Điều khiển số tốc độ, vị trí động cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển

Luận văn thạc sỹ -1- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học më ®Çu LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Trong ngành công nghiệp sản xuất đời sống, công tác điều khiển vận hành hiệu thiết bò nhằm tăng khả sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất chi phí cho việc trùng tu bảo dưỡng thiết bò sản xuất giữ vò trí quan trọng Điều khiển máy điện lónh vực nghiên cứu ứng dụng thiết bò, khí cụ sơ đồ điều khiển để phục vụ nhu cầu thay đổi đại lượng chuyển động mômen, tốc độ hay điều khiển vò trí tuỳ theo yêu cầu phát sinh loại hình sản xuất Động chiều sử dụng từ lâu hệ truyền động có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn đònh tốc độ cao hệ thường xuyên hoạt động chế độ khởi động, hãm đảo chiều Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên sử dụng phổ biến công nghiệp Một số ứng dụng quan trọng động chiều truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền, v.v… Truyền động điện tốc độ chiếm phần lớn ứng dụng điều khiển đại lượng chuyển động Trong loại điều khiển thường gồm có động chấp hành, biến đổi điện tử công suất hệ thống điều khiển số Đương nhiên phải có lọc Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -2- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học nguồn đầu vào đạt tiêu chuẩn lọc nhiễu điện từ Để thay đổi tốc độ, động xoay chiều đòi hỏi phải thay đổi biên độ điện áp tần số động chiều cần thay đổi điện áp chiều chuyển mạch khí động chiều làm thay đổi tần số theo Các động xoay chiều hầu hết chổi than, chi phí ban đầu chi phí bảo dưỡng thấp động chiều Tùy vào ứng dụng mà việc chọn lựa loại động sử dụng phụ thuộc vào khách hàng Trong phạm vi luận văn này, em xin trình bày vấn đề điều khiển tốc độ vị trí động chiều dùng họ vi điều khiển 8051 phương pháp điều biến độ rộng xung MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xây dựng hệ thống điều khiển số tốc độ, vò trí động điện chiều sử dụng vi điều khiển MCS-51 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tìm hiểu lý thuyết cấu tạo, phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều Tìm hiểu điều khiển số PID Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động vi điều khiển MCS-51 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Lý thuyết động điện chiều Lý thuyết điều khiển lập trình vi điều khiển Xây dựng phần cứng, phần mềm điều khiển động DC Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -3- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học Mô hệ thống điều khiển Matlab Simulink Thiết kế phần cứng phần mềm điều khiển số động DC sử dụng CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI Mở đầu Chương 1: Tổng quan động điện chiều Chương 2: Điều khiển số động chiều Chương 3: Giới thiệu họ vi điều khiển MCS-51 Chương 4: Thiết kế thi công mạch điều khiển tốc độ, vò trí động điện chiều Kết luận hướng phát triển Tài liệu tham khảo Ngành điều khiển tự động hóa -4- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học Luận văn thạc sỹ Ch−¬ng I Tỉng quan vỊ M¸Y ®iƯn mét chiỊu 1.1 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU Cấu tạo phận động điện chiều mô tả hình vẽ: 1.1.1 SƠ ĐỒ NỐI DÂY CỦA MỘT MÁY PHÁT KÍCH TỪ SONG Cực từ phụ Biến trở hạn dòng Hình 1.1 SONG 1.1.2 MẠCH TỪ CỦA MÁY ĐIỆN HAI CỰC 1.1.3 CUỘN DÂY KÍCH TỪ TRÊN MỘT CỰC TỪ 1.1.4 PHẦN ỨNG Cổ ù Trục Lõi từ Cuộn kích tư Hình 1.4 Gông (ách) Răng Lõi cực Đế cực từ Phần ứng Từ thông t û Cuộn kích Hình 1.2 Đầu Đầu Hình 1.3 Ngành điều khiển tự động hóa -5- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học Luận văn thạc sỹ 1.1.5 CẤU TRÚC CỔ GÓP 1.1.6 MẠCH ĐIỆN PHẦN ỨNG Chổi than Phiến Vành chữ “V” Nêm Hình 1.6 Ống lót cổ góp Hình 1.5 Các phiến góp hướng Cách điện Mica Rãnh gắn đầu cuộn dây phần ứng Các phiến góp đồng Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -6- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học 1.1.7 CẤU TRÚC CHỔI THAN Điều chỉnh độ căng lò xo Đuôi sam Chổi than Lò xo cố đònh chổi than Chổi than Bộ gá Hình 1.7 Máy điện chiều có hai phần mạch điện: mạch kích từ mạch phần ứng Phần kích từ nằm phần tónh hay stator máy điện bao gồm cuộn dây quấn quanh cực từ stator Các cực từ hướng vào stator hình 1.1 Số cực từ số chẵn chúng sếp xen kẽ theo cực tính nam - bắc Cuộn kích từ, dòng điện thông lượng cực từ Các cuộn dây kích từ nối nối tiếp Dòng điện cấp cho cuộn kích từ nhằm từ hóa cực từ tạo từ thông khe hở không khí stator rotor động Mạch kích từ mạch tiêu thụ công suất nguồn máy điện Mạch phần ứng tiêu thụ công suất nguồn nằm rotor Các cuộn dây phần ứng đặt rãnh phân bố chu vi bề mặt rotor (hình 1.4) Độ rộng cuộn dây gọi bước cuộn dây, bề rộng Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -7- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học vùng cực từ, gọi bước cực Do cạnh tác dụng cuộn dây nằm cực bắc cạnh lại nằm cực nam kế bên Các cuộn dây mạch phần ứng nối thành mạch kín, kết thúc cuộn bắt đầu cuộn tiếp kết thúc cuộn dây cuối nối vòng đến điểm bắt đầu cuộn Dòng điện chiều đưa vào hay lấy từ dây quấn phần ứng thông qua chổi than tì lên cổ góp Cổ góp kết cấu hình trụ bề mặt có nhiều phiến góp, số phiến góp số cuộn dây chúng cách điện với mica Đầu kết thúc cuộn khởi đầu cuộn ứng khác nối đến chung rãnh gắn đầu cuộn dây phiến góp (hình 1.5) Kết nối mạch phần ứng hình 1.6 Dòng điện đưa vào phần ứng qua chổi than cổ góp Chổi than B1 nối đến phiến góp số 1, chổi nối đến phiến góp số 13 Dòng điện đến phần ứng từ chổi than B1 phiến góp số vòng phiến góp 13 chổi than B2 theo hai đường dẫn song song, đường dẫn tải nửa dòng phần ứng Mỗi đường gồm mười hai cuộn dây, hình 2.6 hai mạch nhánh có cuộn: nhánh phải gồm từ cuộn AA’ đến cuộn WW’ nhánh phần lại Mỗi cuộn dây nhóm mười hai cuộn dây này, giả sử cuộn nằm cực bắc cuộn cuối nhóm kết thúc nằm cực nam Mạch nhánh gồm mười hai cuộn lại ngược lại, bắt đầu nằm cực nam Ngành điều khiển tự động hóa -8- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học Luận văn thạc sỹ kết thúc cực bắc Khi rotor quay, dòng điện chảy cuộn dây nằm cực từ không đổi, tiếp xúc chổi than-cổ góp thay đổi Vì chiều dòng điện cuộn dây ngược cách bố trí xen kẽ cực từ, mô men tạo cuộn dây có chiều Nhờ hệ chổi than-cổ góp mà máy điện làm việc với nguồn chiều Dòng điện cuộn dây phần ứng thực xoay chiều lần cuộn dây dòch chuyển từ vùng tác động cực từ sang vùng tác động cực từ khác, dòng điện bò đảo chiều Ta nói hệ cổ góp chổi than hoạt động biến _ + U Iư _ + U Đ Iư Đ Lkt Rkt Lkt Rkt Ukt _ + Hình 1-8: a-Sơ đồ nguyên lý nối Hình 1-8: b-Sơ đồ nguyên lý nối dây động chiều kích từ dây động chiều kích từ độc lập song song đổi dòng điện chiều thành dòng điện xoay chiều cuộn dây phần ứng 1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi đặt vào từ trường dây dẫn cho dòng Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -9- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học điện chạy qua dây dẫn từ trường tác dụng lực vào dòng điện (vào dây dẫn) làm dây dẫn chuyển động Chiều lực từ xác đònh quy tắc bàn tay trái Từ trường tạo nhờ cuộn dây có dòng điện chiều chạy qua Các cuộn gọi cuộn cảm (hay cuộn kích từ) quấn quanh cực từ Thường stato động thường đặt cuộn cảm nên stator gọi phần cảm Từ trường cuộn cảm tạo tác dụng lực từ vào dây dẫn rotor đặt rãnh rotor có dòng điện chạy qua Cuộn dây gọi cuộn ứng Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua chổi than cổ góp Rotor mang cuộn ứng nên gọi phần ứng Giả sử dây dẫn cuộn ứng nửa rotor có dòng điện hướng vào, dây dẫn cuộn ứng Hình 1-9: Từ trường động chiều a Do cuộn cảm sinh b Do cuộn ứng sinh c Do hai cuộn tổng hợp d Tổng véc tơ sứcvà từ tự động Ngành điều khiển động hóa Luận văn thạc sỹ -10- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học nửa rotor có dòng điện hướng hình vẽ Lực từ F tác dụng vào dây dẫn rotor có chiều xác đònh theo quy tắc bàn tay trái tạo mômen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ Khi động làm việc, cuộn cảm tạo từ trường Φd dọc trục cực từ phân bố đối xứng cực từ Mặt phẳng 00’ có đặt chổi than, vừa mặt phẳng trung tính vật lý Đồng thời, dòng điện cuộn ứng tạo từ trường riêng Φn hướng ngang trục cực từ Từ trường tổng động tính chất đối xứng dọc trục mặt phẳng trung tính vật lý quay góc β (ngược chiều quay rotor) so với mặt phẳng trung tính hình học (hình 1-9) Dòng điện cuộn ứng lớn Φn mạnh góc quay β lớn Ta nói phản ứng phần ứng mạnh Phản ứng phần ứng nguyên nhân gây tia lửa chổi than cổ góp góp cổ góp Có thể hạn chế ảnh hưởng nhờ xoay chổi than theo vò trí mặt phẳng trung tính vật lý (tức theo góc β) Thông thường động điện chiều nay, người ta dùng phương pháp thêm cực từ phụ Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -98- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học Chương trình chia số nhò phân 16-bit cho 10 (số nhò phân 8-bit) dùng phép trừ phép dòch trái bit liên tiếp đến bit thứ 16 Diễn giải cụ thể sau: Đầu tiên, dòch trái 1-bit toàn 16-bit có mặt cặp ghi R7:R6 có cờ Carry, CY=0 Thanh ghi A dòng lệnh mang giá trò bit cao số nhò phân 16-bit dòch trái có bit trước bit cao mang giá trò chia dư lần dòch bit kế trước Phần tính trò dư tính lệnh nằm nối tiếp sau nhãn “A_GREATER_EQ_B” trò dư (nếu có) giữ nguyên ghi A lúc nhảy nhãn Tại dòng lệnh cho ta ba khả quan hệ A B Nếu A = B : CY = Nếu A > B : CY = Nếu A < B : CY = Hai trường hợp đầu, thương số (dòng lệnh biểu thò ba dòng lệnh sau lệnh trừ nêu trên) nạp vào bit thấp ghi R6 (chứa giá trò cờ Carry dòch vào) Trường hợp lại không cần phải nạp giá trò (không chia hết) cho bit nêu hai trường hợp đầu thân zero lần dòch bit Chỉ chia hết bit mang giá trò zero cờ Carry dòch trái vào R6 thay Nếu A > B, thương số = số dư tính lệnh Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -99- viên: Nguyễn Tiến Phúc Học SUBB Số dư lưu lại cho lần dòch bit sau (lần dòch bit sau lần dòch bit thứ ≤16) 4.5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB SIMULINK Trong điều khiển tự động, người ta thường biểu diễn hệ thống vật lý hàm truyền (transfer function) hay phương trình trạng thái (state-space equation) (đối với hệ phi tuyến, để đạt điều này, người ta dùng phương pháp tuyến tính hóa đoạn) Thực có hệ thống điều khiển tốc độ motor DC hình 4.7 Hình 4.8 Mô hình toán hệ điều khiển tốc độ motor DC Trong đó: - Mômen quán tính J = 0,01Kg.m2 - Điện trở mạch phần ứng: R = 1Ω - Điện cảm mạch phần ứng: L = 0,5H - Hệ số ma sát cơ: b = 0,1Nms - Hằng số sức điện động: K = 0,01Nm/A I: Dòng điện chảy cuộn dây motor V: Điện áp hai đầu dây motor - ngõ vào θ: Vò trí trục - ngõ Ngành điều khiển tự động hóa -100Học viên: Nguyễn Tiến Phúc Luận văn thạc sỹ Phương trình vi phân mô tả hệ thống: d 2θ dθ J +b = Ki dt dt di dθ L + Ri = V − K dt dt Hàm truyền: biến đổi Laplace vế phương trình ta được: s ( Js + b)Θ( s ) = KI ( s ) ( Ls + R) I ( s ) = V − KsΘ( s ) Suy ra: [( Ls + R)( Js + b) + K ]sΘ = KV hay θ V = K ( Ls + R)( Js + b) + K Biểu diễn hàm truyền Matlab ta thực sau: >> J=0.01; >> b=0.1; >> K=0.01; >> R=1; >> L=0.5; >> num=K; >> den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; >> hamtruyen=tf(num, den) Đáp ứng vòng hở: >> step(num, den) Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -101Học viên: Nguyễn Tiến Phúc >> step(hamtruyen) Đáp ứng xung vòng hở: >>impulse(hamtruyen) Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -102Học viên: Nguyễn Tiến Phúc * Phương trình trạng thái: Dạng tổng quát: X = AX + BU Y = CX + DU với X vecto trạng thái, U vecto tín hiệu vào Y vecto tín hiệu Biến trạng thái phương trình trạng thái: Từ phương trình vi phân mô tả hệ thống, đặt x1 = θ x = i , ta có: b K x1 + x + 0V K ⎤ ⎡ b J J ⎡0⎤ ⎢− J J ⎥ X + ⎢ ⎥V X =⎢ K R ⎥ K R x = − x1 − x + V hay ⎢⎣ L ⎥⎦ ⎢− − ⎥ L L L L⎦ ⎣ L Y = x1 + x + 0V Y = [0 1] X x1 = − + Biểu diễn phương trình trạng thái Matlab sau: >> J=0.01; >> b=0.1; >> K=0.01; >> R=1; >> L=0.5; >> A=[-b/J K/L; -K/L -R/L]; >> B=[0;1/L]; >> C=[1 0]; >> D=0; + Đáp ứng vòng hở: >> step(A,B,C,D); + Đáp ứng xung vòng hở: >> impulse(A,B,C,D); Ta chuyển đổi qua lại hàm truyền phương trình trạng thái lệnh sau: Ngành điều khiển tự động hóa -103Học viên: Nguyễn Tiến Phúc Luận văn thạc sỹ >> [num,den]=ss2tf(A,B,C,D) >> [A,B,C,D]=tf2ss(num,den) BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Cấu trúc hệ thống điều khiển PID hình sau: Hình 4.9 Sơ đồ khối hệ điều khiển PID Trong hàm truyền khâu PID là: Kp + KDs2 + K ps + KI KI + KDs = s s với: KP độ lợi khâu tỉ lệ KI độ lợi khâu tích phân KD độ lợi khâu vi phân Việc hiệu chỉnh phù hợp thông số Kp, KI KD làm tăng chất lượng điều khiển Ảnh hưởng thông số lên hệ thống sau: Đáp ứng Thời gian Vọt lố Thời gian Sai số xác lập vòng kín (C.L tăng (Overshoot) độ (Steady-state err.) Response) (Rise time) KP Giảm Tăng Ít thay đổi Tăng KI Giảm Tăng Tăng Không xác (Settling Time) đònh KD Ít thay đổi Giảm Giảm Ngành điều khiển tự động hóa Ít thay đổi Luận văn thạc sỹ -104Học viên: Nguyễn Tiến Phúc Khi thêm điều khiển PID vào mô hình động DC Lúc hàm truyền hệ thống hở là: >> J=0.01; >> b=0.1; >> K=0.01; >> R=1; >> L=0.5; Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -105Học viên: Nguyễn Tiến Phúc >> num=K; >> den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; >> Kp=100; >> Ki=1; >> Kd=1; >> numc=[Kp, Ki, Kd]; >> denc=[1 0]; >> numa=conv(num,numc); >> dena=conv(den,denc); Hàm truyền vòng kín hồi tiếp âm đơn vò; >> [numac,denac]=cloop(numa,dena); Đáp ứng Step hệ điều khiển PID >> step(numac,denac); Hiệu chỉnh thông số PID: Một phương pháp cổ điển đơn giản hiệu để chỉnh đònh thông số Kp, Ki, Kd điều khiển PID Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -106Học viên: Nguyễn Tiến Phúc phương pháp Ziegler - Nichols (Ziegler - Nichols Turning Method) Thủ tục chỉnh đònh sau: Bước 1: Chỉ điều khiển hệ thống điều khiển tỉ lệ KP (đặt KI=Kd=0) Bước 2: Tăng KP đến giá trò KC mà hệ thống bắt đầu ổn đònh (bắt đầu xuất giao động - điểm cực hàm truyền kín nằm trục ảo jω) Từ hai giá trò KC ωC vừa đạt, thông số KP, KI, KD xác đònh sau: Bộ điều khiển KP KI KD P (tỉ lệ) 0,5KC PI (tích phân tỉ lệ) 0,45KC 0,191KPωC PID (Vi tích phân tỉ lệ) 0,6KC 0,318KPωC 0,785KP/ωC PID với vọt lố 0,33KC 0,318KPωC 2,07KP/ωC PID không vọt lố 0,2KC 0,53KPωC 3,14KP/ωC Bước 3: Tinh chỉnh lại thông số để đạt đáp ứng mong muốn ÁP DỤNG VÀO MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ DC TRONG LUẬN VĂN Bước 1: Điều khiển hệ thống với điều khiển tỉ lệ: Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -107Học viên: Nguyễn Tiến Phúc Bước 2: Xác đònh KC ωC mà hệ thống bắt đầu giao động dùng hàm rlocus Matlab: >> J=0.01; >> b=0.1; >> K=0.01; >> R=1; >> L=0.5; >> num=K; >> den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; >> [numc,denc]=cloop(num,den); >> htkin=tf(numc,denc); >> rlocus(htkin); >> axis([-10 10 -15 15]); Xác đònh KC ωC hàm rlocfind: >> [Kc,Omegac]=rlocfind(htkin) Sau hiệu chỉnh thông số PID theo phương pháp Ziegler - Nichols ta thấy với PID có: Kp = 100; Ki = 200; Kd=10 hệ điều khiển đạt độ ổn đònh Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -108Học viên: Nguyễn Tiến Phúc 4.6 THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG MẠCH ĐIỆN THỰC NGHIỆM Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -109Học viên: Nguyễn Tiến Phúc Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -110Học viên: Nguyễn Tiến Phúc KÕt ln Vµ h−íng ph¸t triĨn KẾT LUẬN Luận văn “Điều khiển số tốc độ, vò trí động điện chiều sử dụng vi điều khiển” với mục đích tìm hiểàu phương pháp điều khiển số tốc độ, vò trí động điện chiều nhằm đảm bảo tối ưu cho hệ thống điều khiển Nội dung luận văn thực số vấn đề sau: Trình bày tóm tắt cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính động điện chiều Xây dựng thuật toán điều khiển PID cho hệ thống Mô hệ thống Matlab simulink Xây dựng mạch điện phần cứng, chương trình phần mềm điều khiển Đảm bảo độ tin cậy HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Đề tài dùng làm tài liệu tham khảo cho học viên khóa sau - Dùng để làm tài liệu cho nghiên cứu với hệ thống có công suất lớn Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -111Học viên: Nguyễn Tiến Phúc Tµi liƯu tham kh¶o Lê Văn Doanh (1999), Điều khiển số máy điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Ngô Diên Tập (2006), Vi điều khiển với lập trình C, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Thương Ngô (2006), Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Phùng Quang (2008), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Ngành điều khiển tự động hóa Luận văn thạc sỹ -112Học viên: Nguyễn Tiến Phúc Võ Minh Chính (2008), Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Vũ Quang Hồi (2000), Trang bò điện – điện tử công nghiệp, NXB Giáo dục, Hà nội Ngành điều khiển tự động hóa ... khiển số tốc độ, vò trí động điện chiều sử dụng vi điều khiển MCS-51 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tìm hiểu lý thuyết cấu tạo, phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều Tìm hiểu điều khiển số PID Tìm... hoạt động vi điều khiển MCS-51 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Lý thuyết động điện chiều Lý thuyết điều khiển lập trình vi điều khiển Xây dựng phần cứng, phần mềm điều khiển động DC Ngành điều khiển tự động. .. hệ điều khiển số có nối tầng điều khiển số nằm mạch Hình 2.3 hệ điều khiển số có điều khiển tương tự nằm mạch phản hồi Hình 2.4 hệ điều khiển số có điều khiển số nằm mạch phải hồi Hình 2.5 hệ điều