Đồ án học phần 1: Điều khiển tốc độ động cơ DC trên cơ sở phần mềm Labview

LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình chuyên nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa, là một môi trường lập trình cho phép tạo ra các chương trình sử dụng kí hiệu đồ họa giúp tạo lên những giao diện chương trình chuyên nghiệp. Nó chứa đựng rất nhiều khả năng, sức mạnh khi phát triển và thực thi các ứng dụng tự động hóa: đo lường, thu thập, phân tích, xử lí dữ liệu... Thế giới thiết bị ảo của labVIEW rất gần gũi và liên kết chặt chẽ với thế giới điều khiển tự động thực.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN VĂN TRINH Sinh viên thực hiện: Lớp : ĐHĐT3A MSSV : 07703181 Khoá 2007-2011 : NGUYỄN TIẾN GVHD: Th.s Trần văn Trinh TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010 SVTH : NGUYỄN TIẾN BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN VĂN TRINH Sinh viên thực hiện: Lớp NGUYỄN TIẾN : ĐHĐT3A MSSV : 07703181 Khoá 2007-2011 : TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010 GVHD: Th.s Trần văn Trinh LỜI MỞ ĐẦU Trong trình cơng nhgiệp hóa- đại hóa đất nước Tự động hóa yếu tố khơng thể thiếu cơng nghiệp đại Nói đến tự động hóa máy tính cơng cụ hỗ trợ đắc lực thiếu nhiều lĩnh vực, đặc biệt đo lường điều khiển Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường điều khiển đem lại nhiều kết đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường điều khiển ghép nối với máy tính có độ xác cao, thời gian thu thập liệu ngắn Nhưng điều đáng quan tâm mức độ tự động hóa việc thu thập xử lý kết đo, kể việc lập bảng thống kê, đồ họa, in kết Để đo lường điều khiển hệ thống ngồi thiết bị ghép nối với máy tính, cịn có Smột chương trình nạp vào máy tính để xử lý điều khiển trình hoạt động hệ thống Việc ứng dụng máy tính vào hệ thống truyền động điều khiển tốc độ, vị trí ngày phổ biến Ví dụ dây truyền lắp ráp sản phẩm kỹ thuật cao, việc gia cơng sản phẩm có hình dạng, kích thước vẽ trước máy tính, cấu truyền động cho tay máy, người máy, cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại quay anten, kính viễn vọng, hệ thống bám, tùy động,… LabVIEW ngơn ngữ lập trình chun nghiệp lĩnh vực tự động hóa, mơi trường lập trình cho phép tạo chương trình sử dụng kí hiệu đồ họa giúp tạo lên giao diện chương trình chun nghiệp Nó chứa đựng nhiều khả năng, sức mạnh phát triển thực thi ứng dụng tự động hóa: đo lường, thu thập, phân tích, xử lí liệu Thế giới thiết bị ảo labVIEW gần gũi liên kết chặt chẽ với giới điều khiển tự động thực SVTH : NGUYỄN TIẾN GVHD: Th.s Trần văn Trinh LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài trước tiên em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệuTrường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM, thầy cô Ban giám hiệu Khoa Điện thầy cô môn tạo điều kiện cho em học tập truyền thụ nhiều kiến thức cho em làm tảng học vấn Sau em vơ cảm ơn thầyTrần Văn Trinh người thầy trực tiếp định hướng hướng dẫn em nghiên cứu lĩnh vực rộng, với khối lượng công việc lớn đốivới em Tất bạn bè giúp đỡ động viên suốt trình làm đồ án Do kinh nghiệm trình độ cịn hạn chế,phần thể trình bày cịn nhiều khiếm khuyết Kính mong q Thầy bỏ qua Sinh viên thực Nguyễn Tiến SVTH : NGUYỄN TIẾN GVHD: Th.s Trần văn Trinh NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) SVTH : NGUYỄN TIẾN GVHD: Th.s Trần văn Trinh NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) SVTH : NGUYỄN TIẾN GVHD: Th.s Trần văn Trinh MỤC LỤC Lời mở đầu: Trang Chương 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo máy điện chiều 1.1.1 Cấu tạo 1.1.2 Nguyên lý làm việc dộng điện chiều 1.2 Điều khiển động DC .1 1.2.1Khái niệm chung 1.2.2 Phân loại động điện chiều 1.2.3 Các phương trình máy điện chiều 1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động DC .7 1.3.1 Điều khiển điện áp phần ứng 1.3.2 Điều khiển từ thông 1.3.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng từ tong kích từ .8 1.3.4 Điều khiển điện trở phần ứng Chương 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 11 2.1 Điều khiển PID liên tục 11 2.2 Dạng rời rạc điều khiển PID 12 2.2.1 Sự hiệu chỉnh thực tế điều khiển .13 2.2.2 Kỹ thuật antiwindup tích phân 16 2.2.3 Chức cụ thể thành phần PID 16 Chương 3: LẬP TRÌNH TRONG MÔI TRƯỜNG LABVIEW 22 3.1 Khái quát chung phần mềm labview 22 3.1.1 Giới thiệu 22 3.1.2 Thiết bị ảo (VI- Vitual Instrument) .22 3.1.3 Front Panel 22 3.1.4 Block Diagram 22 3.2 Kỹ thuật lập trình labview 23 SVTH : NGUYỄN TIẾN GVHD: Th.s Trần văn Trinh 3.2.1 Khởi động chương trình 23 3.2.2 Các cơng cụ hỗ trợ lập trình 24 Chương 4: GIỚI THIỆU VỀ CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH 24 4.1 Thơng số kỹ thuật 26 4.2 Cách sử dụng 30 Chương 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 31 5.1 Phương án thiết kế 31 5.1.1 Yêu cầu thiết kế 31 5.1.2 Thiết kế 31 5.1.3 Động DC sử dụng cho mạch phần cứng 31 5.1.4 Phương pháp điều khiển .32 5.2 Sơ đồ mạch phần cứng .33 5.2.1 Công dụng linh kiện mạch 34 5.2.2 Nguyên lý hoạt động mạch .36 5.3 Giao diện điều khiển máy tính 35 5.3.1 Front Panel Block diagram chương trình 35 5.3.2 Các khối lập trình thơng dụng .35 5.4 Code điều khiển dựa vào giải thuật 38 5.4.1 Yêu cầu đặt .38 5.4.2 Giải vấn đề 39 5.5 Giao diện điều khiển máy tính 42 5.6 Kết đạt 45 KẾT LUẬN PHỤ LỤC DANH MỤC TÀI LIỆU TAM KHẢO SVTH : NGUYỄN TIẾN ` GVHD: Th.s Trần văn Trinh CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo Cấu tạo động điện gồm stator, rotor hệ thống chổi than – vành góp Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích ) gồm bối dây đặt rãnh lõi sắt1 Số lượng cực từ phụ thuộc tốc độ quay Đối với động cơng suất nhỏ người ta kích từ nam châm vĩnh cửu Rotor (còn gọi phần ứng) gồm thép kỹ thuật điện ghép lại rãnh để đặt phần tử dây quấn phấn ứng Điện áp chiều đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp Kết cấu giá đỡ chổi than có khả điều chỉnh áp lực tiếp xúc tự động trì áp lực tùy theo độ mòn chổi than Chức chổi than – vành góp để đưa điện áp chiều vào cuộn dây phần ứng đổi dòng điện cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương nửa có cực tính âm) 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp kích từ Uk dây quấn kích từ xuất dịng kích từ ik mạch từ máy có từ thơng Tiếp đặt giá trị điệ áp U lên mạch phần ứng dây quấn phấn ứng có dịng điện I chạy qua Tương tác địng điện phần ứng từ thơng kích thích tạo thành mômen điện từ Giá trị mômen điện từ tính sau: Trong p: số đơi cặp cực động n: số đẫn phần ứng cực từ a: số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng k: hệ số kết cấu máy Và mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục 1.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 1.2.1 Khái niệm chung SVTH : NGUYỄN TIẾN GVHD: Th.s Trần văn Trinh  Các kí hiệu tốn học: Functions/Express/Arithmetic & Comparsion/Numeric  Các toán tử so sánh: Functions/Express/Arithmetic & Comparsion/Numeric  Khối PID: control design & Simulation / PID SVTH : NGUYỄN TIẾN 37 GVHD: Th.s Trần văn Trinh  Khối biểu diễn đồ thị: Controls /Grap Indicators  Các hàm: Functions/ Programming/Structures SVTH : NGUYỄN TIẾN 38 GVHD: Th.s Trần văn Trinh  Các biến: Controls/Numeric controls Định dạng kiểu liệu cho biến: Nhấp phải chuột vào biến numeric control/Representation/chọn kiểu liệu 5.4 CODE ĐIỀU KHIỂN DỰA VÀO GIẢI THUẬT Dựa vào card giao tiếp mạch công suất để điều khiển động trình bày phần trên, ta thiết kế code (Block Diagram) hình bên 5.4.1 Yêu cầu đặt a Tạo nút nhấn điều khiển để điều khiển động cơ: quay/dừng, quay thuận/nghịch b Dùng hàm cơng thức tốn học để tìm vận tốc động dựa xung vào encoder chu kỳ lấy mẫu SVTH : NGUYỄN TIẾN 39 GVHD: Th.s Trần văn Trinh c Để xác lập tốc độ động mong muốn, dựa vào vận tốc thực vận tốc đặt động qua khâu hiệu chỉnh PID độ rộng xung mong muốn 5.4.2 Giải vấn đề 5.4.2.1Tạo nút nhấn (button) - QUAY/DUNG: Giá trị mặc định TRUE + TRUE: Giá trị nạp vào DAC1, tương ứng AVR xuất mức điện áp 0v chân tạo xung PWM1 + FALSE (khi nhấn nút): Giá trị 255 nạp vào DAC1, tương ứng AVR xuất mức điện áp 5v chân tạo xung PWM2 Chân PWM1 AVR xuất xung 0v…5v tương ứng giá trị nạo vào DAC1 từ 0….255 Lưu ý: Trong code ta lấy giá trị tuyệt đối ngõ xung sau trừ giá trị 255, mục đích để phù hợp với mạch công suất (vi điều khiển xuất xung PWM mức 0v 5v tương ứng động quay tốc độ cực đại ngừng quay) - CHIEU QUAY: + TRUE: Chân SW1 AVR mức 1( động quay thuận) + FALSE: Chân SW1 AVR mức (động quay nghịch) 5.4.2.2 Tính vân tốc ngõ vào: Ta chọn tần số lấy mẫu hay thời gian lặp lại vòng lập while loop 20ms Trường hợp động quay thuận: Tương ứng hàm Select Case code trường hợp true (nút QUAY/DUNG: false; CHIEU QUAY: true), số xung vi xử lý đếm tăng lên 65536 (16 bit) XUNG SAU XUNG SAU SVTH : NGUYỄN TIẾN 40 GVHD: Th.s Trần văn Trinh + Xung đếm vào chưa bị tràn Ta có + Xung đếm vào bị tràn:(xungsau nhỏ xungtrước) ( Trường hợp động quay nghịch: Tương ứng hàm Select Case code trường hợp false ( nút QUAY/DUNG: false , CHIEU QUAY: false) , số xung vi xử lý đếm xuống (65536 đến 0) XUNG SAU XUNG TRƯỚC + Xung đếm vào chưa bị tràn: Ta có SVTH : NGUYỄN TIẾN 41 GVHD: Th.s Trần văn Trinh SVTH : NGUYỄN TIẾN 42 GVHD: Th.s Trần văn Trinh + Xung đếm vào bị tràn:(xungsau lớn xungtrước) ( 5.4.2.3Qua khâu hiệu chỉnh PID Các thông số phải đưa vào + Setpoint: Vận tốc đặt + process variable: vận tốc thực + Setpoint range: Giới hạn vận tốc đặt max + PID gains: Dùng điều chỉnh thông số P, I, D + dt(s): thời gian lấy mẫu + output range: Giới hạn ngõ + output: ngõ áp dung thực tế: SVTH : NGUYỄN TIẾN 43 GVHD: Th.s Trần văn Trinh 5.4.2.4 Khối truyền nhận liệu Chức cách sử dụng khối xem lại phần giới thiệu card giao tiếp trình bày phần 5.5 Giao diện điều khiển máy tính Giao diện điều khiển thiết kế trực quan với người sử dụng hệ thống, đạt tiêu chuẩn độ xác, tính thẩm mỹ dễ tiếp cận SVTH : NGUYỄN TIẾN 44 GVHD: Th.s Trần văn Trinh Giao diện chính(Front Panel) SVTH : NGUYỄN TIẾN 45 GVHD: Th.s Trần văn Trinh Code(Block Diagram) SVTH : NGUYỄN TIẾN 46 GVHD: Th.s Trần văn Trinh 5.6 Kết đạt SVTH : NGUYỄN TIẾN 47 GVHD: Th.s Trần văn Trinh SVTH : NGUYỄN TIẾN 48 GVHD: Th.s Trần văn Trinh KẾT LUẬN Hệ thống thiết kế dùng hiệu chỉnh PID cho phép điều khiển nhiều vị trí đặt …Tuy nhiên so với lý thuyết chây mơ Simulink chất lươngj hệ thống nhiều hạn chế sai số xác lập Ảnh hưởng thông số PID đến hệ thống sau: Kd không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống, chênh lệch Ki thiết kế mô lớn, Ki tăng làm tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập, tăng Ki lớn giá trị tối ưu hệ thống ổn định Tác động Kp nâng cao chat lượng đáp ứng chọn giá trị thích hợp SVTH : NGUYỄN TIẾN 49 GVHD: Th.s Trần văn Trinh PHỤ LỤC Mã lập trình Labview dạng đồ họa, code viết cho chương trình xen sơ đồ giải thuật để viết nên chương trình SVTH : NGUYỄN TIẾN 50 GVHD: Th.s Trần văn Trinh TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý thuyết điều khiển tự động (Nguyễn Thị Phương Hà-Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh PHY-Microprocessor Interfacing Techniques Labview (James R.Drummond) Introduction to control system tech nology(Roert N.Bateson) Website http://labview.hocdelam.org/vn/ ; http://www.ni.com/ SVTH : NGUYỄN TIẾN 51 ... PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Từ công thức (5) biểu diễn quan hệ tốc độ - momen động cơ, ta thấy tốc độ động điều khiển ba phương pháp sau: Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển từ thông Điều. .. hệ thống độ cứng đặc tính thấp, hoạt động tốc độ thấp Do đó, phương pháp sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, trừ trường hợp: - Khởi động động Thay đổi tốc độ động thời gian ngắn chế độ ngắn... Chí Minh, tháng 06 năm 2010 SVTH : NGUYỄN TIẾN BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW Giảng