Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Một Chiều

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỀ TÀI1.1.Ý tưởng thiết kế - Thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có các chức năng thực hiện đảo chiều, tăng giảm tốc độ, đo và hiệu chỉnh được giá trị tố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Đặng Văn Mỹ

Sinh viên thực hiện: Hồ Văn Tự – 20122779

Phạm Văn Trí-20122601

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

1.3.Quá trình thực hiện đề tài……… 5

CHƯƠNG II: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Giới thiệu chung……… 6

2.2 Cấu tạo……….6

2.3 Phân loại……… 8

2.4 Nguyên lý hoạt động……….……… 8

2.5 Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều……… 9

2.6 Phương trình đặc tính cơ……… 9

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.1 Phương pháp điều khiển động cơ – xung PWM………12

3.2 Nguyên lý hoạt động của Encoder trên động cơ………13

3.3 Bộ điều khiển ổn định tốc độ - PID 3.3.1 Lý thuyết về bộ điều khiển PID……… 14

3.3.2 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID……….16

3.3.3 Bộ điều khiển PID số……… 17

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 Sơ đồ nguyên lý chung mạch điều khiển……… 19

4.2 Giải quyêt vấn đề điều khiển 4.2.1 Định hướng chương trình……….23 4.2.2 Phác thảo giải thuật

4.2.2.1 Đọc encoder……… 23

4.2.2.2 Điều chế xung PWM……… 24

CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Mô phỏng mạch 5.1.1 Kiểm tra động cơ……… 25

5.1.2 Mô phỏng mạch điều khiển trên phần mềm Proteus……… 26

5.2 Đánh giá……… 26

LỜI CẢM ƠN………27

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 28

Động cơ điện một chiều là loại động cơ được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp Và để động cơ làm việc một cách hiệu quả thì đòi hỏi phải có cách điều khiển tối ưu Xuất phát từ thực tế đó nhóm chúng em dưới sự hướng dẫn của thầy Đặng Văn Mỹ đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU” Do kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm còn chưa nhiều nên trong quá trình tìm hiểu không tránh được sai sót mong thầy (cô) thông cảm Và chúng em cũng mong sự đóng góp, giúp đỡ của thầy

cô trong khoa bộ môn để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

Nhóm sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỀ TÀI

1.1.Ý tưởng thiết kế

- Thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có các chức năng thực hiện đảo chiều, tăng giảm tốc độ, đo và hiệu chỉnh được giá trị tốc độ động cơ theo giá trị đặt

1.2.Kết quả cần đạt được

- Điều khiển được động cơ DC

- Điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp PWM

- Mạch có hệ thống có cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực để đảm bảo chống nhiễu cho bộ điều khiển

- Mạch điều khiển có phần giá trị tốc độ mong muốn ( giá trị đặt )

- Đo được giá trị tốc độ đầu ra để đánh giá chất lượng điều khiển và hiệu chỉnh chính xác với giá trị đặt

- Điều khiển chính xác, tin cậy và ổn định

- Thiết kế đơn giản

1.3.Quá trình thực hiện đề tài

- Tìm hiểu về động cơ điện một chiều công suất <60W,điện áp <= 24VDC và các phương pháp điều chỉnh tốc độ

- Vi điều khiển 89C52, các linh kiện cần thiết

- Thiết kế mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus

- Xây dựng mô hình bộ điều khiển phản hồi PID để đánh giá chất lượng điều khiển tốc độ động cơ từ đó hiệu chỉnh chính xác nó

- Xây dựng mô hình giải thuật và viết chương trình điều khiển để nạp vào vi điều khiển, trực tiếp điều khiển động cơ

Kiểm tra đánh giá chất lượng điều khiển, làm báo cáo

động cơ được sử dụng rộng rãi nhờ kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vận hành bảo dưỡng sửa chữa thấp… Tuy nhiên trong một số lĩnh vực nhất định đòi hỏi về yêu cầu cao về điều hành tốc độ, về khả năng quá tải thì động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc thực hiện được thì phải chi phí các thiết bị đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền Vì vậy động cơ điện một chiều hiện tai vân là loại động cơ không thể thay thế được trong những lĩnh vực nói trên.

Ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các ngành sản xuất như hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao thông Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng ưu việt của nó là:

• Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt

• Khả năng quá tải tốt

Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển động cơ điện một chiều (ĐCĐ1C) đơn giản hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng

Hiện nay trên thế giới, ở các nước phát triển việc dùng động cơ điện thay thế cho các loạiđộng cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến, đó cũng là xu thế chung đối với toàn thế giới Một mặt vì nguồn điện rộng rãi, tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo được nhiều bộ biếnđổi gọn nhẹ, khả năng giới hạn dòng áp cao và tin cậy hơn và dặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường và cho hiệu suất cao

2.2 Cấu tạo

Cấu tạo: Kết cấu chủ yếu của động cơ điện một chiều được chia thành 2 phần chính: phầntĩnh (Stato) và phần động (Roto)

 Phần tĩnh (Stato) : Còn gọi là phần cảm gồm cực từ chính và cực từ phụ, gông từ, nắp máy

và cơ cấu chổi điện

- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồngngoài lõi sắt cực từ

+ Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm được ép lại

và tán chặt

+ Dây quấn kích từ được làm bắng đồng bọc cách điện, được quấn thành từng cuộn, mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện

Hình 2.1: Cấu tạo động cơ một chiều

- Cực từ phụ : được đặt giữa các cực từ chính và được dùng để cải thiện đổi chiều

- Gông từ : làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy

- Cơ cấu chổi than : gồm chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổgóp

- Nắp máy : Nắp máy dùng để bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho các vật bên ngoàirơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ Đồng thời nắp máy để cách ly người sửdụng với bộ phận của máy khi động cơ đang quay, đang có điện Ngoài ra nắp máy còn là giá đỡ

ổ bi của trục động cơ

 Phần quay (Roto)

- Lõi thép phần ứng: Lõi thép roto dùng để dẫn từ thường làm bằng các lá thép kỹ thuật điện(thép kỹ thuật silic) bề mặt phủ sơn cách điện rồi ghép lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gâynên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh, trong máy điện lớn lõi sắt được chia thành những đoạnnhỏ giữa có khe hở gọi là khe thông gió ngang trục, gió thổi qua làm mát trục

- Dây quấn phần ứng : là phần sinh ra sức điện động cảm ứng và có dòng điện chạy qua

- Cổ góp : dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều trong dây quấn phần ứng thành dòng điệnmột chiều đưa ra ngoài

- Và một số các bộ phận khác …

Hình 2.2: Hình dạng thực của động cơ một chiều có gắn encoder

2.3 Phân loại

Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ 1 chiều thành các loại như sau:

+ Động cơ điện DC kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

+ Động cơ điện DC kích từ độc lập: Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điệnphần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên : I = Iư

+ Động cơ điện DC kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích

từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có : I = Iư =It

+ Động cơ điện DC kích thích song song: Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iư +It

+ Động cơ điện DC kích từ hỗn hợp (Gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn mắc nối tiếp với phần ứng,

1 cuộn mắc song song với phần ứng): Ta có: I = Iu +It

Với mỗi loại động cơ trên là tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố

2.4 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý : hoạt động dựa trên nguyên lý “cảm ứng điện từ” Nếu ta nối hai chổi điện với dòng điện một chiều chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ trường của nam châm N-S Dưới tác dụng của từ trường nam châm lên các thanh dẫn có dòng điện sẽ sinh ra lực điện từ có độ lớn:

F=Btb.l.iTrong đó : Btb : là cảm ứng từ trung bình trong khe hở

l : là chiều dài của thanh dẫn

i : là dòng điện chạy trong thanh dẫn.

Chiều của lực xác định theo quy tắc bàn tay trái Lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn ở mỗi vùng cực có chiều không đổi, momen do lực điện từ sinh ra có chiều không đổi làm cho khung dây quay theo một chiều nhất định

Khi quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải, ở động cơ một chiếu sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động

Phương trình cân bằng điện áp :

U = Eư+ Rư.Iư

Trong đó: Rư là điện trở dây quấn phần ứng

U là điện áp hai đầu cực máy

- Tiết kiệm điện năng

- Tuổi thọ lớn

 Nhược điểm:

- Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp

và đắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảodưỡng và sửa chữa thường xuyên Ngoài ra tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ

- Nhược điểm nữa là do mạng điện cung cấp chủ yếu ở dạng xoay chiều nên khi cần cho máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một chiềt đi kèm

Hình 2.3: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau :

Uư = Eư + ( Rư + Rf ).IưTrong đó :

Uư : điện áp phàn ứng (V)

Eư : Suất điện động phần ứng (V)

Rư : Điện trở của mạch phần ứng (Ω)

rct: điện trở tiếp xúc của chổi điệnSức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

Eư = .ω.Ф = K ω

Trong đó:

p : số đôi cực từ chính

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a : số đôi mạch nhánh song song

Ke =

55,9

Mặt khác Mđt của động cơ được xác định: Mđt=k Ф Iư

Hình 2.4: Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Và bỏ qua các tổn thất cơ vâ tổn thất thép thì momen trên trục bằng momen điện từ

Cuối cùng ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập :

ω = - M

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

Khối điều khiển trung tâm (AT 89C52)

Khối hiển thị LCD 16x2

Khối nguồn 5V

3.1 Phương pháp điều khiển động cơ – xung PWM

Động cơ DC dùng nam châm vĩnh cửu ta coi như có từ thông không đổi Quan hệ giữa

tốc độ động cơ và điện áp đặt hai đầu phần ứng tỉ lệ với nhau Do đó ta sử dụng phương pháp

điều khiển điện áp phần ứng để thay đổi tốc độ động cơ DC Cụ thể là sử dụng phương pháp điều

chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation)

Hình 3.1 Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM

Giá trị điện áp trung bình trên tải:

Ut = Umax = Umax * duty cycle(3.1)

 Duty cycle =

Ta thấy điện áp trên tải phụ thuộc vào Duty cycle(%) , do đó ứng với mỗi tần số xung, ta

có thể điều chỉnh Duty cycle để điều chỉnh điện áp.

Đối với VĐK 8052 sử dụng thạch anh 12MHz, ta có timer 16bit, do đó theo lý thuyết, ta

có thể tạo xung vuông trong tần số từ 15 Hz đến 1 MHz

Để tạo xung PWM, ta cần điều khiển thông qua giá trị duty cycle (0 – 100%) Khi lựa

chọn tần số của xung PWM, ta cần lựa chọn sao cho đáp ứng cơ học của động cơ đủ mịn để không có cảm giác bị vấp do điện áp thay đổi

Nguyên lí đo tốc độ động cơ

Khi tia hồng ngoại từ Led phát đi qua 1 rãnh trên đĩa Encoder đến Led thu thì trên kênh A(B) sẽ tạo ra 1 xung vuông, như vậy khi đĩa quay quay được 1 vòng thì trên kênh A (B)sẽ có N xung Gọi tốc độ động cơ là V(vòng/s), số xung Encoder đếm được trong 1s là n, ta có công thứctính tốc độ động cơ:

V=n/N (vòng/s)

3.3 Bộ điều khiển ổn định tốc độ - PID

3.3.1 Lý thuyết về bộ điều khiển PID

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số Hơn 90% các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khảnăng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá

độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh

Luật điều khiển PID được định nghĩa:

Trong đó u là tín hiệu điều khiển và e là sai lệch điều khiển

Tín hiệu điều khiển là tổng của ba thành phần: tỷ lệ, tích phân và vi phân

Hàm truyền của bộ điều khiển PID là:

GPID(s) = = Kp + KI + KD s = Kp(1 + + TD s)

Các tham số của bộ điều khiển là Kp, KI và KD

Thành phần tỷ lệ (P)

u(t) = Kp*e(t)Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn Sai lệch giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần Khi sai lệch e(t) = 0 thì u(t) = 0 Một vấn đề là khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu

u(t) = KI

Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, luôn làm tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì luôn làm giảm tín hiệu điều khiển, bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e(t) = 0 Đây cũng là ưu điểm của thành phần tích phân

Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian để đợi e(t) về

0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn Ngoài ra, thành phần tích phân đôi khi còn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định

Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống

Thành phần vi phân (D)

u(t) = KD

Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sử ổn định của hệ kín Do động học của quátrình, nên sẽ tồn tại một khoảng thời gian trễ làm bộ điều khiển chậm so với sự thay đổi của sai lệch e(t) và đầu ra y(t) của quá trình Thành phần vi phân đóng vai trò dự đoán đầu ra của quá trình và đưa ra phản ứng thích hợp dựa trên chiều hướng và tốc độ thay đổi của sai lệch e(t), làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ

Một ưu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà bình thường không ổn định được với các bộ P hay PI

Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên

3.3.2 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

Do từng thành phần của bộ PID có những ưu nhược điểm khác nhau, và không thể đồng thời đạt được tất cả các chỉ tiêu chất lượng một cách tối ưu, nên cần lựa chọn giữa các yêu cầu chất lượng và mục đích điều khiển Việc lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID cũng phụ thuộc

vào đối tượng điều khiển và các phương pháp xác định thông số Tuy nhiên, kinh nghiệm cũng làmột yếu tố quan trọng trong khâu này.

Có nhiều phương pháp để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID trong đó có phương pháp dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị đặt thay đổi dạng bậc thang (Phương pháp Ziegler-Nichols 1) Đối tượng áp dụng của phương pháp này là các quá trình có đặc tính quán tính hoặc quán tính tích phân với thời gian trễ tương đối nhỏ

Dựa trên hai giá trị xác định được là điểm cắt với trục hoành Ɵ và độ dốc α (Hình 3.3), các tham số của bộ điều khiển được xác định theo bảng 3.1

Hình 3.4: Xác định tham số của đặc tính quá trình

tốt thì các bộ điều khiển như vậy chưa đáp ứng được yêu cầu Cùng với sự phát triển của các ứngdụng nhúng hay trên nền vi xử lý, thì điều khiển số cũng là một lĩnh vực quan trọng Các bộ điềukhiển được số hóa để có thể thực thi với tốc độ cao và chính xác hơn Đồng thời việc xây dựng các bộ điều khiển trên nền máy tính số hay vi điều khiển cũng đơn giản hơn nhiều.

Dưới đây ta trình bày về việc xấp xỉ bộ PID trên miền thời gian sang dạng PID số Việc lựa chọn tham số cho bộ PID số cũng tương tự như trên miền thời gian Ngoài ra ta cần quan tâmđến một tham số quan trọng là chu kì lấy mẫu của vi điều khiển