Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển số cho máy mài nghiền chi tiết quang CNC MB 250

Một hệ thống điều khiển số thông thường được mô hình hóa theo sơ đồ khối như hình 1.5 bao gồm: - Thiết bị điều khiển số TBĐKsố: máy tính điều khiển hệ thống qua các phần mềm xử lý tín h

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGUYỄN VĂN VÕ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN

SỐ CHO MÁY MÀI NGHIỀN CHI TIẾT QUANG

CMC MB-250

Chuyên ngành : Điều khiển và tự động hoá

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS NGUYỄN TRỌNG HÙNG

Trang 2

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan i

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 1

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 2

1.1 Sơ lược về máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250 2

1.1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.2 Yêu cầu bài toán đặt ra 4

1.1.3 Xuất xứ của luận văn 5

1.2 Khái niệm chung về hệ thống điều khiển tự động 5

1.2.1 Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển 5

1.2.2 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản 7

1.2.3 Nhiệm vụ phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển 8

1.3 Hệ thống điều khiển số 10

1.4 Phân loại hệ điều khiển trong máy gia công CNC 11

1.4.1 Hệ điều khiển hở 11

1.4.2 Hệ thống điều khiển kín 13

1.5 Chức năng của từng cụm điều khiển 16

1.5.1 Số liệu vào (Data Input) 16

1.5.2 Xử lý số liệu (Data Processing) 16

1.5.3 Số liệu ra (Data Output) 17

1.5.4 Ghép nối vào/ra (Machine I/O Interface) 17

Chương 2 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ QUAY HAI TRỤC CHO MÁY CNC-MB 250 18

2.1 Xây dựng sơ đồ hệ thống điều khiển số tốc độ quay hai trục 18

Trang 3

2.1.1 Xây dựng bài toán 18

2.1.2 Sơ đồ khối điều khiển 1 trục động cơ 19

2.2 Nguyên lý chung điều khiển động cơ servo một chiều 19

2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ theo phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng PWM 20

2.2.2 Phương pháp ổn định tốc độ truyền động điện 20

2.3 Điều khiển động cơ DC Servo một chiều bằng thuật toán PID 24

2.4 Thuật toán PID 25

2.4.1 Luật điều khiển Tỷ lệ (P) 25

2.4.2 Luật điều khiển Tích phân (I) 26

2.4.3 Luật điều khiển vi phân (D) 26

2.4.4 Bộ điều khiển Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân (PID) 26

2.5 Thuật toán điều khiển số 27

2.5.1 Thuật toán số hoá phương trình toán học 27

2.5.2 Thuật toán xử lý PID trên Chip 29

2.6 Vi điều khiển PIC 30

2.6.1 Vi điều khiển PIC 18F4550,16F877A 30

2.6.2 Chuẩn I2C trong chíp PIC 31

2.6.3 Chế độ giao tiếp USB trong chíp PIC 18F4550 32

2.6.4 Giới thiệu cơ bản về giao tiếp USB 34

2.7 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ hai trục quay 36

2.7.1 Sơ đồ khối 36

2.7.2 Chức năng của các khối điều khiển 37

2.8 Các thiết bị đo lường 38

2.8.1 Cảm biến tốc độ 38

2.8.2 Cảm biến dòng điện………… ……… ……… 42

2.9 Bộ điều khiển PID 42

2.9.1 Vòng tốc độ 42

2.9.2 Vòng dòng điện 45

2.9.3 Vấn đề 2 vòng điều khiển 46

2.9.4 Xử lý vấn đề 47

Chương 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ 48

3.1 Hệ thống điều khiển cho máy mài nghiền chi tiết quang CNC MB250 48

Trang 4

3.1.1 Khối nguồn 48

3.1.2 Mạch module Master 48

3.1.3 Mạch module slave 50

3.2 Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển 52

3.2.1 Giải thuật cho master module 52

3.2.2 Giải thuật cho Slave Module: 54

3.3 Giao diện với máy tính 55

3.3.1 Giao diện điều khiển hệ thống 55

3.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm giao diện cho máy CNC-MB 250 55

Chương 4 KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC 57

4.1 Hệ thống điều khiển số cho máy CNC-MB 250 trong thực tế 57

4.2 Xây dựng đường đặc tính thực nghiệm đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển 58

4.2.1 Phương pháp xây dựng 58

4.2.2 Các đường đặc tính thực nghiệm 59

4.3 Đánh giá kết quả và đề xuất hướng nghiên cứu 63

KẾT LUẬN 64

Trang 5

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250………2

Hình 1.2 Cơ cấu khâu của máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250 3

Hình 1.3 Cơ cấu khâu trên của máy mài nghiền chi tiết quang MB-250………… 3

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển……… ……….6

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số……… …… 10

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hở……… ……11

Hình 1.7 Mạch điều khiển hở của hệ điều khiển vị trí……… …… 12

Hình 1.8 Hệ thống điều khiển kín dùng Resolver……… ….13

Hình 1.9 Hệ thống điều khiển kín dùng Encoder……….14

Hình 1.10 Sơ đồ khối hệ điều khiển kín cho hệ điều khiển vị trí……….15

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển chuyển dịch quay……… 19

Hình 2.2 Mạch điều khiển điện áp sử dụng PWM……… 20

Hình 2.3 Nguyên lý động cơ DC servo……… ….21

Hình 2.4 Động cơ Servo trong thực tế……… 22

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý ổn định tốc độ truyền động điện……… ….22

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lí ổn định tốc độ dùng mạch phản hồi âm tốc độ…… …23

Hình 2.7 Sơ đồ biểu diễn phương pháp điều khiển động cơ bằng thuật toán PID……… ….24

Hình 2.8 Bộ điều khiển PID mắc song song……… …….27

Hình 2.9 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi……… ….31

Hình 2.10 Sơ đồ chân của chip PIC 18F4550……… 32

Hình 2.11 Sơ đồ chân tín hiệu của cổng USB sử dụng……… 33

Hình 2.12 Cable USB……… …34

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của máy nghiền CNC MB 250……… 37

Hình 2.14 Encoder kiểu quay……… ………37

Hình 2.15 Các thành phần cơ bản của Encoder………39

Hình 2.16 Đĩa Encoder quay- tuyệt đối dùng mã nhị phân……… 40

Hình 2.17 Nguyên lý IC ACS712……… …42

Hình 2.18 Rời rạc hóa tốc độ đồ thị rời……… …43

Hình 2.19 Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện……… 45

Trang 6

Danh mục hình vẽ

Hình 2.20 Rời rạc hóa đồ thị tốc độ ……… ….46

Hình 3.1 Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển Maste……… …49

Hình 3.2 Mạch module master……….50

Hình 3.3 Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển Slaver……… 51

Hình 3.4 Module Slaver……… 52

Hình 3.5 Sơ đồ giải thuật cho Master Module……….53

Hình 3.6 Sơ đồ giải thuật cho Slave Module……… 54

Hình 3.7 Giao diện kết nối máy tính của mạch Master thông qua cổng USB…….55

Hình 4.1 Tổng quan bộ điều khiển 1 Master – 2 Slaver……… 57

Hình 4.2 Tích hợp Master, Slave, Mạch công suất và mạch nguồn của hệ thống với máy tính……… …58

Hình 4.3 Đường đặc tính thực nghiệm điều khiển tốc độ với v=500v/ph…… …60

Hình 4.4 Trường hợp động cơ chạy không tải 2 vòng điều khiển ở vùng tốc độ v=500v/ph……… ……… 60

Hình 4.5 Đường đặc tính thực nghiệm điều khiển tốc độ với v = 800v/ph trong trường hợp 1 vòng điều khiển, dỡ tải……… 61

Hình 4.6 Đường đặc tính thực nghiệm điều khiển tốc độ với v = 800v/ph trong trường hợp 2 vòng điều khiển, dỡ tải……… … 61

Hình 4.7 Đường đặc tính thực nghiệm điều khiển tốc độ với v = 800v/ph trong trường hợp 1 vòng điều khiển, tăng tải……….62

Hình 4.8 Đường đặc tính thực nghiệm điều khiển tốc độ với v = 800v/ph trong trường hợp 2 vòng điều khiển, tăng tải………62

Trang 7

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay ở nước ta, các chi tiết và dụng cụ quang học ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân và quốc phòng

Công nghệ gia công chi tiết quang, trong các nguyên công gia công tinh, mài nghiền vẫn được coi là phương pháp có hiệu quả nhất cho phép đạt độ chính xác gia công cao trong khi thiết bị công nghệ ở trình độ thấp hơn

Vấn đề Tự động hoá trong các nhà máy nói chung và trong công nghệ gia công chi tiết quang nói riêng đang trở lên hết sức cấp thiết, đòi hỏi chúng ta phải đầu tư nhiều thời gian, công sức để nghiên cứu, thiết kế và chế tạo

Trong phạm vi bản luận văn này, em đi thiết kế, chế tạo bộ điều khiển số cho máy nghiền chi tiết quang trên máy CNC-MB 250 Trong đó, em đi sâu xây dựng

và hoàn thiện thuật toán điều khiển 2 mạch vòng dùng cho động cơ DC servo Ngoài ra, em cũng tiến hành lắp ráp, chạy thử máy và đánh giá kết quả so với kết quả nghiên cứu trước, vốn là báo cáo của đề tài khoa học B2008-01-188

Để có được kết quả trong luận văn này, em đã đi tìm hiểu những lý thuyết cơ bản, tiến hành nghiên cứu những lĩnh vực liên quan đến nội dung của luận văn và triển khai ứng dụng nó

Qua đây em xin gửi lời cám ơn tới hai thầy giáo hướng dẫn là thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Trọng Hùng và thầy giáo PGS.TS.Tạ Cao Minh đã tạo điều kiện

và giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu để em có thể hoàn thành tốt bản luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội ngày 25 tháng 09 năm 2011

Học viên thực hiện

Trang 8

Chương 1 Tổng quan về hệ thống

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Sơ lược về máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250

1.1.1 Giới thiệu chung

Máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250 là mô hình mài nghiền công nghiệp trong một dây chuyền máy mài nghiền Thông thường, môt dây chuyền máy

có khoảng 6-8 máy làm việc độc lập Mô hình này hiện đang được đặt tại phòng 105-nhà C4-5 trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.1 Máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250

Máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250 có sơ đồ như hình vẽ dưới: Hoạt động của máy như sau: tay quay 1 quay với vận tốc góc ω1, được dẫn động bằng một động cơ số 1 nhằm tạo ra chuyển động lắc của cần lắc 3 với vận tốc

Trang 9

lắc ω3 Đĩa gá 4 mang chi tiết gia công lắc theo cần lắc 3 Đĩa nghiền 5 quay với vận tốc góc ω5 nhờ được dẫn động bằng một động cơ số 2 Khi gia công, chi tiết được gắn trên đĩa gá 4 và hai động cơ 1 và 2 truyền chuyển động quay tới các trục công tác để tạo gia chuyển động quay ω1 và ω5

Hình 1.2 Cơ cấu khâu của máy mài nghiền chi tiết quang CNC-MB 250

Hình 1.3 Cơ cấu khâu trên của máy mài nghiền chi tiết quang MB-250

Trang 10

Từ các kết quả nghiên cứu ta thấy rằng, quá trình gia công chi tiết quang khi mài nghiền phụ thuộc vào chương trình động học Để điều chỉnh chương trình động học gia công, cần điều chỉnh các thông số hình học và động học máy

Ngoài ra, từ các kết quả mô phỏng chương trình động học và kết quả điều chỉnh tốc độ quay của các trục tay quay và trục công tác cho ta thấy yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình động học của máy mài nghiền chi tiết quang đó là :

- Vận tốc đáp ứng của các động cơ dẫn động khi có tải trọng thay đổi

- Hệ số tỷ số truyền vận tốc của trục tay quay và trục công tác kl=ω1/ω5

1.1.2 Yêu cầu bài toán đặt ra

Các thông số chính của máy:

- Tên máy : CNC-MB 250

- Kích thước mài lớn nhất của đĩa mài: 250mm

- Vật liệu mài có thể gia công: mặt thuỷ tinh

- Kích thước máy: 640 x 800 x 1500

- Máy có 1 bloc gia công, gồm 1 trục công tác và 1 trục tay quay

- Các thông số hình học của cơ cấu khâu trên:

+ Chiều dài khâu nối giá: l0 = 330 mm;

+ Chiều dài tay quay lớn nhất: l 1max = 50 mm;

+ Chiều dài thanh truyền: l2 = 160 mm;

+ Chiều dài cần lắc: l 3 = 300 mm;

+ Chiều dài lớn nhất của giá tốc: l 4max = 300 mm;

+ Bán kính lớn nhất của đĩa gá chi tiết: rmax = 100 mm;

+ Bán kính lớn nhất của đĩa nghiền: R max = 125 mm;

Trang 11

+ Hệ thống mở cửa quan sát được dẫn động bởi 1 đông cơ 1 chiều, công suất nhỏ, tốc độ chậm , mô men lớn;

+ Hệ thống khí nén để tạo áp lực trong quá trình gia công;

+ Hệ thống bơm dung dịch được sử dụng trong quá trình gia công chi tiết;

- Khi nghiền tinh bằng hạt mài M14÷M10 độ nhám Rz = (0,63 ÷ 0,32) µm, còn khi nghiền tinh bằng hạt mài M5 độ nhám Rz = (0,050 ÷ 0,025) µm

- Độ chính xác hình dạng bề mặt mài nghiền có thể đạt tới: 0,07 ÷ 0,06

µm

Yêu cầu của bài toán:

- Ổn định được tốc độ của 2 trục công tác và tay quay một cách độc lập;

- Có thể điều chỉnh tốc độ, mô men đó trong quá trình gia công( trong các nguyên công khác nhau, chất liệu khác nhau );

1.1.3 Xuất xứ của luận văn

Trong đề tài khoa học B2008-01-188 tôi đã nghiên cứu bộ điều khiển số điều khiển máy Tuy nhiên, bộ điều khiển đó vẫn còn nhiều hạn chế như: chất lượng điều khiển chưa cao do bộ điều khiển chỉ xử lý 1 vòng điều khiển, giao diện giao tiếp người-máy còn nhiều hạn chế Bản luận văn này là sự nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện cho những kết quả trước đó

Do đó, những vấn đề đặt ra cho luận văn này:

- Thiết kế bổ sung cho hệ thống điều khiển, mạch sử dụng 2 vòng điều khiển để nâng cao chất lượng hệ thống

- Xử lý về vấn đề giao tiếp

1.2 Khái niệm chung về hệ thống điều khiển tự động

1.2.1 Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển

Bất cứ một hoạt động công nghệ nào đều bao gồm các tác động và được chia thành ba khối chức năng khác nhau bao gồm:

Trang 12

- Chức năng điều khiển: là tập hợp tất cả các tác động mang tính quy luật, nhằm đạt được mục đích mong muốn cho toàn bộ quá trình công nghệ

Một hoạt động công nghệ bao gồm sự kết hợp của các tác động với các chức năng khác nhau: Chức năng công nghệ, chức năng đo lường-kiểm tra và chức năng điều khiển, trong đó chức năng công nghệ là quan trọng nhất Tuy nhiên, nếu thiếu một trong hai chức năng còn lại thì hoạt động công nghệ sẽ khó đạt được độ linh hoạt và tối ưu

Khi con người không đủ khả năng trực tiếp điều khiển các hoạt động công nghệ đòi hỏi độ chính xác cao và tốc độ xử lý cao, thì người ta đưa vào các chức năng thay thế quá trình vận hành của con người và gọi đó là một quá trình tự động Ban đầu việc tự động hóa diễn ra bằng các thiết bị đo lường, rồi đến các bộ điều khiển tự động và sau đó là hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển nói chung bao gồm hai thành phần cơ bản: đối tượng

điều khiển (ĐTĐK) và bộ điều khiển (BĐK)

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Đối tượng điều khiển có thể là thiết bị công nghệ hoặc quy trình công nghệ bắt buộc phải hoạt động theo đúng mục đích nhất định của một hoạt động công

nghệ nào đó dưới sự tác động của tác nhân điều khiển U được phát ra từ thiết bị điều khiển Đại lượng y biểu thị kết quả hoạt động của đối tượng điều khiển dưới sự tác động của U và được gọi là đại lượng cần điều khiển Đại lượng z là sự tác động

Trang 13

Một hệ thống điều khiển không có sự tham gia trực tiếp của con người được gọi là hệ thống điều khiển tự động

Trong hệ thống điều khiển tự động, con người chỉ có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu

chủ đạo U tác động lên thiết bị điều khiển BĐK sẽ điều khiển ĐTĐK hoạt động theo đúng mục đích, mà nó được tạo ra Như vậy hệ thống ĐKTĐ bao gồm hai thành phần cơ bản là BĐK và TBĐK

1.2.2 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản

Nguyên tắc điều khiển thể hiện đặc điểm lượng thông tin và phương thức hình thành tác động điều khiển trong hệ thống Dấu hiệu đặc trưng của nguyên tắc điều khiển là lượng thông tin cần thiết để tạo nên tác động điều khiển và cấu trúc của các mạch truyền tác động vào điều khiển Nói cách khác, nguyên tắc điều khiển gắn liền với phương thức thu thập, xử lý và sử dụng thông tin trong một thể thống nhất

Để điều khiển đối tượng theo một quá trình nào đó, người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển cơ bản:

- Nguyên tắc giữ ổn định;

- Nguyên tắc tự thích nghi;

Trang 14

1.2.3 Nhiệm vụ phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển

a Phân tích hệ thống hệ thống điều khiển

Nhiệm vụ này nhằm xác định đặc tính của tín hiệu ra của hệ thống, sau đó đem so sánh với những chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng, điều khiển của hệ thống đó Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phương pháp

trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết hai vấn đề cơ bản là:

Các bước để giải quyết bài toán ổn định là:

- Lập mô hình toán của từng phần tử trong hệ thống (phương trình vi phân hoặc hàm truyền đạt)

- Tìm phương pháp liên kết các mô hình toán lại với nhau thành mô hình toán của cả hệ thống

- Xét ổn định của hệ thống dựa vào lý thuyết ổn định

Tuy nhiên việc lập mô hình toán của các phần và của toàn hệ thống trong thực tế rất khó khăn, nên ta dùng phương pháp xét ổn định theo đặc tính thực nghiệm (Đặc tính tần số hoặc đặc tính thời gian)

Giải quyết nhiệm vụ phân tích chất lượng quá trình điều khiển cũng có hai phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp, thông qua mô hình toán hoặc đặc tính động học thực nghiệm Giải quyết vấn đề này thường là giải hệ thống phương trình vi

Trang 15

phân, vi tích phân v.v… Ngoài ra, trong lý thuyết điều khiển tự động, khi phân tích quá trình quá độ người ta còn dùng máy tính tương tự và máy tính số

b Thiết kế hệ thống điều khiển tự động

Thiết kế hệ thống điều khiển tự động hay còn gọi là tổng hợp hệ thống là vấn

đề xác định thông số và cấu trúc của thiết bị điều khiển Trong quá trình tổng hợp thường kèm theo bài toán phân tích Đối với các hệ thống điều khiển tối ưu và tự thích nghi, nhiệm vụ tổng hợp thiết bị điều khiển giữ vai trò rất quan trọng Trong các hệ thống đó, muốn tổng hợp được hệ thống ta phải xác định luật điều khiển

U(t) Hệ thống điều khiển có yêu cầu chất lượng cao thì việc tổng hợp càng trở nên

phức tạp Trong nhiều trường hợp ta cần đơn giản hoá một số yêu cầu và tìm phương pháp tổng hợp thích hợp để thực hiện

Để thiết kề một hệ thống điều khiển tự động, ta cần tiến hành theo các bước sau đây:

- Xuất phát từ mục tiêu điều khiển, yêu cầu về chất lượng điều khiển, đặc điểm của đối tượng được điều khiển ta xác định mô hình đối tượng được điều khiển

- Từ mô hình, mục tiêu điều khiển, yêu cầu chất lượng điều khiển, các nguyên lý điều khiển chung đã biết, khả năng các thiết bị điều khiển có thể sử dụng được hoặc chế tạo được, ta chọn một nguyên tắc điều khiển cụ thể Từ đó chọn lựa các thiết bị cụ thể để thực hiện nguyên tắc điều khiển đã đề ra

- Trên cơ sở nguyên lý điều khiển, thiết bị được chọn, kiểm tra về lý thuyết hiệu quả điều khiển trên các mặt về khả năng đáp ứng mục tiêu, chất lượng, giá thành, điều kiện sử dụng, hiệu quả v.v… Từ đó, hiệu chỉnh phương án chọn thiết bị, chọn nguyên tắc điều khiển khác hoặc hoàn thiện lại mô hình

- Nếu phương án đã chọn đạt yêu cầu ta chuyển sang bước chế tạo lắp ráp thiết bị từng phần Sau đó, tiến hành kiểm tra, thí nghiệm thiết bị từng phần và hiệu chỉnh các sai sót

Trang 16

- Chế tạo, lắp ráp thiết bị toàn bộ Sau đó kiểm tra, thí nghệm thiết bị toàn

bộ Hiệu chỉnh và nghiệm thu toàn bộ hệ thống điều khiển

1.3 Hệ thống điều khiển số

Hệ thống điều khiển số là hệ thống mà trong đó có ít nhất một tín hiệu được truyền dưới dạng số hóa (xung, số,…)

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số

Một hệ thống điều khiển số thông thường được mô hình hóa theo sơ đồ khối như hình 1.5 bao gồm:

- Thiết bị điều khiển số (TBĐKsố): máy tính điều khiển hệ thống qua các

phần mềm xử lý tín hiệu; vi điều khiển tính toán xử lý tín hiệu theo chương trình

được nạp vào trong Chip điều khiển và được gọi là phần cứng của hệ thống điều

khiển

- Đối tượng điều khiển (ĐTĐK): là các đối tượng tác động mà hệ thống điều

khiển hướng tới

- Các bộ chuyển đổi tín hiệu Số - Tương tự (D/A) và ngược lại Tương tự - Số

(A/D)

Ưu điểm của các hệ thống điều khiển số là có khả năng điều khiển chính xác, tốc độ đáp ứng - phản hồi nhanh, độ ổn định và năng suất cao Do đó, điều khiển số ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của khoa học - công nghệ Riêng trong lĩnh vực cơ khí, thì điều khiển số được đưa vào điều khiển quá trình hoạt động của các máy công cụ, máy gia công và được gọi là máy điều khiển số

CNC (Computer Numercial Control)

Trang 17

1.4 Phân loại hệ điều khiển trong máy gia công CNC

Để thực hiện chuyển động bàn máy, máy gia công CNC cần có các hệ dẫn

động, mà nó có khả năng điều chỉnh cả tốc độ và vị trí các trục của nó Điều khiển

các trục máy gia công CNC, có thể thực hiện theo hai kiểu điều khiển gồm: điều

khiển kín và điều khiển hở

1.4.1 Hệ điều khiển hở

Hệ điều khiển hở là hệ không có mạch phản hồi và kết quả hoạt động của hệ

thống điều khiển không được kiểm soát Máy NC hoặc CNC dùng hệ điều khiển hở,

ví dụ, như máy gia công theo phương pháp xung điện (EMD) Sơ đồ khối hệ thống

điều khiển hở chỉ ra trên hình 1.6

Chương trình điều khiển máy đưa vào máy thông qua thiết bị truyền tín hiệu

RS-232 hoặc các thiết bị khác Cấu trúc chương trình thuộc hệ CNC chuyển đổi

thành xung điện áp hoặc tín hiệu số và gửi nó đến mạch khuếch đại Sau khi khuếch đại tín hiệu được truyền đến hệ dẫn động động cơ Số xung điện áp được xác định theo tốc độ quay của trục động cơ, hoặc theo tần số xung cấp cho hệ dẫn động

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hở

Trang 18

Nhược điểm cơ bản của hệ thống điều khiển này là hệ thống rất nhạy với sự biến đổi của tải trọng, vì hàm điều khiển không phụ thuộc vào thời gian thực Khi tải thay đổi, tốc độ chuyển động cũng thay đổi theo, hệ điều khiển không có khả năng điều khiển để phù hợp với tải trọng mới Ví dụ, trong quá trình gia công ứng với nhiều chi tiết quang khác nhau, áp lực gia công khác nhau dẫn đến sự thay đổi tốc độ quay và hệ thống điều khiển hở không kiểm soát được sự thay đổi này, nên không hiệu chỉnh được tốc độ cho phù hợp với tốc độ yêu cầu Ngoài ra, hệ điều khiển hở còn chịu ảnh hưởng do sự thay đổi nhiệt độ, bôi trơn và các yếu tố bên ngoài khác Vì vậy, hệ thống điều khiển hở chỉ phù hợp với các máy có công nghệ gia công theo vị trí

Hệ thống điều khiển hở thiết kế và chế tạo dễ dàng, giá thành thấp hơn so với

hệ thống điều khiển kín và thường sử dụng trong các hệ thống điều khiển đòi hỏi độ chính xác vị trí không cao

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo vị trí sử dụng hệ thống điều khiển hở được trình bầy trên hình 1.7

Hình 1.7 Mạch điều khiển hở của hệ điều khiển vị trí

Đây là hệ dẫn động bàn máy bằng động cơ bước, giả thiết rằng bàn máy có

bước cơ sở BCS = 0,01 mm tính theo đơn vị chiều dài Mạch dùng bộ đếm lùi, giá

Trang 19

trị đưa vào bộ đếm bằng giá trị khoảng cách cần dịch chuyển bàn máy Tín hiệu từ

bộ đếm đưa tới mạch giảm tốc và mạch dùng chuyển động bàn máy Tín hiệu ra của

bộ giảm tốc đưa tới bộ phát xung nhằm thay đổi tần số xung khi cần thay đổi tốc độ

có nghĩa là thay đổi tần số xung ra trước điểm dừng Xung ra của bộ phát xung và

tín hiệu dừng chuyển động bàn máy cùng đưa tới phần tử AND Xung ra của phần

tử AND đưa tới bộ đếm và mạch điều khiển động cơ bước

Khi bộ đếm có giá trị bằng 0, mạch dừng chuyển động bàn máy chuyển mức logic từ 1 đến 0 Tín hiệu được đưa tới cổng AND thực hiện dừng cấp xung cho

mạch động cơ bước

1.4.2 Hệ thống điều khiển kín

Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển kín và điều khiển hở là ở chỗ: Trong hệ điều khiển kín có mạch phản hồi, hệ thống phản hồi dùng để đo tốc độ và

vị trí thực tế của trục so với tốc độ và vị trí yêu cầu Sự khác nhau giữa giá trị thực

và giá trị yêu cầu là sai số

Phần tử chuyển đổi của mạch phản hồi thường sử dụng hai kiểu tương tự và

số Trong máy CNC thông số tốc độ chuyển động bàn máy phải được điều khiển bởi

tốc độ trên các trục có thể có quy luật biến thiên giống nhau nhưng cũng có thể quy

luật biến thiên trên các trục khác nhau Techometer (cảm biến tốc độ) là kiểu chuyển đổi tương tự và thường dùng để đo tốc độ truyền động Resolver và Encoder dùng để đo vị trí và đôi khi dùng để đo tốc độ Tín hiệu đưa từ Resolver cho dưới dạng tương tự còn tín hiệu từ Encoder cho tín hiệu số hình 1.8

Hình 1.8 Hệ thống điều khiển kín dùng Resolver

Trang 20

Hệ thống điều khiển kín dùng Resolver đo vị trí và Techometer đo tốc độ chỉ

ra trên hình 1.8 Tín hiệu yêu cầu dưới dạng xung điện áp từ bộ nội suy của hệ điều

khiển CNC đưa tới bộ so sánh Tín hiệu này so sánh với tín hiệu phản hồi sinh ra từ

Resolver chuyển tới thông qua mạch ghép nối (Interface) Tín hiệu đưa ra từ bộ so

sánh là sai số vị trí yêu cầu so với vị trí thực Sai số được khuếch đại và đưa tới bộ

so sánh thứ hai Tín hiệu được so sánh với tín hiệu sinh ra từ Techometer chuyển tới

thông qua mạch ghép nối Tín hiệu đưa ra từ bộ so sánh thứ hai được khuếch đại đến mức đủ lớn trước khi đưa đến động cơ

Trong hệ thống điều khiển kín dùng Encoder để đo vị trí, mạch điều khiển khá giống với sơ đồ khối dùng Resolver, nhưng chỉ khác ở điểm là thay bộ so sánh

bằng bộ đếm tiến – lùi và thay bộ khuếch đại thứ nhất bằng bộ chuyển đổi

(Converter) số tương tự (DAC), nhằm chuyển tín hiệu số sang tín hiệu tương tự như

trên hình 1.9

Hình 1.9 Hệ thống điều khiển kín dùng Encoder

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín chỉ ra trên hình 1-14 Tín hiệu yêu cầu từ

CNC gửi đến bộ đếm tiến – lùi, đồng thời tín hiệu số sinh ra từ Encoder qua ghép

nối cũng đưa tới Bộ đếm tiến – lùi sinh ra một số phù hợp với sai số vị trí tức thời

Tín hiệu ra của bộ đếm được đưa vào đầu vào bộ đếm biến đổi số – tương tự (DAC)

để chuyển tín hiệu số thành tín hiệu điện áp và đưa tới bộ so sánh Bộ so sánh, so

sánh điện áp ra từ DAC với điện áp từ Techometer gửi tới Sau đó tín hiệu được

khuếch đại đủ lớn trước khi đưa tới động cơ

Trang 21

Chiều quay của động cơ là chiều làm giảm dần sai số vị trí và tốc độ sinh ra

từ bộ so sánh Hệ thống điều khiển kín có công suất lớn và độ chính xác cao hơn hệ thống điều khiển hở bởi vì hệ này có khả năng điều khiển liên tục nhờ mạch phản

hồi Hệ thống điều khiển kín có khả năng cho bước tiến nhỏ nhất là 0,0001 inch

Tuy nhiên, hệ thống điều khiển kín có cấu trúc phức tạp, đòi hỏi nhiều thiết bị đo với độ chính xác cao

Vì vậy, giá thành của hệ thống điều khiển kín cao hơn nhiều lần so với hệ

thống điều khiển hở Hình 1.10 chỉ ra sơ đồ khối mạch điều khiển kín dùng Encoder

cho hệ điều khiển vị trí

Hình 1.10 Sơ đồ khối hệ điều khiển kín cho hệ điều khiển vị trí

Tín hiệu vị trí yêu cầu được nạp vào bộ đếm lùi, đồng thời bộ đếm lùi nhận

tín hiệu vị trí tức thời của bàn máy từ Encoder gửi đến Chuyển động của bàn máy

thực hiện theo dung lượng bộ đếm lùi cho đến khi dung lượng của bộ đếm lùi bằng không Mạch giảm tốc đưa ra tín hiệu giảm dần tốc độ trước điểm dừng cho động

cơ Mạch giảm tốc đưa ra tín hiệu giảm dần tốc độ trước điểm dừng cho động cơ

Thành phần cơ bản của máy gia công điều khiển số

Máy gia công điều khiển số có hai thành phần cơ bản: cụm điều khiển máy

(Machine Control Unit - MCU) và cụm truyền động (Driving Unit) Cụm điều khiển

máy được hình thành trên cơ sở thiết bị điều khiển điện tử, thiết bị vào ra và các thiết bị số Hệ thống điều khiển máy điều khiển số còn được gọi là hệ điều khiển số

Trang 22

dây mềm Hệ này được thiết kế theo mục đích riêng, nhiệm vụ của nó hình thành các thuật toán tính toán số học và logic theo trình tự xác định Trình tự đó là cơ sở

để hình thành thuật toán cho hệ thống điều khiển số Các thuật toán này được thực

hiện trên cơ sở phần cứng và phần mềm của MCU Hệ thống điều khiển NC thuật toán được hình thành từ các mạch điện còn trong hệ thống điều khiển CNC thuật

toán đuợc thực hiện nhờ phần mềm máy tính và phần mềm này được lưu trữ trong

1.5 Chức năng của từng cụm điều khiển

Cụm điều khiển số có nhiệm vụ liên kết tất cả chức năng để thực hiện điều khiển máy Các chức năng này bao gồm: vào – ra số liệu, xử lý số liệu và ghép nối máy với các thiết bị ngoại vi

1.5.1 Số liệu vào (Data Input)

Chức năng này bao gồm: chức năng vào và lưu trữ số liệu Đó là số liệu mô

tả đường chuyển động của trục và điều kiện gia công sản phẩm

1.5.2 Xử lý số liệu (Data Processing)

Cấu trúc chương trình điều khiển được đưa vào cụm MCU và được nó mã

hoá thành số nhị phân sau đó được lưu trữ vào bộ nhớ đệm Các số liệu này được bộ

xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) tính toán xác định tốc độ trục

quay của 2 trục, xác định áp lực thực tế của hệ thống khí nén Cũng như các thiết bị

điều khiển cổng (I/O) đảm bảo trình tự truyền tín hiệu giữa máy công cụ, PMC và

hệ thống điều khiển số

Trang 23

1.5.3 Số liệu ra (Data Output)

Số liệu đưa ra của MCU là tín hiệu tốc độ của vòng quay trục Các tín hiệu này gửi đến mạch điều khiển Servo để sinh ra tín hiệu điều khiển động cơ Trong

cụm dẫn động, động cơ luôn có mạch khuếch đại bởi vì tín hiệu trước khi đưa vào cụm dẫn động rất nhỏ không đủ công suất để động cơ làm việc

1.5.4 Ghép nối vào/ra (Machine I/O Interface)

Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào như chiều quay trục, đóng mở hệ thống khí nén, dùng khẩn cấp, dùng chu trình và các tín hiệu khác gửi đến hệ thống điều khiển số

Trang 24

Chương 2 Nghiên cứu hệ thống điều khiển số tốc độ quay hai trục cho máy CNC –MB 250

Chương 2 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ

QUAY HAI TRỤC CHO MÁY CNC-MB 250

2.1 Xây dựng sơ đồ hệ thống điều khiển số tốc độ quay hai trục

2.1.1 Xây dựng bài toán

Encoder của động cơ DC Servo

+ Nghiên cứu và ứng dụng thuật toán điều khiển Tỷ lệ-Tích phân-Vi phân

(PID) để điều khiển đáp ứng tốc độ động cơ theo giá trị vận tốc yêu cầu

+ Áp dụng thuật toán PID cho 2 mạch vòng điều khiển

Trang 25

2.1.2 Sơ đồ khối điều khiển 1 trục động cơ

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số dịch chuyển quay trong máy mài nghiền

chi tiết quang CNC MB-250 được xây dựng như hình 2.1

Để xây dựng hệ thống điều khiển số của máy mài nghiền chi tiết quang, sử

dụng động cơ DC Servo có chổi than ưu việt hơn cả, do công suất và mụmen trung

bình, nguồn cung cấp đơn giản, kích thước nhỏ gọn Thuật toán điều khiển động cơ

được sử dụng là thuật toán PID (Proportion Integral Derivative) tín hiệu dạng số

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển chuyển dịch quay

2.2 Nguyên lý chung điều khiển động cơ servo một chiều

Đối với động cơ DC Servo có nam châm vĩnh cửu, thông thường loại động

cơ này được điều khiển bằng điện áp theo hai phương pháp:

- Đìều khiển bằng hệ chỉnh lưu điều khiển thyristo – động cơ một chiều (Hệ T-Đ)

- Điều khiển bằng hệ thống điều chỉnh xung áp – động cơ một chiều (Hệ XA-Đ)

Trong đồ án này, tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng phương pháp điều chế xung Nguyên nhân em chọn phương án này ở chỗ:

- Phương án dễ thực hiện

Trang 26

- Ngày nay, các dòng chip trên thị trường thường có sẵn bộ băm xung phần cứng từ 8-10 bít Những dòng chip cấp cao như DS PIC có cho phép băm tới 13 bít

- Chi phi, giá thành của phương án rẻ hơn so với phương án 1

- Đáp ứng được yêu cầu trong nghiên cứu

2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ theo phương pháp điều chỉnh điện áp phần

ứng sử dụng PWM

Sơ đồ nguyên lý:

- Thực hiện điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp điều chỉnh điện áp

phần ứng thông qua phương pháp PWM

- Trong thời gian τ thực hiện đóng cắt khóa S

- Khóa S là van bán dẫn do đó ta có thể đóng cắt nó với tần số rất lớn

Hình 2.2 Mạch điều khiển điện áp sử dụng PWM

2.2.2 Phương pháp ổn định tốc độ truyền động điện

Động cơ DC servo vốn là hệ hồi tiếp vòng hở, khi được cấp điện động cơ sẽ quay tùy theo số xung nhận được Mặt khác động cơ DC servo được thiết kế cho

những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với mạch điều khiển Khi động cơ quay vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục điều chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

Động cơ DC servo có 6 phần cơ bản gồm:

Trang 27

Hình 2.3 Nguyên lý động cơ DC servo

Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:

ω Φ

u

I K

Trong đó:

- Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb).

- Iu: Dòng điện phần ứng (A)

Trang 28

Thông thường người ta điều khiển động cơ bằng điện áp phần ứng

Theo công thức (2.4): khi dòng điện phần ứng I u không đổi (tức moment

vận tốc V (thực tế không không hoàn toàn tuyến tính)

Dùng bộ điều chế độ rộng xung PWM để điều chỉnh điện áp V, dẫn tới tốc độ động

cơ sẽ thay đổi "tuyến tính" theo % độ rộng xung.

Hình dạng ngoài của động cơ DC Servo được chỉ dẫn trên hình (2.4)

Hình 2.4 Động cơ Servo trong thực tế Phương pháp ổn định tốc độ nhờ mạch phản hồi tốc độ được trình bầy theo

sơ đồ cấu trúc sau:

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý ổn định tốc độ truyền động điện

Phương trình đặc tính cơ của hệ thống khi có tín hiệu phản hồi tốc độ:

Trang 29

φ φ

ω

.

1 1

1

K K K K K

R M

K K K K

K K U

B u B

B dat

+

− +

K1 < Ktới hạn (nếu lớn hơn hệ sẽ mất ổn định)

Như vậy không thể tạo ra hệ có đặc tính cơ điện lý tưởng

Từ yêu cầu và thực tế chọn phương pháp ổn định tốc độ dùng mạch vòng phản hồi âm tốc độ và phản hồi dương dòng điện

Với phương pháp này tốc độ đáp ứng phụ thuộc vào việc xác định các tham

số Kp, Ti và việc xác định các tham số này lại phụ thuộc vào kinh nghiệm (động cơ một chiều là đối tượng mang nhiều tham số phi tuyến)

Sơ đồ nguyên lỷ ổn định tốc độ sử dụng mạch vòng phản hồi âm tốc độ:

Việc thực hiện mạch vòng điều khiển PID có thể thực hiện bới mạch vòng số

hoặc mạch vòng tương tự Với yêu cầu của bài toán và nhiệm vụ đặt ra, ở đây chọn

phương pháp sử dụng mạch vòng PID tín hiệu dạng số, kết hợp với mạch số sử

dụng cho các thao tác hiển thị tốc độ

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lí ổn định tốc độ dùng mạch phản hồi âm tốc độ

Trang 30

2.3 Điều khiển động cơ DC Servo một chiều bằng thuật toán PID

Trong hệ thống điều khiển động cơ bằng thuật toán PID phương trình điều

khiển có dạng:

( ) [ ( ) ( ) ]

S T

n e n e

K d

.

1 n

e T.

K e(n) K (n)

U

n 0 n i

S - Biến đổi Laplace của tín hiệu đầu vào;

U(n) - Tín hiệu điều chỉnh theo sai số;

e(n) - Sai số tại thời điểm T

Theo phương pháp điều khiển bằng PID hàm mục tiêu của hệ thống điều khiển chính xác vị trí hay tốc độ là đưa tín hiệu điều chỉnh U(n) về giá trị bằng

không

Kết luận:

Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số K P , K i , K d Vì vậy bài toán

điều khiển động cơ trở thành bài toán tìm các giá trị hệ số K hợp lý để hệ có thể

hoạt động ổn định với tiêu chí ổn định theo tốc độ

Phương pháp điều chỉnh tham số của vòng lặp điều khiển PID như sau:

Một phương pháp cổ điển nhưng đơn giản và hiệu quả để chỉnh định ba

thông số K P , K I và K d của bộ điều khiển PID là phương pháp Ziegler-Nichols

(Ziegler Nichols Tuning Method)

Thủ tục chỉnh định như sau:

a Chỉ điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển tỉ lệ K P (đặt K I = K d = 0)

b Tăng K P đến giá trị K C mà ở đó hệ thống bắt đầu mất ổn định (bắt đầu xuất hiện dao động - điểm cực của hàm truyền kín nằm trên trục ảo jω )

Xác định tần số ω của dao động vừa đạt c

Trang 31

Từ hai giá trị K C và ω ta đi xác định các thông số số K c P , K I và K d

c Tinh chỉnh lại ba thông số này để đạt được đáp ứng như mong muốn

Hình 2.7 Sơ đồ biểu diễn phương pháp điều khiển động cơ bằng thuật toán

PID

2.4 Thuật toán PID

2.4.1 Luật điều khiển Tỷ lệ (P)

Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỷ lệ (P) được xác định theo công thức:

Trong đó:

U(t) - Tín hiệu ra (Output);

e(t) - Tín hiệu đầu vào (Setpoint)

Theo tính chất của khâu khuếch đại thì tín hiệu ra luôn trùng pha với tín hiệu vào, điều này cho thấy khâu tỷ lệ có tốc độ tác động nhanh và ổn định có thể tác động trên nhiều đối tượng

Tuy nhiên, quy luật tỷ lệ cũng có một nhược điểm cơ bản đó là khi dùng với các đối tượng tĩnh hệ thống điều chỉnh luôn tồn tại sai lệch tĩnh và không thể dùng trong các hệ thống điều chỉnh theo chương trình Để giảm sai lệch tĩnh ta phải tăng

hệ số khuếch đại nhưng điều này làm hệ thống dao động tăng có thể dẫn đến mất ổn định

Trang 32

2.4.2 Luật điều khiển Tích phân (I)

Trong quy luật tích phân tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức:

T dt t e k t

U

i

) (

1 ) ( )

Trong đó:

T i - Hằng số thời gian tích phân

Từ công thức trên thấy rằng, giá trị U(t) chỉ đạt giá trị xác lập (quá trình điều khiển kết thúc) khi e(t) = 0 Như vậy, ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu

2.4.3 Luật điều khiển vi phân (D)

Tác động điều khiển được xác định theo công thức sau:

dt

t de k dt

t de t t

U( ) = D ( )= D ();

Với quy luật này tín hiệu ra được xác định bằng vi phân của tín hiệu vào nhằm làm tăng tốc độ tác động của quá trình, rút ngắn được thời gian quá độ Nhưng nó lại có độ quá điều chỉnh lớn và phản ứng với nhiễu ở tần số cao

Một điều quan trọng cần chú ý là bộ điều khiển vi phân D không thể dùng

độc lập, vì nó không đáp ứng được sai số ở chế độ xác lập, nó cần được sử dụng với

tổ hợp các dạng điều khiển khác như tỷ lệ và tích phân

2.4.4 Bộ điều khiển Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân (PID)

Người ta thấy rằng, các bộ điều khiển Tỷ lệ - Tích phân, hoặc Tỷ lệ - Vi phân đáp ứng được phần nào yêu cầu chất lượng của một bộ điều khiển, tuy nhiên chúng

có một số nhược điểm Để thỏa mãn yêu cầu chất lượng điều khiển, trong thực tế

Trang 33

người ta thường sử dụng bộ điều khiển Tỷ lệ (P) - Tích phân (I) - Vi phân (D) và gọi là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID tổng hợp các ưu điểm của từng bộ điều khiển thành phần P, I, D

Sau đây ta sẽ nghiên cứu về bộ điều khiển PID mắc song song với nhau theo

sơ đồ sau:

Hình 2.8 Bộ điều khiển PID mắc song song

2.5 Thuật toán điều khiển số

2.5.1 Thuật toán số hoá phương trình toán học

Ta trở lại phương trình toán học của thuật toán PID ở trên, ta có:

( ) de dt t

t e t

K t

) ( ) ( ) (

Rõ ràng, đây là phương trình PID liên tục, tức là ∆t=0 Do đó, sẽ rất khó

để chúng ta xử lý số liệu trong Chip Tuy nhiên, hoàn toàn có thể xử lý nó một cách

xấp xỉ, đó là Chúng ta sẽ xử lý rời rạc chúng trong các khoảng thời gian ∆t =ε >0

Việc xử lý như vậy giúp việc số hoá phương trình (2.5) ở trên

Do đó, chúng ta sẽ xét trong khoảng thời gian 0, ∆t, 2 ,…, k … Trong

đó, là khoảng thời gian lấy mẫu Giả sử thời gian tính toán là rất nhỏ so với

t

và đáp ứng của động cơ là đủ nhanh với tín hiệu điều khiển, thì việc điều khiển

động cơ được xử lý trong các khoảng thời gian (t; t+∆t ) bất kỳ

Trang 34

Xét trong khoảng (t; t+∆t ) nào đó trong quá trình lấy mẫu Giả sử rằng, sai

số tốc độ lúc đó lần lượt là e(i) tại thời điểm t và tại thời điểm e(t+ ) là e(i+1)

Khi đó, ta xét các thành phần trong biểu thức (2.5)

t

∆

*Thành phần tỷ lệ:

Rõ ràng thành phần tỷ lệ này không phụ thuộc vào quá trình lấy mẫu, mà chỉ

phụ thuộc vào sai số của hệ thống Nếu ta đặt e(t) là sai số của hệ thống đo được tại thời điểm t thì:

Kd

) ( (2.8)

Từ phương trình vi phân, sử dụng phương pháp sai phân bậc một để xấp xỉ phương trình (2.8) trên, ta có:

de(t)= e(t+∆t)- e(t)=e(i+1)- e(i) (2.9)

e

Kd ∆

− + 1 ) ( ) ( = . 1 .(e(i 1 ) e(i))

t

Kd + −

∆

Trang 35

Ki*. *d = i. d (2.13)

Công thức này giúp ta có định hướng hơn trong việc chọn các hệ số K p ; K i ;

K d trong phương pháp thực nghiệm

Như vậy, chúng ta đã hoàn toàn chuyển được từ công thức (2.5) sang công thức (2.12) Đó là một phương pháp số hoá mà chúng ta cần dùng cho các chương sau trong quá trình tính toán

2.5.2 Thuật toán xử lý PID trên Chip

Bài toán đặt ra của chúng ta là điều khiển tốc độ động cơ Servo có phản hồi

Encoder Từ phản hồi Encoder, chúng ta có được số xung của nó và từ thời gian lấy

mẫu ta suy ra tốc độ trung bình của động cơ trong thời gian lấy mẫu này Từ đó suy

ra sai lệch e(i) tại thời điểm lấy mẫu i Nói tóm lại chúng ta hoàn toàn xác định được e(i) tại các thời điểm lấy mẫu

Ta ký hiệu :

* E_sum(i): Là tổng các sai lệch từ thời điểm bắt đầu cho tới thời điểm lấy mẫu thứ i

E_sum(i) =∑e (i)

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	1,81 MB