Xây dựng bộ điều chỉnh PID và PI dùng cho điều khiển truyền động điện công suất đến 3kw

Xây dựng bộ điều chỉnh PID và PI dùng cho điều khiển truyền động điện công suất đến 3kw

LỜI NĨI ĐẦU Trong ngành cơng nghiệp sản xuất đời sống, công tác điều khiển vận hành hiệu thiết bị nhằm tăng khả sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất Điều khiển hệ truyền động điện lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng thiết bị, khí cụ, sơ đồ điều khiển để phục vụ nhu cầu thay đổi đại lượng truyền động mô men, tốc độ, nhiệt độ, áp suất…tùy theo yêu cầu đối tượng sản xuất Việc điều khiển thay đổi cho phù hợp yêu cầu trình, cần đỏi hỏi điều chỉnh đời phục vụ cho nhu cầu thay đổi nhanh xác Từ điều khiển áp dụng lý thuyết điều khiển kinh điển đại đời đáp ứng trình đối tượng khác Sau năm học tập nghiên cứu, sinh viên giao đề tài tốt nghiệp “Xây dựng điều chỉnh PID PI dùng cho điều khiển truyền động điện công suất đến 3kw” Nội dung đồ án chia làm chương: - Chương 1: Khuếch đại thuật toán - Chương 2: Bộ điều khiển luật điều khiển - Chương 3: Thiết kế lắp ráp điều chỉnh PID PI dùng cho động điện chiều Trong suốt trình thực đề tài sinh viên xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn người trực tiếp hưỡng dẫn tạo điều kiện cho sinh viên thực hoàn thành đồ án Sinh viên xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Điện tự động công nghiệp giúp đỡ cho sinh viên hồn thành đề tài Hải phịng, ngày 12 tháng năm 2010 Sinh viên CHƢƠNG 1: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN Mạch khuếch đại thuật tốn, cịn gọi Opamp (Operational Amplifier) thuộc khuếch đại dòng chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai đầu chung Tên gọi có quan hệ tới việc ứng dụng chúng chủ yếu để thực phép tính cộng, trừ, tích phân v.v… Hiện khuếch đại thuật tốn đóng vai trị quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin xung, ổn áp lọc tích cực v.v… Uvd Ur Uvk + Hình 1.1: Kí hiệu khuếch đại thuật tốn sơ đồ điện Khuếch đại thuật tốn (Hình 1.1), với đầu vào Uvk hay (Uv+) gọi đầu vào không đảo đầu thứ hai Uvđ (hay Uv-) gọi đầu vào đảo Khi có tín hiệu vào đầu khơng đảo số tín hiệu dấu (cùng pha) với gia số tín hiệu vào Nếu tín hiệu đưa vào đầu đảo gia số tín hiệu ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường dùng để thực hồi tiếp âm bên ngồi cho khuếch đại thuật tốn R1 R4 R2 T5 Uvk -Ec1 R8 T1 T6 R9 T1 T2 T9 R5 Uvd Ur R6 T3 R3 R11 T8 R10 T4 R12 R1 +Ec2 Hình 1.2: Sơ đồ ngun lí mạch khuếch đại thuật tốn ba tầng Cấu tạo sở khuếch đại thuật toán tầng vi sai dùng làm tầng vào tầng khuếch đại Tầng khuếch đại thuật toán thường tầng lặp emito (CC) đảm bảo khả tải yêu cầu sơ đồ Vì hệ số khuếch đại tầng emito gần 1, nên hệ số khuếch đại đạt nhờ tầng vào tầng khuếch đại bổ sung mắc tầng vi sai tầng emito Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại khuếch đại thuật toán mà định số lượng tầng Trong khuếch đại thuật toán hai tầng (thế hệ mới) gồm tầng vi sai vào tầng bổ sung, cịn khuếch đại thuật tốn ba tầng (thế hệ cũ) gồm tầng vi sai vào hai tầng bổ sung Ngoài khuếch đại thuật tốn cịn có tầng phụ, tầng dịch mức điện áp chiều, tầng tạo nguồn ổn dịng, mạch hồi tiếp Sơ đồ ngun lí khuếch đại thuật tốn ba tầng (Hình1.2), cung cấp từ hai nguồn Ec1 Ec2 khơng nhau có điểm chung Tần khuếch đại vào dùng T1 T2 tầng hai dùng T5 T6 mắc theo sơ đồ vi sai Tầng thứ ba gồm T7 T8 Đầu ghép với đầu vào T9 mắc theo tầng CC Điều khiển T7 theo mạch bazo tín hiệu tầng hai, điều khiển T8 theo mạch emito điện áp điện trở R12 dòng emito T9 chạy qua T8 tham gia vào vịng hồi tiếp dương làm tăng, làm giảm (tùy thuộc vào tín hiệu T6) điện áp vào tầng CC Tăng điện áp bazo T9 giảm điện trở chiều T7 giảm điện trở T8 ngược lại Tranzito T3 đóng vai trị nguồn ổn dòng, tranzito T4 mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn, ổn định nhiệt cho T3 Khi điện áp vào OA Uk = Uvđ = điện áp đầu OA Ur = Dưới tác dụng tín hiệu vào có dạng nửa sóng (+), điện áp colecto T6 tăng, làm dòng IB IE T7 tăng Điều dẫn đến làm tăng dòng IB IE T9 Điện áp R12 tăng làm giảm dòng I B IC T8 Kết đầu OA có điện áp cực dương Ur > Nếu tín hiệu vào ứng với nửa sóng (-) đầu OA có điện áp cực tính âm Ur < Ur +Ec đầu vào đảo đầu vào không đảo Ur max -Ec Hỡnh 1.3: c tuyn truyn đạt khuếch đại thuật toán Đặc tuyến quan trọng OA đặc tuyến truyền đặt điện áp (Hình1.3), gồm hai đường cong tương ứng với đầu vào đảo không đảo Mỗi đường cong gồm đoạn nằm ngang đoạn dốc Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzito tầng (tầng CC) khơng bão hịa cắt dịng Trên đoạn thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp khuếch đại không đổi xác định giá U +rmax, U-rmax gọi giá trị điện áp cực đại, (điện áp bão hòa) gần Ec nguồn cung cấp (trong IC thuật tốn mức điện áp bão hịa thường thấp giá trị nguồn EC từ đến 3V gía trị) Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ điện áp với điện áp vào, với góc nghiệm xác định hệ số khuếch đại OA (khi khơng có hồi tiếp ngồi) K = ∆Un/∆Uv Trị số K, tùy thuộc vào loại OA, từ vài trăm đến hàng trăm nghìn lần lớn Giá trị K lớn cho phép thực hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất quan trọng OA Đường cong lí tưởng (Hình1.4) qua gốc tọa độ Trạng thái Ur = Uv = gọi trạng thái cân OA Tuy nhiên, OA thực tế thường khó đạt cân hoàn toàn, nghĩa Uv = Ur lớn nhỏ không Nguyên nhân cân tản mạn tham số linh kiện khuếch đại vi sai (đặc biệt tranzito) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tham số OA gây nên độ trôi thiên áp đầu vào điện áp đầu theo nhiệt độ Vì để cân ban đầu cho OA người ta đưa vào đầu vào điện áp phụ thích hợp điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp mạch vào Ku Ku Ku/2 -20 dB/decac a, Jo fo fc f f* 180 f 300 b, 360 420 500 Hình 1.4: Đặc tuyến biên độ đặc tuyến pha KTO Điện trở tham số quan trọng OA OA phải có điện trở nhỏ (hàng chục hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp lớn điện trở tải nhỏ, điều đạt mạch lặp emito đầu OA Tham số tần số OA xác định theo đặc tuyến biên độ tần số (Hình1.4.a) bị giảm miền tần số cao, tần số cắt fc với độ dốc (-20dB) khoảng mười (1 đề các) trục tần số Nguyên nhân phụ thuộc tham số tranzito điện dung kí sinh sơ đồ OA vào tần số Tần số f ứng với hệ số khuếch đại OA gọi tần số khuếch đại đơn vị Tần số biên fc ứng với hệ số khuếch đại OA bị giảm lần , gọi dải thơng khơng có mạch hồi tiếp âm, fc thường thấp cỡ vài chục Hz Khi dùng OA khuếch đại tín hiệu, thường sử dụng hồi tiếp âm đầu vào đảo Vì có dịch pha tín hiệu vào tần cao nên đặc tuyến pha tần số OA theo đầu vào đảo cịn có thêm góc lệch pha phụ trở nên lớn 180 o (Hình1.4b).Ở tần số cao f đó, tổng góc dịch pha 360 o xuất hồi tiếp dương theo đầu vào đảo tần số làm mạch bị ổn định tần số Để khắc phục tượng trên, người ta mắc thêm mạch hiệu chỉnh pha RC để chuyển tần số f khỏi dải thông khuếch đại Tham số mạch RC vị trí mắc chúng sơ đồ IC để khử tự kích người sản xuất dẫn 1.2 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN - Độ lợi điện áp lớn ( lý tưởng Av = ∞ ) - Tổng trở vào lớn ( lý tưởng Zin = ∞ ) - Tổng trở bé ( lý tưởng Zout = ) - Nguồng cung cấp: khuếch đại thuật toán thường dùng nguồn đôi (nguồn đối xứng), việc sử dụng nguồn đôi làm tăng việc sử dụng khai thác hết hiệu suất vi mạch, nguồn đôi thường dùng khoảng Vcc = (± ÷ ± 18) V 1.3 CÁC DẠNG MẠCH CƠ BẢN CỦA OP – AMP 1.3.1 Mạch so sánh Hình 1.5: Mạch so sánh - Nếu Vin+ > Vin- : Thì Vout ≈ + Vcc, gọi vùng bão hòa dương - Nếu Vin+ < Vin- : Thì Vout ≈ - Vcc, gọi vùng bão hịa âm Hình 1.6: Đặc tuyến truyền đạt Opamp 1.3.2 Mạch khuếch đại đảo I Uv Uv R ht ht Io - R1 Ur Uo + Hình 1.7: Sơ đồ khuếch đại đảo Bộ khuếch đại đảo cho hình (Hình 1.7), có thực hồi tiếp âm song song điện áp qua Rht Đầu vào không đảo nối với điểm chung sơ đồ (nối đất) Tín hiệu vào qua R1 đặt vào đầu đảo OA Nếu coi OA lí tưởng điện trở vào vơ lớn R v → ∞, dịng vào OA vơ bé Io = 0, nút N có phương trình nút dịng điện: Iv ≈ Iht Từ ta có: - - (1-1) Khi K → ∞, điện áp đầu vào Uo = Ur/K → 0, (1-1) có dạng : Uv/R1 = -Ur/Rht Do hệ số khuếch đại điện áp Kd khuếch đại đảo có hồi tiếp âm song song xác định tham số phần tử thụ động sơ đồ Kđ = Ur/Uv = -Rht/R1 Nếu chọn Rht = R1, Kđ = -1, sơ đồ (Hình 1.7) có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu) Nếu R1 = từ phương trình Iv ≈ Iht ta có Iv = -Ura/Rht hay Ura = -Iv.Rht tức điện áp tỉ lệ với dòng điện vào (bộ biến đổi dịng thành áp) Vì Uo → nên Rv = R1, K → ∞ Rr = 1.3.3 Mạch khuếch đại khơng đảo Rht Uo - Uv Ur R1 + Hình 1.8a: Sơ đồ khuếch đại khơng đảo Ur=Uv Uv + Hình 1.8b: Sơ đồ lặp điện áp Bộ khuếch đại không đảo (Hình 1.8a) gồm có mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo, cịn tín hiệu đặt tới đầu vào khơng đảo OA Vì điện áp đầu vào OA (Uo = 0) nên quan hệ Uv Ur xác định bởi: Uv = Ur Hệ số khuếch đại khơng đảo có dạng: Kk = Ura/Uvao= =1+ Lưu ý đến vị trí lối vào lối tức thay Ura Uvào ngược lại sơ đồ (H 1.9a), ta có suy giảm điện áp : Ura = R1 Khi Rht = R1 = ∞ ta có sơ đồ lặp lại điện áp (Hình 1.8b) với Kk=1 Điện trở vào khuếch đại không đảo điện trở vào OA theo đầu đảo lớn, điện trở Rr → 10 ... 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN Khi tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển tự động nói chung, cơng việc ta phải xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng Công việc cung cấp cho ta hiểu biết... phụ thuộc vào nhiệt độ tham số OA gây nên độ trôi thiên áp đầu vào điện áp đầu theo nhiệt độ Vì để cân ban đầu cho OA người ta đưa vào đầu vào điện áp phụ thích hợp điện trở để điều chỉnh dòng... thành công việc tổng hợp điều khiển Một công việc quan trọng không giúp ta giải tốt toán chọn luật điều khiển cho hệ thống Từ mơ hình u cầu kỹ thuật, ta phải chọn luật điều khiển thích hợp cho