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

Header Page of 126 B GIO DC V O TO TRNG Lun Xõy dng b iu chnh PID v PI dựng cho iu khin truyn ng in cụng sut n 3kw Footer Page of 126 Header Page of 126 LI NểI U Trong cỏc ngnh cụng nghip sn xut v i sng, cụng tỏc iu khin hnh hiu qu cỏc thit b nhm tng kh nng sn xut, tng cht lng, ng thi tit kim c chi phớ sn xut iu khin h truyn ng in l mt lnh vc nghiờn cu ng dng cỏc thit b, khớ c, cng nh s iu khin phc v cỏc nhu cu thay i cỏc i lng ca truyn ng nh mụ men, tc , nhit , ỏp suttựy theo mi yờu cu ca i tng sn xut Vic iu khin cỏc thay i ú cho phự hp yờu cu ca quỏ trỡnh, cn i hi cỏc b iu chnh i phc v cho nhu cu thay i nhanh v chớnh xỏc T ú cỏc b iu khin ỏp dng nhng lý thuyt iu khin kinh in v hin i i ỏp ng cỏc quỏ trỡnh i tng khỏc Sau nm hc v nghiờn cu, sinh viờn c giao ti tt nghip Xõy dng b iu chnh PID v PI dựng cho iu khin truyn ng in cụng sut n 3kw Ni dung ỏn c chia lm chng: - Chng 1: Khuch i thut toỏn - Chng 2: B iu khin v cỏc lut iu khin - Chng 3: Thit k v lp rỏp b iu chnh PID v PI dựng cho ng c in mt chiu Trong sut quỏ trỡnh thc hin ti sinh viờn xin chõn thnh cm n GS.TSKH Thõn Ngc Hon l ngi trc tip hng dn v to mi iu kin cho sinh viờn thc hin v hon thnh ỏn Sinh viờn xin chõn thnh cm n cỏc thy cụ giỏo b mụn in t ng cụng nghip ó giỳp cho sinh viờn hon thnh ti Hi phũng, ngy 12 thỏng nm 2010 Sinh viờn Footer Page of 126 Header Page of 126 CHNG 1: KHUCH I THUT TON 1.1 TNG QUAN V MCH KHUCH I THUT TON Mch khuch i thut toỏn, cũn gi l Opamp (Operational Amplifier) thuc v b khuch i dũng mt chiu cú h s khuch i ln, cú hai u vo vi sai v mt u chung Tờn gi ny cú quan h ti vic ng dng u tiờn ca chỳng ch yu thc hin cỏc phộp tớnh cng, tr, tớch phõn v.v Hin cỏc b khuch i thut toỏn úng vai trũ quan trng v c ng dng rng rói k thut khuch i, to tớn hiu hỡnh sin v xung, b n ỏp v b lc tớch cc v.v Uvd Ur Uvk + Hỡnh 1.1: Kớ hiu khuch i thut toỏn s in Khuch i thut toỏn (Hỡnh 1.1), vi u vo Uvk hay (Uv+) gi l u vo khụng o v u th hai Uv (hay Uv-) gi l u vo o Khi cú tớn hiu vo u khụng o thỡ s tớn hiu cựng du (cựng pha) vi gia s tớn hiu vo Nu tớn hiu c a vo u o thỡ gia s tớn hiu ngc du (ngc pha) so vi gia s tớn hiu vo u vo o thng c dựng thc hin hi tip õm bờn ngoi cho khuch i thut toỏn Footer Page of 126 Header Page of 126 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 Hỡnh 1.2: S nguyờn lớ mch khuch i thut toỏn ba tng Cu to c s ca khuch i thut toỏn l cỏc tng vi sai dựng lm tng vo v tng gia ca b khuch i Tng khuch i thut toỏn thng l tng lp emito (CC) m bo kh nng ti yờu cu ca cỏc s Vỡ h s khuch i ca tng emito gn bng 1, nờn h s khuch i t c nh tng vo v cỏc tng khuch i b sung mc gia tng vi sai v tng emito Tựy thuc vo h s khuch i ca khuch i thut toỏn m quyt nh s lng tng gia Trong khuch i thut toỏn hai tng (th h mi) thỡ gm mt tng vi sai vo v mt tng b sung, cũn khuch i thut toỏn ba tng (th h c) thỡ gm mt tng vi sai vo v hai tng b sung Ngoi khuch i thut toỏn cũn cú cỏc tng ph, nh tng dch mc in ỏp mt chiu, tng to ngun n dũng, mch hi tip S nguyờn lớ ca khuch i thut toỏn ba tng (Hỡnh1.2), c cung cp t hai ngun Ec1 v Ec2 cú th khụng bng hoc bng v cú im chung Tn khuch i vo dựng T1 v T2 v tng hai dựng T5 v T6 mc theo s vi sai Tng th ba gm T7 v T8 u ca nú ghộp vi u vo T9 mc theo tng CC iu khin T7 theo mch bazo bng tớn hiu tng hai, iu khin T8 theo mch emito bng in ỏp trờn in tr R12 Footer Page of 126 Header Page of 126 dũng emito T9 chy qua nú T8 tham gia vo vũng hi tip dng l lm tng, hoc l lm gim (tựy thuc vo tớn hiu T6) in ỏp vo tng CC Tng in ỏp trờn bazo T9 l s gim in tr mt chiu ca T7 cng nh s gim in tr ca T8 v ngc li Tranzito T3 úng vai trũ ngun n dũng, cũn tranzito T4 c mc thnh it to in ỏp chun, n nh nhit cho T3 Khi in ỏp vo OA Uk = Uv = thỡ in ỏp u ca OA Ur = Di tỏc dng ca tớn hiu vo cú dng na súng (+), in ỏp trờn colecto ca T6 tng, s lm dũng IB v IE ca T7 u tng iu ny dn n lm tng dũng IB v IE ca T9 in ỏp trờn R12 tng s lm gim dũng I B v IC ca T8 Kt qu l u OA cú in ỏp cc dng Ur > Nu tớn hiu vo ng vi na súng (-) thỡ u OA cú in ỏp cc tớnh õm Ur < Ur +Ec đầu vào đảo đầu vào không đảo Ur max -Ec Hỡnh 1.3: c tuyn truyn t ca b khuch i thut toỏn c tuyn quan trng nht ca OA l c tuyn truyn t in ỏp (Hỡnh1.3), gm hai ng cong tng ng vi cỏc u vo o v khụng o Mi ng cong gm mt on nm ngang v mt on dc on nm Footer Page of 126 Header Page of 126 ngang tng ng vi ch tranzito tng (tng CC) khụng bóo hũa hoc ct dũng Trờn nhng on ú thay i in ỏp tớn hiu t vo, in ỏp b khuch i khụng i v c xỏc nh bng cỏc giỏ U +rmax, U-rmax gi l giỏ tr in ỏp cc i, (in ỏp bóo hũa) gn bng Ec ca ngun cung cp (trong cỏc IC thut toỏn mc in ỏp bóo hũa ny thng thp hn giỏ tr ngun EC t n 3V v gớa tr) on dc biu th ph thuc t l ca in ỏp vi in ỏp vo, vi gúc nghim xỏc nh h s khuch i ca OA (khi khụng cú hi tip ngoi) K = Un/Uv Tr s K, tựy thuc vo tng loi OA, cú th t vi trm n hng trm nghỡn ln ln hn Giỏ tr K ln cho phộp thc hin hi tip õm sõu nhm ci thin nhiu tớnh cht quan trng ca OA ng cong lớ tng (Hỡnh1.4) i qua gc ta Trng thỏi Ur = Uv = gi l trng thỏi cõn bng ca OA Tuy nhiờn, i vi nhng OA thc t thng khú t c cõn bng hon ton, ngha l Uv = thỡ Ur cú th ln hn hoc nh hn khụng Nguyờn nhõn mt cõn bng l s tn mn cỏc tham s ca nhng linh kin khuch i vi sai (c bit l tranzito) S ph thuc vo nhit ca tham s OA gõy nờn trụi thiờn ỏp u vo v in ỏp u theo nhit Vỡ vy cõn bng ban u cho OA ngi ta a vo mt cỏc u vo ca nú mt in ỏp ph thớch hp hoc mt in tr iu chnh dũng thiờn ỏp mch vo Footer Page of 126 Header Page of 126 Ku Ku Ku/2 -20 dB/decac a, Jo fo fc f f* 180 f 300 b, 360 420 500 Hỡnh 1.4: c tuyn biờn v c tuyn pha ca KTO in tr l mt nhng tham s quan trng ca OA OA phi cú in tr nh (hng chc hoc hng trm ) m bo in ỏp ln in tr ti nh, iu ú t c bng mch lp emito u OA Tham s tn s ca OA xỏc nh theo c tuyn biờn tn s ca nú (Hỡnh1.4.a) b gim tn s cao, bt u t tn s ct fc vi dc u (-20dB) trờn khong mi (1 cỏc) ca trc tn s Nguyờn nhõn l s ph thuc cỏc tham s ca tranzito v in dung kớ sinh ca s OA vo tn s Tn s f ng vi h s khuch i ca OA bng gi l tn s khuch i n v Tn s biờn fc ng vi h s khuch i ca OA b gim i ln , c gi l di thụng khụng cú mch hi tip õm, fc thng thp c vi chc Hz Footer Page of 126 Header Page of 126 Khi dựng OA khuch i tớn hiu, thng s dng hi tip õm u vo o Vỡ cú s dch pha tớn hiu vo tn cao nờn c tuyn pha tn s ca OA theo u vo o cũn cú thờm gúc lch pha ph v tr nờn ln hn 180 o (Hỡnh1.4b). mt tn s cao f no ú, nu tng gúc dch pha bng 360 o thỡ xut hin hi tip dng theo u vo o tn s ú lm mch b mt n nh tn s ny khc phc hin tng trờn, ngi ta mc thờm mch hiu chnh pha RC ngoi chuyn tn s f di thụng ca b khuch i Tham s mch RC v v trớ mc chỳng s IC kh t kớch ngi sn xut ch dn 1.2 CC C TNH K THUT CA KHUCH I THUT TON - li in ỏp ln ( lý tng Av = ) - Tng tr vo ln ( lý tng Zin = ) - Tng tr ( lý tng Zout = ) - Ngung cung cp: khuch i thut toỏn thng dựng ngun ụi (ngun i xng), vic s dng ngun ụi lm tng vic s dng khai thỏc ht hiu sut ca vi mch, ngun ụi thng dựng khong Vcc = ( ữ 18) V 1.3 CC DNG MCH C BN CA OP AMP 1.3.1 Mch so sỏnh Hỡnh 1.5: Mch so sỏnh Footer Page of 126 Header Page of 126 - Nu Vin+ > Vin- : Thỡ Vout + Vcc, c gi l vựng bóo hũa dng - Nu Vin+ < Vin- : Thỡ Vout - Vcc, c gi l vựng bóo hũa õm Hỡnh 1.6: c tuyn truyn t ca Opamp 1.3.2 Mch khuch i o I Uv Uv R ht ht Io - R1 Ur Uo + Hỡnh 1.7: S khuch i o Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 B khuch i o cho trờn hỡnh (Hỡnh 1.7), cú thc hin hi tip õm song song in ỏp qua Rht u vo khụng o c ni vi im chung ca s (ni t) Tớn hiu vo qua R1 t vo u o ca OA Nu coi OA l lớ tng thỡ in tr vo ca nú vụ cựng ln R v , v dũng vo OA vụ cựng Io = 0, ú ti nỳt N cú phng trỡnh nỳt dũng in: Iv Iht T ú ta cú: - - (1-1) Khi K , in ỏp u vo Uo = Ur/K 0, vỡ vy (1-1) cú dng : Uv/R1 = -Ur/Rht Do ú h s khuch i in ỏp Kd ca b khuch i o cú hi tip õm song song c xỏc nh bng tham s ca cỏc phn t th ng s K = Ur/Uv = -Rht/R1 Nu chn Rht = R1, thỡ K = -1, s (Hỡnh 1.7) cú tớnh cht tng o lp li in ỏp (o tớn hiu) Nu R1 = thỡ t phng trỡnh Iv Iht ta cú Iv = -Ura/Rht hay Ura = -Iv.Rht tc l in ỏp t l vi dũng in vo (b bin i dũng thnh ỏp) Vỡ Uo nờn Rv = R1, K thỡ Rr = 1.3.3 Mch khuch i khụng o Rht Uo - Uv Ur R1 + Hỡnh 1.8a: S khuch i khụng o Footer Page 10 of 126 Header Page 46 of 126 in tr b PI, dn n vic ta cú th thay i c cỏc h s Kp v Ti phự hp cho tng i tng cn iu chnh nh mong mun v t Max n i tng cn iu khin 3kw Vi vic xõy dng b PI cho iu khin dũng, ta cú th thay th b PI bng b PID l b ti u vic iu khin i tng B PID c xõy dng nh (Hỡnh 3.2) t Kp = ; Ti = RV1C1 + RV2C2; Td = Qua ú ta nhn thy vic la chn giỏc tr bin tr RV2 = 50k , RV1 = 30k, RV4 = 100k T ú vi vic chnh nh cỏc giỏ tr ca bin tr ta cú th thay i cỏc thụng s Kp, Ti, Td ca b iu khin PID phự hp vi i tng cn iu khin Hỡnh 3.2: B iu chnh PID xõy dng t IC thut toỏn cho i tng n 3kw 45 Footer Page 46 of 126 Header Page 47 of 126 3.3 LA CHN S KHI x(t) z(t) n e(t) PID CL KPX y(t) CL FT Hỡnh 3.3: S cu trỳc h thng - H thng bao gm b chc nng (PID) thit k t IC thut toỏn - Khõu phỏt xung (KPX) to xung iu khin theo phng thc iu ch xung PWM - B chnh lu Tiristo (CL) to in ỏp mt chiu v mch lc cung cp ngun cho ng c - Cm bin tc (FT) l b phỏt tc o tc ng c a tớn hiu v so sỏnh vi tớn hiu t 3.4 S NGUYấN Lí CA H THNG S nguyờn lý: hỡnh Hỡnh 3.4 Thuyt minh s : Do yờu cu ti, cng nh yờu cu bi toỏn, em s dng IC thut toỏn vic thit k h thng ca mụ hỡnh thớ nghim IC thut toỏn õy c s dng lm b chc nng (PID), b so sỏnh tớn hiu t v tớn hiu phn hi, b khuch i tớn hiu chung, b to tớn hiu xung vuụng v xung tam giỏc - Khõu U1:A, U2:B to súng in ỏp vuụng v súng in ỏp tam giỏc 46 Footer Page 47 of 126 Header Page 48 of 126 Hỡnh 3.5: Khi to súng in ỏp vuụng v tam gic bng KTT - Khõu U2:A l khõu so sỏnh tớn hiu iu khin e(t) vi súng in ỏp tam giỏc khõu U2:B iu ch rng xung in ỏp PWM, iu khin m tranzito Q1 Vic to in ỏp m tranzito Q1, in ỏp cp +12 dn xung GND hn ch in ỏp m cho Mosfest Q2 Thay i in ỏp m cho Mosfest Q2 cng chớnh l thay i in ỏp cp cho ng c DC s lm thay i tc ng c - U3:A so sỏnh gia tớn hiu in ỏp t t bin tr RV1 v tớn hiu in ỏp phn hi v t phỏt tc Theo nguyờn lớ mch khuch i thut toỏn z=- x + ( + 1) õy R21 = R12 = R11 = R10 = 10k nờn h s so sỏnh bng 1, vỡ vy z=yx 47 Footer Page 48 of 126 Header Page 49 of 126 Hỡnh 3.6: Khi so sỏnh tớn hiu - Khi chc nng U2:B l b PID lm nhim v iu chnh tớn hiu z(t) t b so sỏnh to tớn hiu iu khin chun e(t) a ti khõu so sỏnh vi xung tam giỏc Hỡnh 3.7: Khi iu chnh PID 48 Footer Page 49 of 126 Header Page 50 of 126 Mch cp ngun - Mch cp ngun c tht k t chnh lu cu diode v n ỏp Lm7812, to in ỏp mt chiu 12v, cp ngun nuụi IC thut toỏn, v cp ngun cho ng c DC mt chiu Hỡnh 3.8: S mch to ngun 12v 49 Footer Page 50 of 126 Header Page 51 of 126 Hỡnh3.4: S nguyờn lý h thng 50 Footer Page 51 of 126 Header Page 52 of 126 3.5 LA CHN THIT B Da vo yờu cu trờn, ng thi da trờn mc ớch ch to th nghim h thng t yờu cu, cho nờn vic la chn thit b cho phự hp vi thc t ca mch cng phi m bo cht lng ht sc quan trng - Hai IC n ỏp Lm7812 cung cp ngun n nh +12v, -12v u Hỡnh 3.9: S chõn IC Lm7812 - Mt IC thut toỏn HITACHI HA17324A, thc hin thnh so sỏnh, chc nng, to xung in ỏp Hỡnh 3.10: S chõn ca IC thut toỏn HA17324A 51 Footer Page 52 of 126 Header Page 53 of 126 - Mt IC thut toỏn Lm741, thc hin nhim v to b so sỏnh tớn hiu Hỡnh 3.11: S chõn IC thut toỏn Lm741 - Mt Mosfet IRF510 iu khin ngun cp cho DC thay i tc Hỡnh 3.12: S chõn IRF510 - Mt tranzito C828 iu chnh thay i ỏp cp m Mosfet Hỡnh 3.13: S chõn C828 52 Footer Page 53 of 126 Header Page 54 of 126 - Mt vi t húa, in tr v mt vi t nh n ỏp hoc thc hin mt s chc nng khc - Mt vi diode v mt s linh kin khỏc thc hin cỏc chc nng ph mch - Mt ng c in mt chiu kớch t c lp cú b gim tc, vi thụng s ng c: cụng sut 17w, s vũng 140v/p, in ỏp 12v - Mt ng c in mt chiu lm b phỏt tc loi (100 2000)v/p 3.5 LP RP H THNG V KT QU T C Ch to mch in Trong thc t cú rt nhiu phn mm lm mch in, thụng dng nht l phn mm Orcad Di õy l phn mm v bng Orcad 9.2 Ton b mch thit k u c ph max nhm gim thi gian n mũn ng bi FeCl3 Hỡnh 3.14: Mch cp ngun h thng 53 Footer Page 54 of 126 Header Page 55 of 126 Hỡnh 3.15: Mch b PID thit k t IC thut toỏn Lp rỏp linh kin hon thin h thng Sau mch in c hon thin v rỏp linh kin phự hp Cỏc linh kin c hn phi thn trng nu khụng dn ti lm cht v h hng linh kin, in hỡnh l cỏc loi IC Hỡnh 3.16: mch ngun hon thin 54 Footer Page 55 of 126 Header Page 56 of 126 Hỡnh 3.17: Mch b iu chnh PID Kt qu v nhn xột Sau hon thin tng khõu, tin hnh lp rỏp hon thin h thng Hỡnh 3.18: H thng sau hon chnh lp rỏp 55 Footer Page 56 of 126 Header Page 57 of 126 - Sau hon thin ton b h thng mụ hỡnh, tin hnh chy th, v sinh viờn nhn thy t tc 100 v/p, quan sỏt thy rng tc t 90-105 v/p Nhn thy sai s b iu khin khong 10% so vi tớn hiu t ban u 56 Footer Page 57 of 126 Header Page 58 of 126 KT LUN ỏn ó hon thnh kp tin , ti mang tớnh khoa hc v thc tin nghiờn cu v cỏc lut iu khin kinh in ỏn ó xõy dng thnh cụng b mụ hỡnh thc nghim b PID iu khin tc ng c in mt chiu kớch t c lp Sn phm mụ hỡnh l thnh qu ca vic nghiờn cu ng dng lý thuyt vo thc t thit k thc nghim.Kt qu t c sau hon thnh ỏn - Sinh viờn ó nghiờn cu lý thuyt iu khin PID, PI l loi iu khin kinh in to lờn b iu khin ng dng - Vn dng chc nng ca IC thut toỏn vic to b iu khin PID ng dng iu khin i tng thc t - Xõy dng thnh cụng mụ hỡnh dựng lut iu khin PID iu khin i tng l ng c in mt chiu, lm tin cho vic xõy dng b PID ng dng thc t iu khin cỏc i tng phc v sn xut Tuy nhiờn, ny l xõy dng, phc tp, khú ỏnh giỏ chớnh xc ũi hi ngi nghiờn cu phi cú kin thc sõu rng v s dng nhiu phng phỏp khỏc phõn tớch Mc dự vi s c gng n lc ca bn thõn nhng s hiu bit cũn nm khuụn kh sỏch v, kinh nghim thc t cũn nhiu hn ch, v thi gian nghiờn cu cú hn nờn ni dung ca ỏn khụng trỏnh nhng thiu sút Hn ch ca ỏn l mụ hỡnh to ch xoay quan i tng nh, phự hp vi thớ nghim phũng thc hnh, sn phm mụ hỡnh to cha c bt mt Cha ch to c b PID v PI dựng cho i tng n 3kw theo yờu cu thc t ca ỏn c giao Vic phõn tớch c s lý thuyt cha c y , sõu sc, d hiu t ti cht lng cao ca mt ỏn k thut mang tớnh khoa hc thc tin 57 Footer Page 58 of 126 Header Page 59 of 126 Mt ln la em xin chõn thnh cm n s hng dn tn tỡnh ca GS.TSKH Thõn Ngc Hon, cựng ton th cỏc thy cụ b mụn in t ng cụng nghip, cỏc thy cụ cụng tỏc ti i Hoc Hng Hi Vit Nam ó ch bo hng dn tn tỡnh sut nm hc ti I HC DL HI PHềNG em cú kin thc hon thnh ỏn ny Em xin cm n! Sinh viờn Trn Vn Thỏi 58 Footer Page 59 of 126 Header Page 60 of 126 TI LIU THAM KHO [1].Nguyn Vn Hũa (2001), C s lý thuyt iu khin t ng, Nh xut bn khoa hc v k thut [2].GS TSKH Thõn Ngc Hon TS Nguyn Tin Ban (2007), iu khin t ng cỏc h thng truyn ng in, Nh xut bn khoa hc k thut [3].PGS.TSKH Thõn Ngc Hon (2005), Mỏy in, Nh xut bn xõy dng [4]. Xuõn Phỳ (2000), K thut in t, Nh xut bn giỏo dc [5].Phm Minh H (2001), K thut mch in t, Nh xut bn khoa hc k thut [6].Bi Ging Tng Hp H in C, B mụn t ng húa i Hc Thỏi Nguyờn [7].Nguyn Bớnh (200), in t cụng sut, Nh xut bn khoa hc ký thut Cỏc Website [8].http://www.dientuvietnam.com [9].http://www.hiendaihoa.com [10].http://www.webdien.com [11].http://www.hocdelam.org/vn/ 59 Footer Page 60 of 126 ... chnh PID v PI dựng cho iu khin truyn ng in cụng sut n 3kw Ni dung ỏn c chia lm chng: - Chng 1: Khuch i thut toỏn - Chng 2: B iu khin v cỏc lut iu khin - Chng 3: Thit k v lp rỏp b iu chnh PID v PI. .. lp rỏp b iu chnh PID v PI dựng cho ng c in mt chiu Trong sut quỏ trỡnh thc hin ti sinh viờn xin chõn thnh cm n GS.TSKH Thõn Ngc Hon l ngi trc tip hng dn v to mi iu kin cho sinh viờn thc hin v... toỏn hc cho i tng Cụng vic ny cung cp cho ta nhng hiu bit v i tng, giỳp ta thnh cụng vic tng hp b iu khin Mt cụng vic quan trng khụng kộm giỳp ta gii quyt tt bi toỏn l chn lut iu khin cho h thng