Điều khiển số vị trí, tốc độ động cơ điện một chiều dùng vi xử lý

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội - F G - Luận văn thạc sĩ khoa học Điều khiển số, tốc độ động điện chiều dùng vi xử lý Ngành: M số: đo lờng hệ thống điều khiển Vũ hồng phong Ngời hớng dẫn khoa học:.TS Nguyễn Cảnh Quang Hà Nội - 2009 Mục lục Trang Chơng 1: Tổng quan động điện chiều phơng pháp điều khiển tốc độ 1.1 Đặc tính tĩnh động điện chiều 12 1.2 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động DC.17 1.2.1 Phơng pháp điều khiển điện áp phần ứng 17 1.2.2 Phơng pháp điều khiển từ thông động 18 1.2.3 Phơng pháp điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng từ thông động 19 1.2.4 Phơng pháp điều khiển điện trở phần ứng 20 Chơng 2: điều khiển vị trí tốc độ thuật toán điều khiển 2.1 Điều khiển vị trí tốc độ 22 2.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí tốc độ .22 2.1.2 Mạch điều khiển động DC 24 2.2 Các thuật toán điều khiển 25 2.2.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ P 26 2.2.2 Thuật toán điều khiển tích phân I 26 2.2.3 Thuật toán điều khiển vi phân D28 2.2.4 Thuật toán điều khiển PID 28 2.3 Xác định tham số cho điều khiển30 2.3.1 Phơng pháp lý thuyết Reinisch 31 2.3.2 Phơng pháp xác định thông số điều khiển theo thực nghiệm 32 2.3.2.1 phơng pháp Ziegies Nicholsg . .32 2.3.2.2 Phơng pháp Jassen Offerein 32 Chơng 3: Cảm biến 3.1 Giới thiệu chung .34 3.2 Cảm biến vị trí- tốc độ 34 3.2.1 Encoder quang tơng đối35 3.2.2 Encoder tuyệt đối. 37 Chơng 4: Tổng hợp hệ thống kiểm nghiệm phần mềm Matlab 4.1 Mô tả toán học phần tử hệ truyền động39 4.1.1 Mô tả toán học động điện chiều kích từ độc lập.39 4.1.2 Sơ đồ khối động điện chiều kích từ độc lập với tử thông định mức 40 4.1.3 Mô tả toán học tạo xung PWM.41 4.1.4 Mô tả toán học PID số 42 4.2 Tổng hợp hệ thống xét ổn định hệ thống số.43 4.2.1 Tổng hợp hệ thống 43 4.2.2 Xét ổn định hệ thống số46 4.3 Mô hệ kiểm nghiệm hệ thống phần mềm Matlab47 4.3.1 Mô mạch vòng tốc độ 48 4.3.2 Mô mạch vòng vị trí51 Chơng 5: xây dựng thực hệ thống dùng vi xử lý 5.1 Mạch động lực 54 5.2 Mạch điều khiển 55 Phơng pháp điều chế độ rộng xung PWM 59 3.3.1 Tạo xung phần cứng 61 3.3.2 Tạo xung phần mềm 61 5.4 Lu đồ giải thuật chơng trình điều khiển vị trí tốc độ PID rời rac..63 5.5 Mô tả hệ thống thử nghiệm kết thử nghiệm.65 Kết luận.67 Tài liệu tham khảo..68 Phụ lục: Chơng trình điều khiển Atmega8 ngôn ngữ C 69 Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Lời nói đầu Trong trình công nghiệp hoá đại hoá đất nớc Tự động hoá yếu tố thiếu công nghiệp đại Nói đến tự động hoá vi xử lý công cụ hỗ trợ đắc lực thiếu nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đặc biệt truyền động, đo lờng điều khiển Việc ứng dụng vi xử lý vào hệ thống truyền động điều khiển tốc độ vị trí ngày phổ biến Ví dụ nh dây truyền lắp ráp sản phẩm kỹ thuật cao, việc gia công sản phẩm có hình dáng kich thớc định trớc, cấu truyền động cho tay máy, ngời máy, cấu ăn dao cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng, hệ bám tuỳ động, Do tính u việt công nghệ số so với phơng pháp điều khiển tơng tự truyền thống nh: - Mềm dẻo việc thây đổi cấu trúc tham số hệ thống tự động - Độ xác cao - Có khả chống nhiễu tốt - Dễ dàng tự động hoá Đa dạng chủng loại, linh hoạt chức năng, dễ dàng thay đổi tham số cấu trúc phần mềm, hệ thống vi điều khiển đợc thiết kế chế tạo tin cậy tạo điều khiển linh hoạt, phù hợp với đặc điểm hệ điều khiển tự động Tuy nhiên nớc ta phần lớn điều khiển số động điện chiều chất lợng cao thờng phải nhập nhập từ nớc Nhng thực nếu áp dụng tôt nguyên lý điều khiển số vi xử lý, ta hoàn toàn chế tạo điều khiển hoàn chỉnh có chức tơng đơng Vì em lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung: Điều khiển số, vị trí động điện chiều dùng vi xử lý Với mục đích ứng dụng thành tựu công nghệ kỹ thuật vi xử lý để điều khiển nghiên cứu thiết kế thi công cho hệ thống cụ thể Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Do thời gian trình độ có hạn nên luận văn không tránh khỏi sai sót có nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm Em mong nhận đợc ý kiến đóng góp, dẫn thầy cô giáo đồng nghiệp Em xin chân thành cám ơn tập thể thầy cô Bộ môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt TS Nguyễn Cảnh Quang cho dẫn quý báu tạo điều kiện để tác giả hoàn thành đề tài tốt nghiệp Hà Nội, tháng 11 năm 2009 Tác giả Vũ Hồng Phong Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Danh mục Các từ viết tắt, kí hiệu ACV: Nguồn xoay chiều DCV: Nguồn chiều A/D: Chuyển đổi tơng tự số D/A: Chuyển đổi số tơng tự DC: Động điện chiều : Độ lệch pha hai tín hiệu P: Bộ điều chỉnh tỉ lệ I: Bộ điều chỉnh tích phân D: Bộ điều chỉnh vi phân PID: Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân KP :Hằng số tỉ lệ KI Hằng số tích phân KD : Hằng số vi phân TI: Bằng số thời gian điều khiển tích phân TD: Hằng số thời gian điều khiển vi phân Tdmax: Thời gian lớn điều khiển khâu vi phân Tth: Chu kỳ giao động tới hạn KPth: Hệ số tỉ lệ tới hạn khâu tỉ lệ PWM: (Pulse Width Modulator) phơng pháp điều biến độ rộng xung Pđc: Công suất động U : Điện áp phần ứng L : Điện cảm phần ứng R : Điện trở phần ứng Kđc: Hệ số khuếch đại động J : Mô men quán tính rôto B : Mô men tổn hao theo tốc độ Km : Hằng số mô men T : Hằng số thời gian điện từ Tc Hằng số thời gian điện Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học tốc độ động Const: Hằng số Ikt: dòng điện cuộn kích từ Kkt: Hệ số cuộn kích từ Ckt : Cuộn kích từ Ukt : Điện áp cuộn kích từ : Từ thông động đm : Tốc độ định mức động X(p) : Là vị trí đặt miền ảnh laplas E2(p): Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển vị trí) miền ảnh laplas GC2(p): Bộ điều khiển vị trí miền ảnh laplas X1(p) : Tín hiệu đặt tốc độ miền ảnh laplas E1(p) : Tín hiệu sai lệch (tín hiệu điều khiển tốc độ) miền ảnh laplas GC1(p): Bộ điều khiển tốc độ miền ảnh laplas Gp1(p): Hàm truyền đạt điều biến đổi động miền ảnh laplas Y1(p) : Tốc độ miền ảnh laplas Gp2(p) : Miền ảnh laplas Y(p) : Đáp ứng vị trí miền ảnh laplas M1 (p): Hàm truyền cảm biến tốc độ miền ảnh laplas M2(p) : Hàm truyền cảm biến vị trí miền ảnh laplas Y1m(p) : Tốc độ động (tín hiệu phản hồi tốc độ) ảnh laplas Ym(p) : Vị trí động (tín hiệu phản hồi) miền ảnh laplas K1, K2, K3, K4: khoá bán dẫn Hz : tần số Uđk Là điện áp điều khiển X(t) : Tín hiệu kích thích miền thời gian tơng tự Y(t): Đáp ứng miền hời gian tơng tự Gcp(z): Hàm truyền điều chỉnh tỉ lệ miền rời rạc GcI(z): Hàm truyền điều chỉnh tích phân miền rời rạc GcD(z): Hàm truyền điều chỉnh vi phân miền rời rạc GcPID(z): Hàm truyền điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân miền rời rạc Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học X(z) : Tín hiệu kích thích miền rời rạc Y(z): Đáp ứng miền rời rạc Kbx: Hệ số khuếch đại biến đổi T: Tần số biến đổi Ts: Tần số lấy mẫu Gbx: Hàm truyền đạt biến đổi miền laplas tqđ : Thời gian độ N(z): Phơng trình đặc tính hệ thống số a0,a1,an hệ số phơng trình đặc tính Ck : Là giá trị định thức tổng hai ma trận Ak,Bk Dk: Là giá trị định thức hiệu hai ma trận Ak,Bk Ak,Bk: Là ma trận k Xm: Quãng đờng dịch chuyển trục encoder NT:Số xung đếm đợc encoder NR: Tổng số xung độ phân giải encoder dm: Đờng kính trục bánh xe encoder Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 10 Danh mục Các hình vẽ Hình 1.1 Các loại động chiều thông dụng .13 (a) Kích từc độc lập (b) Kích từ song song (c) Kích từ nối tiếp (d) Kích từ hỗn hợp Hình 1.2: Mạch tơng đơng chế độ tĩnh động DC 13 Hình 1.3 Đặc tính loại động DC.15 Hình 1.4: Các đặc tính điều khiển điện áp phần ứng động .18 (a) Động kích từ độc lập (b) Động kích từ nối Hình 1.5: Giới hạn momen tốc độ điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng từ thông 20 Hình 1.6: Đặc tính động DC thêm điện trở phụ vào phần ứng 20 (a Động kích từ độc lập (b) Động kích từ nối tiếp Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí tốc độ động DC 23 Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng vi xử lý 24 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc khâu điều khiển tỉ lệ P. 26 Hình 2.4: Đồ thị đặc tính khâu điều khiển I 27 Hình 2.5 : Đồ thị đặc tính khâu điều khiển D 28 Hình 2.6:Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID28 Hình 2.7: Đồ thi đặc tính điều khiển PID 29 Hình 2.8: Đờng đặc tuyến tốc độ động 31 Hình 3.1 Sơ đồ khối cảm biến 34 Hình 3.2: : Biểu đồ xung encoder tăng dần.36 Hình 3.3: Encoder tăng dần đo lờng dịch vị thẳng 37 Hình 3.4: Encoder tuyệt đối bit. 38 Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 11 Hình : 4.1 Sơ đồ khối mô tả toán học động điện chiều kích từ độc lập 39 Hình: 4.2 Sơ đồ khối động điện chiều kích từ định mức.40 Hình: 4.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID số 42 Hình 4.4: Sơ đồ khối hệ thống biểu diễn hệ thống số .43 Hình 4.5: Biến đổi sơ đồ khối hệ thống dùng lý thuyết điều khiển tự động .44 Hình 4.6: Sơ đồ cấu trúc mô mạch vòng tốc độ động DC Simulik .48 Hình 4.7: Đồ thị đáp ứng tốc độ Kp=1, KI=0, KD= .49 Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng tốc độ Kp=0, KI=1, KD= 0. 49 Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng tốc độ Kp=0, KI=0, KD= .50 Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng tốc độ Kp=0.5, KI=0.2, KD= 0.350 Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc mô mạch vòng vị trí động DC Simulik 51 Hình 4.12: Đồ thị đáp ứng vị trí Kp=1, KI=0, KD= 051 Hình 4.13: Đồ thị đáp ứng vị trí Kp=0, KI=1, KD= .52 Hình 4.14: Đồ thị đáp ứng vị trí Kp=0, KI=0, KD= 52 Hình 4.15: Đồ thị đáp ứng vị trí Kp=0.5 ,KI=0.2,KD= 0.3 53 Hình 5.1: Mạch động lực .54 Hình 5.2: Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega8 57 Hình 5.3: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển Atmega8. 57 Hình 5.4:Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển dùng vi xử lý Atmega858 Hình 5.5: Biểu đồ xung PWM..60 Hình 5.6: Lu đồ thuật toán điều khiển vị trí, tốc độ PID rời rạc.64 Hình 5.7: Sơ đồ bó trí thiết bị mô hình .65 Chuyên Nghành Đo Lờng & Các Hệ Thống Điều Khiển Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học 62 //set prescaler=64 , 8Mhz/64 TCCR1B|=(0