Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ một chiều

Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ một chiều

Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Lời Nói Đầu Ngy nay cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của công nghệ thông tin thì các ứng dụng của máy tính vo cuộc sống ngy cng rộng rãi. Với các tính năng mềm dẻo, chính xác, nhanh chóng hệ thống điều khiển số bằng máy tính đã v đang dần chiếm u thế so với các phơng pháp điều khiển phần cứng thông thờng. Đây l một ngnh mới mẻ song lại rất có triển vọng đặc biệt trong các lĩnh vực nh máy chính xác, công nghệ mới, hiện đại nơi đòi hỏi hệ thống điều khiển phải có độ chính xác cao, khả năng thay đổi mềm dẻo. Một trong những ứng dụng cụ thể m đã đợc sử dụng trong thực tế l hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong bi tập di ny, chúng em sẽ trình by phơng pháp phân tích, tổng hợp hệ thống cùng với phần cứng v phần mềm cho hệ thống điều khiển động cơ một chiều. Chúng em xin chân thnh cảm ơn thầy giáo Phạm Công Ngô , ngời đã trực tiếp giảng dạy môn Điều khiển số v tận tình hớng dẫn chúng em hon thnh bi tập ny. Cảm ơn thầy đã cung cấp cho chúng em những kiến thức cần thiết, đầy đủ v có hệ thống của môn học Điều khiển số v Robot công nghiệp. Những kiến thức m thầy đã cung cấp cùng với sự hớng dẫn chi tiết của thầy l cơ sở giúp chúng em hon thnh bi tập di ny. Chúng em xin kính chúc thầy luôn mạnh khoẻ v gặp nhiều niềm vui trong cuộc sống. Chúng em xin chân thnh cảm ơn thầy! Các sinh viên thực hiện đồ án: Môn: Điều Khiển Số. Đề bi: Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Chơng I Giới thiệu về hệ thống điều khiển số động cơ điện một chiều. 1. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số: Ngy nay các hệ thống điều khiển số (Digital Control Systems) đợc sử dụng rất rộng dãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống nhất l các quá trình tự động hoá trong công nghiệp. Hệ điều khiển số thực chất l sử dụng máy tính (computer) kết hợp với mạch ngoại vi để thực hiện các nhiệm vụ điều khiển no đó. Chúng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển các quá trình công nghệ, nơi đòi hỏi phải có độ chính xác rất cao. Việc sử dụng máy tính lm một thiết bị điều khiển ( controller ) đã sớm ra đời trong những năm của thập kỷ 80 v ngy cng phát triển bởi sự hiệu quả v độ tin cậy cao của nó. Nhiệm vụ của máy tính trong hệ thống l nhận sự sai khác giữa tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi ở dạng số v thực hiện việc tính toán để đa ra tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hnh. Quá trình xử lý bên trong máy tính có thể lập trình đợc để đa ra tín hiệu điều khiển phù hợp nhằm lm chất lợng của hệ thống đạt đợc nh mong muốn. Các máy tính còn có thể xử lý với nhiều đầu vo, do đó một hệ thống điều khiển số thờng l một hệ thống đa biến. Quá trình xử lý v điều khiển trong hệ thống hon ton sử dụng tín hiệu số (Digital), vì vậy để giao tiếp với ngoại vi bằng tín hiệu tơng tự (Analog) cần phải có các mạch chuyển đổi từ số sang tơng tự v ngợc lại. Để thực hiện điều đó ta dùng hai bộ biến đổi ADC (Analog to Digital Converter) v DAC (Digital to Analog Converter). Bộ ADC có nhiệm vụ biến tín hiệu tơng tự từ thiết bị ngoại vi, cơ cấu chấp hnh thnh tín hiệu số cung cấp giá trị phản hồi đầu vo cho quá trình tính toán để đa ra thuật toán điều khiển. Bộ DAC có nhiệm vụ ngợc lại l biến tín hiệu điều khiển dạng số sang tín hiệu tơng tự cung cấp cho cơ cấu chấp hnh bên ngoi. Vì vậy sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển số có dạng: Reference Input (digital) Output (analog) (analog) Digital computer (digital) Actuator DAC (analog)(digital) ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Sensors ADC Hình 1: Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển số. Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Trong đó việc xử lý để đa ra tín hiệu điều khiển hon ton bằng những bộ điều khiển mềm m ta có thể lập trình đợc. Đó có thể l bộ điều khiển PID bù nối tiếp hoặc song song hay tổng hợp theo bộ hồi tiếp trạng tháiCác bộ điều khiển đó ta có thể lập trình đợc thông qua ngôn ngữ lập trình nh C ++ hay Pascal. Ngoi ra ta còn có thể thiết kế thông số bộ điều khiển cũng nh kiểm tra sự hoạt động v chất lợng của hệ thống thông qua phần mềm mô phỏng Simulik của Matlab. Từ đó ta có sơ đồ tổng quát của hệ điều khiển số : PC Interface out Power Amplifier Object 2. Các phơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều: Động cơ điện một chiều l các loại động cơ lm việc với điện áp một chiều, đây thờng l những động cơ có công suất vừa v nhỏ nhng lm việc ổn định, chính xác v dễ điều khiển. Với những u điểm trên nên động cơ điện một chiều đợc sử dụng rất rộng dãi trong các hệ truyền động công nghiệp. Để đơn giản ta sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập có sơ đồ nh sau: Hình 2: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điều khiển số. Interface in Amplifier Sensor Soft Control + U - R f E I I kt C kt R kt + U kt - ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hình 3: Sơ đồ tơng đơng của động cơ một chiều. Phơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập: M K RR K U fu u 2 )( + = Trong đó: : Vận tốc góc, rad/s; U u : Điện áp phần ứng, V; K: Hệ số cấu tạo của động cơ; : Từ thông kích từ dới một cực từ, Wb; R u : Điện trở phần ứng, ; Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng, ; M: Mômem động cơ, W; 0 A đm M M đm M nm ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hình 4: Đờng đặc tính cơ của động cơ một chiều. Ta thấy rằng đờng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều l đờng thẳng tuyến tính nên việc điều khiển tốc độ khá dễ dng. Từ phơng trình đặc tính cơ, để điều chỉnh tốc độ của động cơ ta có thể thông qua U u , hay R f . Do đó có ba hơng pháp điều chỉnh cơ bản: a. Thay đổi điện áp phần ứng: Giả thiết từ thông = const, điện trở phần ứng R u = const khi ta thay đổi điện áp phần ứng U u thì ta có: Tốc độ không tải: 0x = U x /(K đm ) = var Độ cứng đặc tính cơ: = -(K đm ) 2 /R u = const. Do vậy khi thay đổi điện áp đặt vo phần ứng động cơ ta sẽ đợc một họ đặc tính cơ song song với nhau: 0 A U 1 < U đm < U 2 đm U đm U 1 TN U 2 M M đm M nm Hình 5: Các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng. Sự phụ thuộc của tốc độ động cơ với điện áp phần ứng theo một hm tuyến tính: = a.U u + b ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- nên qui luật điều khiển cũng l tuyến tính. Phơng pháp ny đợc sử dụng rất nhiều trong thực tế để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều thông qua việc điều khiển góc mở của các thyristor chỉnh lu cung cấp điện áp phần ứng cho động cơ. Ưu điểm của phơng pháp ny l đặc tính điều chỉnh tuyến tính v dễ dng ghép nối với hệ thống điều khiển số tự động. b. Thay đổi điện trở phụ phần ứng: Giả thiết U u = U đm = const, v = const. Khi thay đổi điện trở phụ phần ứng ta có thể thay đổi tốc độ của động cơ. Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm hay cắt bớt điện trở phụ R f vo mạch phần ứng. Ta có: Tốc độ không tải lí tởng: 0x = U đm /(K đm ) = const. Độ cứng của đặc tính cơ: = -(K đm ) 2 /(R u +Rf) = var. Khi R f cng lớn thì cng nhỏ hay đờng đặc tính cơ cng dốc v ngợc lại. Khi R f = 0 ta sẽ có đờng đặc tính cơ tự nhiên. 0 A R f2 > R f2 >0 đm R f = 0 R f2 R f1 TN M M đm M nm Hình 6: Các đờng đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng. Phơng pháp ny thờng đợc sử dụng để khởi động cho động cơ vì khi R f cng lớn thì tốc độ động cơ cng giảm đồng thời dòng điện ngắn mạch v mômen ngắn mạch ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- cũng giảm. Nó cũng đợc dùng để thay đổi tốc độ động cơ khi nhỏ hơn tốc độ không tải lí tởng. Tuy nhiên phơng pháp ny ít đợc sử dụng để thay đổi tốc độ động cơ khi đang lm việc vì nó không thể nâng tốc độ lên trên tốc độ không tải. c. Thay đổi từ thông kích từ: Giả thiết U u = U đm = const, v R u = const. Để thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I kt của động cơ. Khi đó ta có: Tốc độ không tải: 0x = U đm /(K x ) = var. v độ cứng đờng đặc tính cơ: = -(K x ) 2 /R u = var. Ta thu đợc họ đờng đặc tính cơ nh sau: 02 01 0 A 2 > 1 > đm đm đm 2 1 TN M M đm M nm Hình 7: Các đờng đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông kích từ. Phơng pháp điều chỉnh ny rất ít đợc sử dụng trong thực tế vì mối quan hệ giữa tốc độ v từ thông l phi tuyến: ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 = ba Nên rất khó điều chỉnh. Phơng pháp ny chỉ phù hợp với các loại tải có đặc tính máy bơm. 3. Phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ : Nh vậy qua phân tích trên ta thấy rằng phơng pháp điều chỉnh tốc độ thích hợp nhất với động cơ một chiều l thay đổi điện áp phần ứng. Sơ đồ khối của phơng pháp nh sau: Hình 9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ một chiều. - Trong phơng pháp ny, để thay đổi điện áp phần ứng ta sử dụng bộ chỉnh lu hai nửa chu kỳ bán điều khiển thyristor. Chức năng cơ bản của các khối nh sau: PC Giao diện ra Khuếch đại xung Giao diện vo Khuếch đại T 1 D 1 ~ U T 2 D 2 ĐC Kt FT kt ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- + Giao diện ra l mạch có chứa bộ biến đổi DAC giúp máy tính giao tiếp v đa tín hiệu điều khiển ra ngoi. + Bộ khuếch đại ra l bộ phát v khuếch đại xung điều khiển mở hai thyristor. + T 1 , T 2 , D 1 , D 1 l bộ chỉnh lu bán điều khiển hai nửa chu kỳ. + Ft l máy phát tốc có nhiệm vụ biến tín hiệu tốc độ thnh tín hiệu điện áp phản hồi về máy tính. + Giao diện vo l mạch có chứa bộ ADC dùng để biến tín hiệu phản hồi điện áp dạng tơng tự thnh dạng số cung cấp cho quá trình điều khiển bên trong máy tính. - Với phơng pháp ny điện áp phần ứng đặt lên động cơ đợc tính theo công thức: cos 2 0 UU u = Trong đó: U 0 l điện áp nguồn xoay chiều, l góc mở các thyristor T1, T2. CHƯƠNG II Phân tích hệ thống điều khiển số Với mô hình nh trên ta có sơ đồ của hệ thống khi cha có bộ điều khiển mềm: y u u T 1 )( + = pT K pW k k Kd 1 . )( 2 2 21 ++ = pTpTT K pW d dc ZOH Trong đó: + W Kd (p) l hm truyền của khâu khuếch đại, với: K k = 80; T k = 0,02 (s) + W dc (p) l hm truyền của động cơ, với: K d = 6,5; T 1 = 0,2 (s); T 2 = 0,25 (s) + T l chu kỳ trích mẫu của hệ thống khi chuyển liên tục sang số hoặc ngợc lại. Do hệ thống tơng tự có hằng số thời gian nhỏ nhất l T k = 0,02 (s) nên chu kỳ trích mẫu phải nhỏ hơn T k để bảo đảm khả năng phản ứng kịp thời của hệ thống. Dựa vo khả năng hoạt động của máy tính v các bộ chuyển đổi ta chọn chu kỳ trích mẫu l: T = 0,005 (s). ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1. Xác định hm truyền đạt của hệ thống: Hm truyền đạt của hệ thống có dạng: } )( {).1(1 } )( {).1( )( 1 1 p pW Zz p pW Zz pW dt dt k + = Trong đó: )1.25,005,0).(1.02,0( 520 )1 ).(1.( . )().()( 2 2 2 21 +++ = +++ == ppppTpTTpT KK pWpWpW k dk dcKddt l hm truyền của đối tợng gồm khâu khuếch đại v động cơ. Do đó sử dụng công cụ Matlab ta có: Sampling time: 0.005 0.01012 z^2 + 0.03785 z + 0.008824 ------------------------------------- z^3 - 2.754 z^2 + 2.513 z - 0.7596 Transfer function: >>Wdt = tf([80], [0.02 1])*tf([6.5], [0.2*0.25 0.25 1]) Transfer function: 520 ------------------------------------- 0.001 s^3 + 0.055 s^2 + 0.27 s + 1 >> Wdtd=c2d(Wdt, 0.005) Nên: 0,7596 - z 2,513 + z 2,754 - z 0,0088240,037850,01012 } )125,005,0)(102,0.( 520 {} )( { 23 2 2 ++ = +++ = zz pppp Z p pW Z dt Từ đó xác định đợc hm truyền của hệ thống kín: ------------------------------------------------------------------------------------------------------ [...]... cng mở rộng nên hệ thống khi cha có bộ điều khiển l không ổn định Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 - CHƯƠNG III Tổng hợp hệ thống điều khiển số I Tổng hợp hệ thống dùng bộ điều khiển PID: 1 Bộ điều khiển PID: - Hiện nay để tổng hợp một hệ thống điều khiển ta có rất nhiều phơng pháp nh: sử... - Chơng Iv Thiết kế phần cứng v phần mềm cho hệ thống điều khiển I Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển: 1 Phơng án thiết kế: Để thực hiện quá trình trao đổi giữa máy tính với các thiết bị chấp hnh ngoại vi ta cần phải xây dựng một Card ghép nối để truyền v nhận tín hiệu giữa máy tính với ngoại vi đó thông qua một số cổng hay khe cắm mở rộng đợc tích hợp trên Main Dới đây trình by một số phơng... áp một chiều điều khiển tơng ứng cung cấp cho khối khuếch đại xung + Khối khuếch đại xung: khối ny tạo ra các tín hiệu răng ca , đồng pha ;có các khối so sánh, khối khuyếch đại xung Tuỳ vo tín hiệu điều khiển điện áp một chiều đợc đa ra m xung mở Thyristor sẽ đợc thay đổi qua đó thay đổi điện áp một chiều cấp cho động cơ nhờ vậy ta thay đổi đợc tốc độ động cơ + Cơ cấu chấp hnh: l hệ thống gồm một. .. bán điều khiển T1, D1, T2, D2 v một động cơ điện một chiều Động cơ một chiều có thông số: P = 1,6 KW; U = 220V; n = 2000v/phút kt Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 - + Máy phát tốc Ft: có nhiệm vụ biến tín hiệu tốc độ thnh tín hiệu điện áp phản hồi về máy tính cung cấp cho thuật toán điều khiển. .. mạch: + Cổng LPT1: có nhiệm vụ trao đổi tín hiệu giữa máy tính v hệ thống mạch chấp hnh tơng tự nhằm đa tín hiệu ra điều khiển động cơ v cung cấp tín hiệu phản hồi cho quá trình thực hiện thuật toán điều khiển mềm bên trong Máy tính có chức năng thực hiện thuật toán v đa ra tín hiệu điều khiển thông qua chơng trình phần mền Chơng trình điều khiển đợc viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ hay Visual C++ theo... y Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 - đã biết các điểm cực l thông số quyết định đến chất lợng của hệ thống, với một hệ điều khiển số để ổn định thì các điẻm cực phải nằm bên trong vòng tròn đơn vị Nh vậy ta sẽ tìm các thông số của bộ PID để lm cho hệ thống ổn định bằng công cụ Rltool, sau đó chạy thử hệ thống trên Simulink v tiếp... bộ điều khiển PID: Sử dụng phơng pháp tổng hợp bộ điều khiển PID nối tiếp ta có sơ đồ hệ thống: u T PID ZOH (Kp,Ki,Kd) u WKd ( p) = Kk Tk p + 1 Wdc ( p) = Kd T1.T2 p + T2 p + 1 2 - Nhiệm vụ của quá tổng hợp l tìm các thông số: Kp, Ki v Kd của bộ điều khiển PID sao cho hệ thống đạt chất lợng nh mong muốn Nhng đến nay, cha có phơng pháp chuẩn tắc no để tìm một cách chính xác các thông số ny của bộ điều. .. Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 - v(t) l điện áp đồng pha v11 l điện áp điều khiển u14 , u15 l các xung điều khiển Qua sơ đồ ta thấy, giá trị điện áp điều khiển một chiều v11 sẽ qui định thời điểm phát xung mở u14 v u15 Thời điểm phát xung sẽ quyết định giá trị điện áp một chiều - Để đọc dữ liệu về: Quá trình... nhiều Bộ điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) gồm ba thnh phần: thnh phần tỉ lệ, thnh phần tích phân v thnh phần vi phân Mỗi thnh phần có những ảnh hởng nhất định đến chất lợng của hệ thống, v việc lựa chọn một bộ tham số phù hợp cho ba thnh phần đó sẽ đem lại cho hệ thống chất lợng mong muốn Bộ PID có hai loại: PID tơng tự l bộ điều khiển bằng phần cứng v PID số lbộ điều khiển bằng... độ của hệ: Bi tập di Điều Khiển Số Lớp ĐK1-K45 - Hình 16: Đặc tính quá độ của hệ khi đã có hiệu chỉnh Qua đờng đặc tính quá độ ta thấy chất lợng của hệ thống đã tốt hơn rất nhiều so với trớc khi điều chỉnh: + Thời gian quá độ: 1,4 s + Độ quá điều chỉnh: 0,8% Nh vậy thông số của bộ điều khiển