Điều khiển hệ truyền động động cơ điện một chiều bằng card arduino để ứng dụng cho điều khiển chuyển động máy công nghiệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐÀO ANH QUÂN ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CARD ARDUINO ĐỂ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐÀO ANH QUÂN

ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CARD ARDUINO ĐỂ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU

KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG MÁY CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đào Anh Quân

Sinh ngày: 16 tháng 10 năm 1987

Học viên lớp cao học khóa K15 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Đại học Hùng Vương Phú Thọ

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận trong luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Đào Anh Quân

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, các khoa, các phòng ban, các thầy cô giáo và đồng nghiệp

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Võ Quang Lạp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm Thí nghiệm, phòng thí nghiệm Khoa Điện tử - Trường Đại Học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Hùng Vương Phú Thọ đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế

Học viên

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT v

vii

ix

x

CHƯƠNG 1 : 1

1.1 Ưu điểm của hệ điều khiển số 1

3

– 4

5

– 6

9

– 12

1.3.1 Sơ – 12 13

CHƯƠNG 2 : – ) 26

26

30

) 31

31

35

36

Trang 5

-Đ 36

36

37

39

2.6.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 39

2.6.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 42

44

2.7.1 Xây dựng sơ đồ thí nghiệm 44

2.7.2 Phần cứng của thiết bị thí nghiệm 45

2.7.3 Thiết kế PID cho mô hình trong phòng thí nghiệm 48

2.7.4 Các kết quả thí nghiệm 49

CHƯƠNG 3: 51

51

53

3.1.4 Phân loại và ký hiệu thang máy 53

55

3.1.6 Chức năng của một số bộ phận trong thang máy 56

3.2 Các yêu cầu đối với thang máy 62

3.2.1 Yêu cầu về an toàn trong điều khiển thang máy 62

3.2.2 Dừng chính xác buồng thang 65

3.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ, gia tốc và độ giật đối với hệ truyền động thang máy 68

3.3 Các chế độ làm việc của thang máy 70

3.3.1 Sơ đồ khối hệ truyến động số - xung áp động cơ điện một chiều điều khiển bởi card arduino 70

3.3.2 Điều chỉnh tốc độ 71

71

nh 72

–

77

75

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT

ACV: Nguồn xoay chiều

DCV: Nguồn một chiều

A/D: Chuyển đổi tương tự số

D/A: Chuyển đổi số tương 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 : Phương pháp điều chê độ rộng xung điện áp

βI : Phản hồi âm dòng điện

γn : Phản hồi tốc độ

Ucđ : Điện áp chủ đạo

Uđk : Điện áp điều khiển

Urc : Điện áp răng cưa

USS : Điện áp so sánh

USX : Điện áp sửa xung

Uđb : Điện áp đồng bộ

FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo

SRC : Khối tạo xung răng cưa

SS : Khối so sánh

TXPCX : Khối tạo xung và phân chia xung

Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ

T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử)

MS1 : Tín hiệu phản hồi âm tốc độ

Trang 7

MS2 : Tín hiệu phản hồi âm dòng điện

T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM)

H(S) : Khâu lưu giữ 0

Ud : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM

Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung

Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ

Ki , Kp : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện

CLPWM

Trang 8

3

Hình 1.3 Ký hiệu bộ cắt mẫu 4

8

9

Hình 1.8 Tính ổn định của hệ điều khiển xung – số 11

i 12

1.10 – 13

1.11 Card Arduino Uno 13

Hình 1.12 Mạch điện bộ biến đổi PWM có đảo chiều dạng H kiểu đi ốt 16

Hình 1.13 Đồ thị dòng áp của hệ truyền động đảo chiều dùng bộ biến đổi PWM dạng H kiểu Diốt 17

1.14 18

1.15 Encoder tương đối 19

1.16 một số loại encoder thông dụng 20

Hình 1.17 Đặc tính truyền đạt A/D 21

Hình 1.18 Sơ đồ khối A/D 21

Hình 1.19 Đồ thị biến đổi điện áp tín hiệu tương tự đầu vào 23

Hình 1.20 Sơ đồ khối quá trình biến đổi từ số về tương tự 24

Hình 1.21 Đồ thị biến đổi D/A 25

Hình 2.1 Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển I 27

Hình 2.2 Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển D 27

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID tương tự 28

Hình 2.4 Đồ thị đặc tính của bộ khâu điều khiển PID 29

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID số 30

-Đ 31

Hình 2.8 Đáp ứng dòng điện với kp= 0.25; ki = 42 ;T = 0,5Tu= 0,002 41

Hình 2.9 Đáp ứng dòng điện với: kp=0.25; ki = 50 ;T = 0,5Tu = 0,0065 41

Hình 2.10 Cấu trúc mạch vòng tốc độ số 43

Hình 2.12: Đáp ứng tốc độ với T= 0.002;kp= 0.25; ki = 50; k = 0.00058 44

Hình 2.13 Sơ đồ khối của hệ truyền động xung áp động cơ điện một chiều được điều khiển bởi card arduino 45

Hình 2.14 Phần cứng của thiết bị thí nghiệm 45

Hình 2.15 Sơ đồ khối hình thí nghiệm 46

Hình 2.16 Giới thiệu IC L298N 47

Hình 2.17 Giới thiệu IC SN74HC08N 47

Hình 2.18 Card arduino 48

Trang 9

tlab - simulink 49

Hình 2.20 Cấu hình đầu ra điều khiển động cơ 49

Hình 2.21: Cấu hình thời gian thực 50

Hình 2.22 Đáp ứng đầu ra khi không có tải 50

Hình 2.23 Đáp ứng đầu ra khi có tải 50

Hình 3.1 Kết cấu cơ khí của thang máy 56

3.2 Cảm biến vị trí kiểu cơ khí 59

3.3 Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng 60

3.4 Cảm biến quang 60

Hình 3.5 Cảm biến điện dung 61

Hình 3.6 Cảm biến điện cảm 61

62

Hình 3.9 Phanh bảo hiểm kiểu kìm 63

Hình 3.10 Nguyên lý làm việc của bộ hạn chế tốc độ 64

Hình 3.11 Dừng chính xác buồng thang 66

, tốc độ v, gia tốc a và độ giật theo thời gian 70

Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ T-Đ số - xung áp động cơ điện một chiều điều khiển bởi card arduino cho truyền động thang máy 70

71

Hình 3.15 72

72

73

M theo VOC 75

76

d, q 77

78

3.23 78

79

o VOC 79

VOC 79

80

Trang 10

-

Trang 11

Trang 12

CHƯƠNG 1

1.1 Ưu điểm của hệ điều khiển số

–)

Trang 13

Trang 14

C nhƣ hình 1.1

Khối đo Phản hồi

u(t) X(t)

Trang 15

Trang 16

–

: x(t) A.X(t) B.u(t)

pt i

Trang 17

1

11

–

sau:

Trang 18

Trang 19

WLT(P)

WFH(P)

(-) f(t)

y(t)

Trang 20

Hình 1.7

:

-pT LG

Trang 21

Trang 22

Hình 1.8 Tính ổn định của hệ điều khiển xung – số

(5)

(8)

(1) (6)

(1) (2)

(3) (4)

(5) (6)

Trang 23

arduino

–card arduino

Trang 24

–

1.3.2 thiết bị trong sơ đồ

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết b

(PWM)

D/A

Encoder

Trang 25

Điện áp đầu vào (input) (kiến nghị ) 7-12V

Điện áp đầu vào(giới hạn) 6-20V

Số chân Digital I/O 14 (có 6 chân điều chế độ rộng xung PWM)

Số chân Analog(Input ) 6

DC Current per I/O Pin 40 mA

DC Current for 3.3 V Pin 50 mA

-5 volt Và nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng bo mạch

Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino Lưu ý: không được cấp nguồn vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino GND: chân mass

- Chip Atmega328: Chip Atmega328 Có 32K bộ nhớ flash trong đó 0.5k sử dụng cho bootloader (ngoài ra còn có 2K SRAM, 1K EEPROM)

Trang 26

- Input và Output (4, 5 và 6)

Arduino Uno có 14 chân digital với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead(), Cũng trên 14 chân digital này chúng ta còn một số chân chức năng đó là:

Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp

+ PWM (pulse width modulation): các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 trên bo mạch có dấu là các chân PWM chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc

- Reset (7):Dùng để reset Arduino

Trang 27

-

20000:1

1 +

Trang 28

Hình 1.13 Đồ thị dòng áp của hệ truyền động đảo chiều dùng bộ biến đổi

PWM dạng H kiểu Diốt

1.3.2.4 Encoder

Encoder (bộ mã hoá vòng quay) gồm một bộ thu phát hồng ngoại và một đĩa chia lỗ được đặt giữa hệ thống thu phát này Đĩa được gắn trên trục của động cơ hoặc trục chuyển động Quá trình đĩa chuyển động làm cho phần photo sensor thay đổi trạng thái và tạo ra một chuỗi các xung vuông trên đầu

ra Đây là thông số kĩ thuật quan trọng của một encoder Tuỳ theo số lỗ trên đĩa mà số xung tạo ra trong một vòng quay của đĩa khác nhau Số lượng xung càng lớn nghĩa là số lỗ càng nhiều trên một vòng tròn 3600 Nghĩa là ta càng

có thể điều khiển chính xác Chúng ta có thể thấy có nhiều loại encoder dùng

từ trường hoặc trên đĩa có nhiều vòng lỗ nhưng loại thông dụng và đơn giản nhất là sử dụng ánh sáng như trên Trong thực tế chúng ta có thể thấy các bộ encoder trên các động cơ DC chứ không chỉ là các thành phần độc lập Việc lựa chọn và sử dụng hai loại encoder này đều có những ưu và nhược điểm riêng

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm 2 loại là encoder tuyệt đối và encoder tương đối

Trang 29

b

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn LED để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh) đèn LED không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh) đèn LED sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn LED có chiếu qua lỗ hay không

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn LED, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng

c Encoder tuyệt đối

Vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây, chính là

vấn đề về độ mịn của encoder, có nghĩa là làm thế

nào biết đĩa đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng

hay 1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay

Tương tự như vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/2n vòng

Vậy làm thế nào để xác định 2n trạng thái này của đĩa encoder?

Ở đây, ví dụ với đĩa encoder có 2 vòng đĩa Ta sẽ thấy rằng, ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau Như vậy, chúng ta cần 2 đèn LED để phát xuyên qua 2 vòng

lỗ, và 2 đèn thu

Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (trong cùng), đèn đọc đang nằm ở vị trí có lỗ

hở, thì tín hiệu nhận được từ con mắt thu sẽ là 1 Và ở vòng lỗ thứ hai, thì chúng ta đang ở vị trí không có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị 0

Trang 30

Như vậy, với số 10, chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc

phần tư nào, cũng có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa

quay đến 1/4 vòng Trong ví dụ trên, nếu đèn LED đọc được 10, thì vị trí của

LED phải nằm trong góc phần tư thứ hai, phía trên, bên trái

Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta sẽ quản lý

được đến 1/(210) tức là đến 1/1024 vòng Hay người ta nói là độ phân giải của

encoder là 1024 xung trên vòng (pulse per revolution - ppr)

Luôn chú ý rằng, để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho

bit thứ N (đối với encoder có N vòng lỗ) nằm ở trong cùng, có nghĩa là lỗ lớn

nhất có góc rộng 180 độ, nằm trong cùng Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit (nếu

xem là số nhị phân) sẽ thay đổi liên tục mỗi 1/2N vòng quay, vì thế, chúng ta

cần rất nhiều lỗ Nếu đặt ở trong thì không thể nào vẽ được, vì ở trong bán

kính nhỏ hơn Ngoài ra, nếu đặt ở trong, thì về kết cấu cơ khí, nó quá gần trục,

và quá nhiều lỗ, sẽ rất yếu

Vì hai điểm này, nên bit 0 luôn đặt ở ngoài cùng, và bit 1 luôn đặt trong

cùng

d Encoder tương đối

Nhận thấy một điều rằng, encoder tuyệt đối rất có lợi cho những trường

hợp khi góc quay là nhỏ, và động cơ không

quay nhiều vòng Khi đó, việc xử lý encoder

tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng hơn,

vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay

được vị trí góc của trục quay

1.15 Encoder tương đối

Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng, điều này không có lợi, bởi vì

khi đó, chúng ta phải xử lý để đếm số vòng quay của trục

Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt đối, chúng ta cần quá nhiều vòng

lỗ, và dẫn tới giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia công chính

xác các lỗ quá nhỏ là không thể thực hiện được Chưa kể rằng việc thiết kế

một dãy đèn LED và con mắt thu cũng ảnh hưởng rất lớn đến kích thước giới

hạn này

Tuy nhiên, điều này được khắc phục bằng encoder tương đối một cách

khá đơn giản Chính vì vậy, ngày nay, đa số người ta sử dụng encoder tương

đối trong những ứng dụng hiện đại Cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì encoder

Trang 31

sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm

Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết một vòng?

Nếu cứ đếm vô hạn như thế này, thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết một vòng Chưa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà

ta không quản lý được, encoder sẽ bị sai một xung Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder

Như vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng encoder đi ngang qua lỗ định vị này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu đó Nếu

vì một rung động nào đó, mà chúng ta không thấy encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung, và việc đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder

Tuy nhiên, một vấn đề lớn nữa là, làm sao chúng ta biết encoder đang xoay theo chiều nào? Bởi vì cho dù xoay theo chiều nào, thì tín hiệu encoder cũng chỉ là các xung đơn lẻ và xoay theo hai chiều đều giống nhau Chính vì vậy, người ta đặt thêm một vòng lỗ ở giữa vòng lỗ thứ 1 và lỗ định vị

Chú ý rằng, vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau Các cạnh của lỗ vòng 2 nằm ngay giữa các lỗ vòng 1 và ngược lại

Tuy nhiên, ta sẽ thấy một điều rằng, thay vì làm 2 vòng encoder, và dùng 2 đèn LED đặt thẳng hàng, thì người ta chỉ cần làm 1 vòng lỗ, và đặt hai đèn LED lệch nhau

Hình ảnh trên thị trường hiện nay

1.16 một số loại encoder thông dụng

- Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều chủng loại encoder của nhiều hãng trên thế giới sản xuất, trong đó có cả encoder do Việt Nam sản xuất, độ phân giải từ 1 - 10.000 xung/vòng Hoặc có thể đặt hàng những loại encoder

Trang 32

có số xung không tiêu chuẩn

- Việc sử dụng encoder để kiểm tra và đo góc quay của đối tượng điều khiển cho kết quả có độ chính xác cao Tuy nhiên, độ chính xác còn phụ thuộc vào

số xung của encoder, encoder có số xung càng lớn thì cho kết quả càng chính xác, song giá thành sẽ càng cao

Bên cạnh đó, để đo góc quay với độ chính xác cao có thể dùng encoder

đo gián tiếp bằng cách thêm bộ truyền cơ khí

–

* Khái niệm: Ngày nay trong hệ thống truyền động thường sử dụng nhiều

truyền động dạng số, để xử lý phối ghép giữa các tín hiệu tương tự và số, người ta sử dụng mạch chuyển đổi tương tự-số được ký hiệu: A/D Quá trình biến đổi một tín hiệu từ tương tự sang số được thể hiện bởi đặc tính truyền

đạt như hình 1.17

Hình 1.17 Đặc tính truyền đạt A/D

Tín hiệu tương tự UA được chuyển thành tín hiệu bậc thang đều

Nguyên lý làm việc của khối A/D được minh họa bởi sơ đồ khối như hình 1.18

Hình 1.18 Sơ đồ khối A/D

Trước tiên tín hiệu tương tự được đưa đến một mạch lấy mẫu, mạch này có 2 nhiệm vụ:

Mạch lấy Mẫu A/D

Trang 33

+ Lấy mẫu (sampling) là quá trình chuyển đổi tín hiệu từ liên tục (tương tự) các thời điểm khác nhau và cách đều nhau Sau lấy mẫu, tín hiệu liên tục trở thành dãy các giá trị rời rạc và có thể lưu trữ trong bộ nhớ máy tính để xử lý

+ Giữ cho biên độ điện áp tại thời điểm lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử hóa để thực hiện làm tròn với độ chính xác ±Q/2

Mạch lượng tử hóa làm nhiệm vụ rời rạc hóa các tín hiệu tương tự về mặt biên độ Như vậy nhờ quá trình lượng tử hóa một tín hiệu tương tự bất kỳ được biểu diễn bởi một sô nguyên lần mức lượng tử nghĩa là:

XAi : Là tín hiệu tương tự ở thời điểm thứ I;

ZDi : Là tín hiệu số ở thời điểm I;

Trang 34

* Các tham số cơ bản của bộ biến đổi:

+ Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào

Hình 1.19 Đồ thị biến đổi điện áp tín hiệu tương tự đầu vào

Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào là khoảng điện áp

mà bộ biến đổi A/D có thể thực hiện chuyển đổi được; khoảng điện áp có thể lấy trị số từ 0 đến một gái trị dương (hoặc âm) nào đó hoặc cũng có thể là điện áp 2 cực tính –UAM đến +UAM, thể hiện hình 1.21

+ Độ chính xác của bộ chuyển đổi

Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D là bộ phân biệt Đầu ra của bộ A/D là các giá trị được sắp xếp theo một quy luật, loại mã nào đó Số các số hạng cuả một mã số ở đầu ra ( số bít trong

mã nhị phân) tương ứng với dải biến đổi của điện áp và cho biết mức chính xác của phép biến đổi

Liên quan đến độ chính xác của A/D còn có các tham số khác được minh họa trên hình vẽ đường đặc tính truyền đạt lý tưởng của A/D là một đường bậc thang đều có độ dốc trung bình bằng 1

Trang 35

Đường đặc tuyến thực ra có sai số lệch không, nghĩ là nó không bắt đầu ứng với giá trị của một mức lượng tử (1LSB) Nó là hình bậc thang không đều do ảnh hưởng của sai số đơn điệu

Cuối cùng sai số đơn điệu thực chất cũng do phi tuyến của đường đặc tuyến biến đổi gây ra, đây chỉ là trường hợp đặc biệt làm cho độ dốc của đường trung bình thay đổi không đơn điệu, thậm trí dẫn đến mất một vài mã

số

Như vậy đặc trưng của tính xác A/D có nhiều tham số: số bit, sai số, khuếch đại, sai số lệch không và sai số đơn điệu; nếu A/D làm việc lý tưởng vẫn tồn tại sai số đó là sai số lượng tử hóa còn được gọi là sai số lý tưởng

∆UQV = 1/2Q Sai số thực của A/D gồm có sai số lý tưởng và sai số còn lại không vượt quá sai số lý tưởng sao cho A/D được thiết kế với độ chính xác là (N+1)bit thì đạt được độ chính xác thực là N bit

+ Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong 1 giây, được gọi là tần số chuyển đổi fc, cũng có thể dung tham số thời gian chuyển đổi Tc

để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi Tc là thời gian cần thiết cho một kết quả

chuyển đổi

–

Tín hiệu số được xử lý từ máy tính hoặc từ hệ vi điều khiển cần phải chuyển sang tín hiệu tương tự để điều khiển khâu chấp hành Vì vậy cần có bộ biến đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự gọi tắt là D/A Mô hình bộ chuyển đổi D/A như hình 1.20

Hình 1.20 Sơ đồ khối quá trình biến đổi từ số về tương tự

Chuyển đổi số-tương tự không phải phép nghịch đảo của chuyển đổi tương tự - số, vì thế không thể thực hiện được phép nghịch đảo của quá trình

D/A UM LT

Trang 36

lượng tử hóa Quá trình chuyển số-tương tự đơn giản hơn quá trình chuyển đổi tương tự - số, nên chuyển đổi D/A được ứng dụng rộng rãi

Để lấy được tín hiệu tương tự từ tín hiệu số, theo sơ đồ nguyên tắc chuyển đổi tương tự - số-tương tự là tìm lại tín hiệu đã lấy mẫu được Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian nó được biều diễn như đồ thị hình 1.21 sau:

Hình 1.21 Đồ thị biến đổi D/A

Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp lý tưởng, trên đầu ra của

bộ lọc có

tín hiệu UA biến đổi liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của UM Ở đây

bộ lọc thông thấp đóng vai trò như nội suy

IO toolbox

t

0

UA

Trang 37

CHƯƠNG 2

Từ bộ điều khiển kinh điển PID có đặc tính mềm dẻo, được sử dụng rất phổ biến và đem lại hiệu quả cao trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động hiện nay Trong vi điều khiển hay máy vi tính cũng có các bộ PID số và cách thiết lập bộ PID số như sau:

2.1.1.1 Thuật toán điều khiển tỷ lệ

y kT

KP

Trang 38

Hình 2.1 Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển I

( 1)

2

I I

2.1.1.3 Thuật toán điều khiển vi phân D

Hình 2.2 Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển D

X

t

kT (k-1)T

X[(k-1)T]

X(kT)

Trang 39

2.1.1.4 Thuật toán điều khiển PID

Thuật toán điều khiển PID tương tự gồm có bộ điều khiển P, bộ điều khiển I và cộ điều khiển D mắc song song với nhau như hình 2.3 dưới đây:

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID tương tự

Trong miền tần số toán tử z, hàm truyền PID có dạng:

T A

2

D

K T A

Ta có:

2

( 1)( )

Trang 40

Từ đồ thị đường đặc tính ta nhận thấy rằng đặc tính làm việc của bộ biến đổi PID rất linh hoạt, mềm dẻo

Bộ điều khiển có ba tham số Km , Ti và Td

+ Khi ta cho Ti = ∞, Td = 0 thì bộ điều khiển làm việc theo luật tỷ lệ

+ Khi Ti = ∞ bộ điều khiển làm việc theo tỷ lệ - vi phân

+ Khi Td = 0 bộ điều khiển làm việc theo tỷ lệ - tích phân

Tín hiệu ra của bộ điều khiển lệch pha so với tín hiệu vào một góc α

Đây là các đặc tính mềm dẻo của bộ điều khiển PID

Nếu ta chọn được bộ tham số phù hợp cho bộ PID thì hệ thống cho ta đặc tính như mong muốn, đáp ứng được các yêu cầu của các hệ thống trong công nghiệp

Hình 2.4 Đồ thị đặc tính của bộ khâu điều khiển PID

Việc xác định các tham số Km, Ti, Td có thể dựa trên thực nghiệm hoặc

lý thuyết

Bộ PID số cũng có các bộ điều khiển P, I, D, PI, PD, PID và luật điều khiển giống như bộ điều khiển PID tương tự, chỉ khác PID số có thể lập trình trên máy tính hoặc vi điều khiển, vi xử lý Sơ đồ cấu trúc cũng có dạng như sau:

A ω

ω 0

K m

h (t)

ω 0

K m

(ω)

ω 0

Km/Ti

artgKm

Ti

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	10,29 MB