẤN Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ QUANG LẠP THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Số trang Trang bìa 1 Mục lục 2 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5 Lời mở đầu 7 Chƣơng I: Vi điều khiển và ứng dụng vi điều khiển trong truyền động điện 9 1.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển 9 1.1.1 Khái niệm về vi điều khiển 9 1.1.2 Lịch sử phát triển của bộ vi điều khiển 10 1.1.3 Tổng quan về các hệ thống vi điều khiển 12 1.1.4 Phần mềm của vi điều khiển 16 1.2 Các họ vi điều khiển thông dụng 18 1.2.1 Vi điều khiển trong máy tính 18 1.2.2 Các vi điều khiển sử dụng trong công nghiệp 18 1.2.3 Giới thiệu họ vi điều khiển MCS-51 (AT89C52) 19 1.2.3.1 Sơ lƣợc về phần cứng của AT89C52 19 1.2.3.2 Cấu trúc bên trong của AT89C52 20 1.2.3.3 Sơ đồ chân và chức năng AT89C52 21 1.2.3.4 Tổ chức bộ nhớ 23 1.2.3.5 Các thanh ghi chức năng đặc biệt 27 1.2.3.6 Bộ nhớ ngoài 34 1.2.3.7 Lệnh Reset 38 1.2.3.8 Tập lệnh của AT 89C52 39 1.3 Ứng dụng vi điều khiển trong truyền động điện 42 1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện 42 1.3.2 Điều khiển số truyền động điện 43 1.3.3 Ƣu điểm của điều khiển số 45 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng II: Phân tích và chọn phƣơng án hệ truyền động với việc ứng dụng vi điều khiển 46 2.1 Hệ thống Thyistor- động cơ một chiều (T-Đ) 46 2.1.1 Hệ T-D tƣơng tự 46 2.1.2 Hệ thống T-D điều khiển số 48 2.2 Hệ truyền động chế độ rộng xung động cơ điện một chiều (PWM-D) 49 2.2.1 Bộ biến đổi PWM không đảo chiều 49 2.2.2 Bộ biến đổi PWM đảo chiều 50 2.2.3 Đặc tính cơ mạch vòng hở của HT động PWM-D 53 2.2.4 Sơ đồ khối hệ kín PWM-D tƣơng tự 55 2.2.5 Sơ đồ khối hệ kín PWM-D số. 56 2.3 Hệ điều khiển véc tơ biến tần động cơ KĐB 3 pha. 56 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động tƣơng tự cho động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần 56 2.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động số cho động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần 58 Chƣơng III: Phân tích tổng hợp hệ truyền động số PWM-D 60 3.1 Sơ đồ khối của hệ truyền động số PWM-D . 60 3.1.1 Mạch tạo xung điều khiển . 62 3.1.2 Thiết kế các bộ điều khiển số 64 3.1.2.1 Thuật toán điều khiển tỷ lệ 64 3.1.2.2 Thuật toán điều khiển tích phân I 64 3.1.2.3 Thuật toán điều khiển vi phân D 65 3.1.2.4 Thuật toán điều khiển PID 66 3.1.3 Khối biến đổi tƣơng tự- số và số -tƣơng tự 68 3.1.3.1 Khối biến đổi tƣơng tự -số (A/D) 68 3.1.3.2 Khối biến đổi số - tƣơng tự (D/A) 71 3.1.4 Cảm biến vị trí tốc độ (Encoder) 72 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số 75 3.2.1 Tổng hợp hệ thống 76 3.2.2 Xác định tính ổn định hệ thống 81 3.2.3 Chất lƣợng của hệ truyền động 84 3.3 Tính toán và khảo sát cho hệ truyền động PWM-D 87 3.3.1 Xét ổn định mạch vòng dòng điện 87 3.3.2 Xét ổn định mạch vòng tốc độ 89 3.3.3 Chất lƣợng của hệ truyền động 92 3.3.2.1 Khảo sát chất lƣợng dùng chƣơng trình pascal 92 3.3.2.2 Khảo sát chất lƣợng hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink 95 Kết quả luận án và hƣớng phát triển của đề tài 101 Tài liệu tham khảo 102 Phụ lục 103 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT ACV : Nguồn xoay chiều. DCV : Nguồn một chiều. A/D : Chuyển đổi tƣơng tự số. D/A : Chuyển đổi số tƣơng tự. DC : Động cơ điện một chiều. P : Bộ điều chỉnh tỷ lệ. I : Bộ điều chỉnh tích phân. D : Bộ điều chỉnh vi phân. PID : Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân. CPU : Bộ xử lý trung tâm. µC : Bộ vi điều khiển. PWM : Phƣơng pháp điều chê độ rộng xung điện áp. βI : Phản hồi âm dòng điện. γn : Phản hồi tốc độ. U cđ : Điện áp chủ đạo. U đk : Điện áp điều khiển. U rc : Điện áp răng cƣa. U SS : Điện áp so sánh. U SX : Điện áp sửa xung. U đb : Điện áp đồng bộ. FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo. SRC : Khối tạo xung răng cƣa. SS : Khối so sánh. TXPCX : Khối tạo xung và phân chia xung. U ω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ. T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lƣợng tử). M S1 : Tín hiệu phản hồi âm tốc độ. M S2 : Tín hiệu phản hồi âm dòng điện. 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM). H(S) : Khâu lƣu giữ 0. U d : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM. U c : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung. K ω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ. K i , K p : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện. 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI MỞ ĐẦU Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nƣớc.Tự động hoá là yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại; nói đến tự động hoá thì kỹ thuật số là một công cụ hỗ trợ đắc lực và không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực của nền khoa học, kỹ thuật ngày nay. Đặc biệt trong truyền động điện, đo lƣờng và điều khiển. Việc nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển vào trong hệ thống truyền động điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nói chung ngày càng phổ biến. Ví dụ trong các dây truyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong ngƣời máy, các cơ cấu ăn dao máy mài, máy gọt kim loại, máy doa, hệ thống nâng hạ cần trục… Do tính chất ƣu việt của công nghệ số so với phƣơng pháp điều khiển tƣơng tự truyền thống nhƣ: - Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động; - Dễ dàng tự động hoá; - Độ chính xác cao; - Có khả năng chống nhiễu tốt. Đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, rễ ràng thay đổi về các tham số, cấu trúc phần mềm hệ thống vi điều khiển đƣợc thiết kế chế tạo tin cậy đảm bảo phù hợp từng hệ diều khiển tự động. Nói chung ở nƣớc ta phần lớn các bộ điều khiển số động cơ điện một chiều chất lƣợng cao thƣờng đều từ nƣớc ngoài. Với công nghệ và áp dụng vi điều khiển ta có thể hoàn toàn chế tạo ra các bộ điều khiển hoàn chỉnh có chức năng tƣơng đƣơng. Do đó để tận dụng và khai thác tiềm năng của các bộ vi điều khiển nên em chọn hƣớng nghiên cứu “Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển cho hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập” 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi sai sót và có nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm. Em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp, sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp. Em xin đƣợc bày tỏ biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã hƣớng dẫn tận tình và chỉ bảo cặn kẽ để em hoàn thành luận văn này. Xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy cô Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp lớp TĐH K11 trƣờng ĐHKT công nghiệp Thái Nguyên. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2010 Tác giả luận văn Đỗ Mạnh Tuấn 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG I VI ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển 1.1.1 Khái niệm về vi điều khiển Bộ vi điều khiển viết tắt là µC (Microcontroller) là mạch tích hợp, trên một chíp có thể lập trình đƣợc, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống. Phần cứng chỉ đóng vai trò thứ yếu, phần mềm (chƣơng trình) đóng vai trò chủ đạo đối với các chức năng cần thực hiện. Nhờ vậy vi điều khiển có sự mềm dẻo hóa trong các chức năng của mình. Ngày nay vi điều khiển có tốc độ tính toán rất cao và khả năng xử lý rất lớn. Vi điều khiển có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng chính của Vi điều khiển chính là xử lý dữ liệu, chẳng hạn nhƣ cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v. Vi điều khiển hoạt động cần có chƣơng trình kèm theo, các chƣơng trình này điều khiển các mạch logic và từ đó vi điều khiển xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu. Chƣơng trình là tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ, công việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện lệnh sau khi đã giải mã. Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn trong truyền động điện nhƣ điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình đòi hỏi phải kết hợp vi điều khiển với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài đƣợc gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi. Bản thân các vi điều khiển khi đứng một mình không có nhiều hiệu quả sử dụng, nhƣng khi là một phần của một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của Vi điều khiển là rất lớn. Vi điều khiển kết hợp với các thiết bị khác đƣợc sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lƣợng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ nhanh. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1.2 Lịch sử phát triển của bộ vi điều khiển Bộ vi điều khiển đƣợc phát triển từ bộ vi xử lý, các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất đƣợc gọi là Microcontroller- Vi điều khiển, mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chíp ngày càng cao. Một số vi xử lý ra đời: Vi mạch MSI ( Medium Size Integration) có độ tích hợp trung bình cỡ 10 3 tranzito trong một chíp. Vi mạch LSI ( large Size Integration) có độ tích hợp cao cỡ 10 4 tranzito trong một chíp. Vi mạch VLSI (Very LSI) có độ tích hợp cao cỡ 10 5 tranzito trong một chíp. Năm 1971 bộ vi xử lý Intel 4004 loại 4 bít ra đời chứa 2250 tranzito. Năm 1975 Intel chế tạo bộ vi xứ lý 8 bít 8080 và 8085. Cùng khoảng thời gian này xuất hiện bộ vi xử lý 6800 của Motorola với 5000 tranzito, bộ vi xử lý Zilog Z80, Signetics 6520. Năm 1978 xuất hiện loại Intel 8086 là loại vi xử lý 16 bít với 29000 tranzito, Motorola 68000 tích hợp 70000 tranzito, AP 432 chứa 120000 tranzito. Bộ vi xử lý 32 bít của Hewlet Packard có khoảng 450000 tranzito. từ năm 1974 đến 1984 số tranzito tích hợp trong một chíp tăng khoảng 100 lần. Năm 1983 Intel đƣa ra bộ vi xử lý 80286 dùng trong máy vi tính họ AT ( Advanced Technology). Bộ vi xử lý 80286 sử dụng I/O 16 bít và có24 đƣờng địa chỉ và không gian nhớ địa chỉ thực 16MB. Năm 1987 Intel đƣa ra bộ vi xử lý 80386 32 bít. Năm 1989 xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cải tiến của Intel 80386 với bộ nhớ ẩn và mạch tính phép toán đại số dấu phẩy động. Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình đòi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài đƣợc gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi. Bản thân các vi xử lý khi đứng một mình không có nhiều hiệu quả sử dụng, nhƣng khi là một phần của một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của Vi xử lý là rất lớn. Vi xử lý kết hợp với các thiết bị khác đƣợc sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lƣợng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ [...]... nghiệp * Họ vi điều khiển AMCC * Họ vi điều khiển Atmel Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 * Họ vi điều khiển Cypress MicroSystems * Họ vi điều khiển Freescale Semiconductor * Họ vi điều khiển Fujitsu * Họ vi điều khiển Intel * Họ vi điều khiển Microchip * Họ vi điều khiển National Semiconductor * Họ vi điều khiển STMicroelectronics * Họ vi điều khiển Philips... Semiconductors Kĩ thuật vi điều khiển có vai trò quan trọng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống và khoa học đặc biệt là lĩnh vực tin học và tự động hoá Qua đó các hãng sản suất đã cho ra các bộ vi điều khiển với độ phức tạp và độ gọn nhẹ và khả năng xử lí ngày càng đƣợc cải tiến Với các họ vi điều khiển thông dụng hiện có 1- Họ vi điều khiển MCS-51 2- Họ vi điều khiển PIC16Cxx 3- Chíp điều khiển thông minh... liệu này vào bộ nhớ để lƣu trữ Hoạt động lấy ra cũng tƣơng tự; CPU gửi byte dữ liệu tới thanh ghi ở cổng ra Byte này đƣợc truyền tới thiết bị ngoại vi đƣợc nối tới Các thanh ghi điều khiển và thanh ghi trạng thái điều khiển, chỉ thị quá trình vào – ra của bộ vi điều khiển Ví dụ nhƣ bộ vi điều khiển đo tốc độ động cơ bàng cách đếm xung do bộ cảm biến tốc độ gửi tới trong một khoảng thời gian nhất định, ... thế hệ Pentum thế hệ mới có tốc độ xử lý nhanh hơn, nhiều lệnh Nếu biết khi thác ứng dụng các máy vi tính trong lĩnh vực công nghiệp, truyền động điện sẽ tiếp tục nâng cấp đƣợc hệ thống truyền động sẵn có ở nƣớc ta Trong máy tính có vi xử lý nhƣ 80286, 8088… Vi c ứng dụng các vi xử lý này sẽ tăng tốc độ xử lý tín hiệu gấp 2 lần so với các bộ vi xử lý chuyên dùng khác 1.2.2 Các vi điều khiển sử dụng. .. các cổng này có thể lập trình địa chỉ vào, ra hoặc cả hai chiều vào – ra Các chiều vào, ra luôn xét đối với chíp (VD: “Input” có nghĩa dữ liệu từ bên ngoài vào) Hoạt động đƣa dữ liệu vào nhƣ sau: Bộ cảm biến lấy tín hiệu (nhƣ nhiệt độ, tốc độ ) đƣợc nối với cổng vào ra Dữ liệu từ bộ cảm biến đƣợc truyền vào thanh ghi của cổng, bộ vi điều khiển gửi nội dung của thanh ghi này vào CPU để xử lý, Một khả... Bộ vi điều khiển có các chân ngoài dùng cho nguồn nuôi, điều khiển và các đƣờng dữ liệu, địa chỉ Vì đa số các bộ vi xử lý là CMOS nên các nguồn V DD có điện áp dƣơng và Vss nối đất CLOCK là một trong các đƣờng điều khiển, mỗi đƣờng điều khiển có chức năng riêng Một đƣờng RESET để đƣa bộ vi điều khiển trở về trạng thái ban đầu, nó đƣợc sử dụng nếu muốn hệ thống hoạt động trở lại và không có tác dụng. .. 89C55 Vi điều khiển Atmel sau này ngày càng đƣợc cải tiến và đƣợc bổ sung thêm nhiều chức năng tiện lợi hơn cho ngƣời dùng 1.1.3 Tổng quan về các hệ thống vi điều khiển Trong khối vi điều khiển bao gồm các khối ghép trong hình vẽ H.1-1 BUS (MCU) Bộ Vi điều khiển Mạch đồng hồ Bộ đệm và bộ đổi Thế giới bên ngoài BUS - Dữ liệu địa chỉ điều khiển Nguồn Các bộ nhớ và ngoại vi khác Bảng mạch vi điều khiển. .. bộ vi điều khiển đòi hỏi có nhiều nhiều bộ nhớ và cổng I/O hơn khả năng cho phép của chíp, trong trƣờng hợp này cần có đƣờng dữ liệu và địa chỉ bên ngoài nối giống sơ đồ trên H.1-2 Một số chân có thể đƣợc sử dụng nhƣ các cổng I/O hoặc nhƣ các đƣờng dữ liệu và địa chỉ bên ngoài Bộ vi điều khiển có thể đƣợc thiết lập để làm theo cách khác, vi c thiết lập chế độ làm vi c của bộ vi điều khiển theo chế độ. .. bậc cao vừa có tính chất của hợp ngữ Với hợp ngữ, ngƣời lập trình có thể điều khiển trực tiếp bộ vi điều khiển Hệ cơ số 16 ( HEXADECIMAL) Các bộ vi điều khiển thƣờng đựoc lập trình dƣới dạng hợp ngữ và dùng hệ cơ số 16 đẻ biểu diễn các thông tin bảng biểu diễn hệ số 16 coi một nhóm 4 bít mã nhị phân tƣơng ứng với 16 số và ký tự từ 0 đến 9 và từ A đến F nhƣ bảng dƣới đây: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu... khảo sát vi điều khiển AT89C51 với 40 chân dạng DIP nhƣ hình vẽ H.1-5 dƣới đây H.1-5: Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C52 + Chân VCC: Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển Nguồn điện cấp là +5V±0.5 + Chân GND: Chân số 20 nối GND (hay nối Mass) Khi thiết kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng IC ổn áp 7805 + Port 0 (P0) : Port 0 gồm 8 chân (từ chân . tiềm năng của các bộ vi điều khiển nên em chọn hƣớng nghiên cứu Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển cho hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8 Số. NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số: Học vi n: ĐỖ MẠNH. nay. Đặc biệt trong truyền động điện, đo lƣờng và điều khiển. Vi c nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển vào trong hệ thống truyền động điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nói chung ngày càng