Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển số cho động cơ một chiều

LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, phát triển kỹ thuật điều khiển truyền động điện cho dây chuyền sản xuất công nghiệp đạt nhiều thành tựu to lớn Cùng với phát triển phương pháp điều khiển động nghiên cứu phát triển ngày tối ưu Bên cạnh việc sâu tìm hiểu giải pháp điều khiển cho động chiều nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Đã có nhiều tài liệu viết điều khiển động chiều Trong nhiều phương pháp nghiên cứu ứng dụng thực tế chế tạo thành sản phẩm thương mại sử dụng tốt công nghiệp Tuy nhiên phương pháp điều khiển ứng dụng phương pháp truyền thống, dựa phương pháp điều khiển sử dụng phần tử bán dẫn thơng dụng điều khiển góc mở cho van bán dẫn Trong năm gần có số cơng trình nghiên cứu sử dụng vi điều khiển ứng dụng điều khiển đại Đã giúp tối thiểu hóa mạch điều khiển hệ truyền động nâng cao tính linh hoạt điều khiển tự động truyền động điện Việc điều khiển số động chiều quan trọng Nên em giao đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển số cho động chiều" Trong thời gian nghiên cứu đề tài em nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Th.Sĩ Nguyễn Trọng Thắng thầy cô môn điện tự động công nghiệp Do thời gian có hạn lực thân cịn hạn chế đồ án em khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thông cảm bảo thầy cô để em hoàn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô! Sinh viên thực Ngô Văn Quyết Mục Lục trang Lời mở đầu Chương 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Cấu tạo máy điện chiều 1.1.3 Các trị số định mức 1.2 ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.2.1 Nguyên lý làm việc động điện chiều 1.2.2 Đặc tính động điện chiều 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 13 1.3.1 Khái niệm chung 13 1.3.2 Sơ lược phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều DC 14 1.4 HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN T-Đ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP MẠCH VÒNG 17 1.4.1 Hệ truyền động điện T-Đ 17 1.4.2 Cấu trúc hệ thống truyền động điện điều chỉnh động điện chiều cấp điện từ biến đổi 23 1.4.3 Tính chất động mạch điều chỉnh động điện chiều 27 1.4.4 Phương pháp tổng hợp mạch vòng hệ truyền động T-Đ .28 Chương 2: MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ TRÊN SIMULINK 33 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 33 2.2 TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ HỆ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 33 2.3 MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID 37 2.4 NHẬN XÉT 40 Chương 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN 41 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỘNG CƠ MÔT CHIỀU BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN 41 3.2 CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN SỐ 41 3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số 42 3.2.2 Luật điều khiển tích phân số 42 3.2.3 Luật điều khiển vi phân số 42 3.2.4 Luật điều khiển PID số 43 3.3 XÂY DỰNG BỘ VI XỬ LÝ DÙNG CHIP 16F87XA 43 03.3.1 Giới thiệu chip 16F87XA dùng mạch điều khiển 43 3.3.2 Xây dựng PID dùng chip PIC 16F87XA 47 3.4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 47 3.4.1 Sơ đồ IC điều khiển PIC 16887 48 3.4.2 Mạch công suất cấp cho động 49 3.4.3 Mạch nguyên lý khối nguồn Led hiển thị 49 3.4.4 Lưu đồ thuật tốn chương trình 51 PHỤ LỤC 53 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Chương 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Khái niệm Máy điện chiều loại máy điện biến thành lượng điện chiều (máy phát) biến điện dòng chiều thành (động chiều) Ở máy điện chiều từ trường từ trường không đổi Để tạo từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu nam châm điện cung cấp dịng điện chiều Có hai loại máy điện chiều: loại có cổ góp, loại khơng có cổ góp Cơng suất lớn máy điện chiều vào khoảng đến 10 MW Hiện tượng tia lửa cổ góp hạn chế tăng cơng suất máy điện chiều Cấp điện áp máy điện chiều thường 120V, 400V, 500V, lớn 1000V Không thể tăng điện áp lên điện áp giới hạn phiến góp 25V 1.1.2 Cấu tạo máy điện chiều Trên hình 1.1 biểu diễn cấu tạo máy điện chiều Ta nghiên cứu cụ thể phận 10 Hình 1.1 Kích thước dọc, ngang máy điện chiều 1) Thép; 2) Cực với cuộn kích từ; 3) Cực phụ với cuộn dây; 4) Hộp ổ bi; 5) Lõi thép; 6) Cuộn phần ứng; 7) Thiết bị chổi; 8) Cổ Góp; 9) Trục; 10) Nắp hộp đấu dây 1.1.2.1 Cấu tạo stato Giống máy điện khác gồm phần đứng im (stato) phần quay (rô to) Về chức máy điện chiều chia thành phần cảm (kích từ) phần ứng (phần biến đổi lượng) Khác với máy điện đồng máy điện chiều phần cảm phần tĩnh cịn phần ứng rơ to a, b, Hình 1.2 Cấu tạo cực máy điện chiều a) Cực chính; b) Cực phụ Stato máy điện chiều phần cảm nơi tạo từ thơng máy Stato gồm chi tiết sau: Cực Trên hình 1.2a biểu diễn cực gồm: Lõi cực làm thép điện kỹ thuật ghép lại, mặt cực có nhiệm vụ làm cho từ thơng dễ qua khe khí Cuộn dây kích từ đặt lõi cực cách điện với thân khn cuộn dây cách Cuộn dây kích từ làm dây đồng có tiết diện trịn, cuộn dây tẩm sơn cách điện nhằm chống thấm nước tăng độ dẫn nhiệt Để tản nhiệt tốt cuộn dây tách thành lớp, đặt cách rãnh làm mát Cực phụ Cực phụ nằm cực chính, thơng thường số cực phụ 1/2 số cực Lõi thép cực phụ thường bột thép ghép lại, máy có tải thay đổi lõi thép cực phụ ghép thép, cuộn dây đặt lõi thép Khe hở khơng khí cực phụ lớn khe hở khơng khí cực Gơng từ Gơng từ dùng để làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong máy điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại, máy điện lớn thường dùng thép đúc Có máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy Các phận khác a) Thân máy Thân máy làm gang thép, cực chính, cực phụ gắn vào thân máy Tùy thuộc vào công suất máy mà thân máy có chứa hộp ổ bi khơng Máy có cơng suất lớn hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy Thân máy gắn với chân máy vỏ máy có gắn bảng định mức b) Thiết bị chổi a) b) Hình 1.3 Thiết bị chổi a)Thanh giữ chổi; b) Thiết bị giữ chổi 1) ốc vít; 2) Dây dẫn; 3) Cách điện; 4) Giữ chổi; 5)Chổi 6) Lò so; 7) Đòn gánh; 8) Dây dẫn điện ra; 9) ốc giữ chổi Để đưa dòng điện dùng thiết bị chổi than, chổi than làm than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả chống mài mịn, giữ chổi làm kim loại gắn vào stato, có lị so tạo áp lực chổi thiết bị phụ khác 1.1.2.2 Cấu tạo Rôto Rô to máy điện chiều phần ứng Ngày người ta dùng chủ yếu loại rơ to hình trống có ghép lại thép kỹ thuật máy cơng suất lớn người ta cịn làm rãnh làm mát theo bán kính (các thép ghép lại tệp, tệp cách rãnh làm mát) Lõi sắt phần ứng Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm hao tổn dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện với rãnh lõi thép Cổ góp 3 Hình 1.4 Kích thước ngang cổ góp 1) Phiến góp; 2) ép vỏ; 3) Cách điện; 4) Phiến cách điện; 5) ống cổ góp; 6) Chổi Cuộn dây rơ to cuộn dây khép kín, cạnh nối với phiến góp Các phiến góp ghép cách điện với với trục hình thành cổ góp Phiến góp làm đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền học, chống mài mòn Các phận khác a) Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy b) Trục máy : Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cách quạt ổ bi Trục máy thường làm thép bon tốt 1.1.3 Các trị số định mức Chế độ làm việc định mức máy điện chiều chế độ làm việc điều kiện mà xưởng chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi đại lượng sau Công suất định mức Pđm ( KW hay W ) Điện áp định mức Uđm ( V ) Tốc độ định mức nđm ( Vòng/phút ) Dòng điện định mức Iđm ( A ) Dịng kích từ định mức Iktđm ( A ) Ngồi cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, số liệu điều kiện sử dụng 1.2 ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.2.1 Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp kích từ U K dây quấn kích từ xuất dịng kích từ i k mạch từ máy có từ thơng Tiếp đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có dịng điện I chạy qua Tương tác dịng điện phần ứng từ thơng kích thích tạo thành mômen điện từ, mômen làm cho rô to quay Trong quay làm cuộn dây cảm ứng suất điện động, suất điện động sinh dịng điện tạo mơmen chống lại rơ to quay Để cho rô to tiếp tục quay ta phải tiếp tục cấp điện cho phần ứng, tạo dòng lượng điện chạy liên tục từ nguồn điện chiều biến sang Giá trị mômen điện từ tính sau: m = p.n I = k .I .a Trong p: số đôi cực động n: số dẫn phần ứng cực từ a: số mạch nhánh song song dây quán phần ứng k: hệ số kết cấu máy Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục 1.2.2 Đặc tính động điện chiều Trong phần ta giới thiệu loại động DC thông dụng, bao gồm động DC kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp Với động DC kích từ độc lập (hình 1.5a), dịng phần ứng dịng kích từ điều khiển độc lập với Với động kích từ song song (hình 1.5b)phần ứng cuộn kích từ đấu với nguồn cung cấp Vì với loại động dịng kích từ điều khiển độc lập cách thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng mạch kích từ Tuy nhiên cách điều khiển có hiệu suất thấp Với động kích từ nối tiếp (hình 1.5c), dịng phần ứng dịng kích từ, từ thơng động hàm dòng phần ứng Với động kích từ hỗn hợp (hình 1.5d) cần đấu nối cho sức từ động cuộn nối tiếp chiều với sức từ động cuộn song song IưA1 U + + - IưA1 Ikt F1 Ikt + + - Ukt A2 U - a) Kích từ độc lập Iư S1 U A + - F2 b) Kích từ song song F1 + + - + A2 F2 S F1 - U S1 Iư + - S2 A1 + - A2 c) Kich từ nối tiếp A2 d) Kích từ hỗn hợp F2 Hình 1.5 Các loại động chiều thơng dụng Phương trình động chiều: Khi rô to quay phần ứng xuất suất điện động có giá trị: E=K (1.1) Điện áp nguồn theo định luật Kirchoft viết: U=E+Rư.Iư (1.2) Cịn mơ men: M=K .Iư (1.3) Trong đó: : Từ thơng cực ( Wb ) Iư : Dòng phần ứng ( A ) U : Điện áp phần ứng ( V ) Rư : Điện trở phần ứng ( ) : Tốc độ động ( Rad/s ) M 10 : Mômen động sinh ( N.m ) Hình 3.4: Cấu trúc luật D số Thường điều khiển theo luật vi phân số cài đặt theo phương trình sai phân sau: TD [e( k) u e( (k k (3 ) 1)] 3) T Trong T thời gian trích mẫu 3.2.4 Luật điều khiển PID số Hình 3.5: Cấu trúc luật PID số Từ cấu trúc PID số Hình 3.5, ta có: u(k) kP T T e( k ) e( k (3 4) 1) D e( k ) u I ( k 1) e( k ) T TI u (k) k TD (1 P u (k) k TD ) e( k ) T TD e( k 1) T )e( k ) T T e( k ) ( k u 1) I I TD T (1 P T TI e( k 1) u T I ( k 1) Luật điều khiển PID số công thức lựa chọn để cài đặt cho điều khiển chế tạo chip PIC 3.3 XÂY DỰNG BỘ VI XỬ LÝ DÙNG CHIP 16F87XA 3.3.1 Giới thiệu chip 16F87XA dùng mạch điều khiển PIC họ vi điểu khiển sản xuất công ty Microchip Technology Dòng PIC PIC 1650 phát triển phận vi điện tử thuộc General Instrument PIC bắt nguồn chữ viết tắt "Programmable 44 Intelligent Computer"(Máy tính khả trình thơng minh) sản phẩm hãng General Instrucments đặt cho dòng sản phẩm họ PIC1650 Lúc này, PIC 1650 dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP 1600, người ta gọi PIC với tên “ Perpheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP 1600 CPU tốt, lại khả xuất nhập PIC 8- bit phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP 1600 PIC sử dụng mã nguồn đơn giản đặt ROM, mặc dù, cụm từ RISC chưa sử dụng thời bây giờ, PIC thực vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy lệnh chu kỳ máy(4 chu kỳ dao động) Hình 3.6 Chip Pic 16F87XA Ngày nhiều dòng PIC xuất xưởng với hàng loạt mơđun ngoại vi tích hợp sẵn (như USRT, PWM, ADC ), với nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word 45 Bảng 3.1: Tính PIC 16F87XA Bả ng tín F h nă 16F8 ng 73A D Ch C u kỳ ho ạt DC- M độ 20M H ng Hz z P Re O set R, (d B ela POR, O ys) BOR R (P W R T, O (PW S RT,O T ST) ) Bộ nh Fla sh K 4K Bộ nh liệ 19 u Bộ liệ 12 u 8 EE PR O M 16F8 76A DC20M Hz POR, BOR (PW RT,O ST) F 7 A D C M H z P O R, B O R (P W R T, O S T ) K 8K 36 25 Ng Cổ ng o/r a Ti me r Ca ptu re/ Co mp ar e/P W M Cá c ch uẩ n ng oại v i n ố i ti ế p Cá c ch uẩ n ng oại vi so ng so ng Kh ối ch uy ển 14 15 A, B, A A, C, ,B B, A,B,C D, ,C C ,D,E E 3 2 M M S S S S P, P, U U S S MSSP A MSSP A ,USA R ,USA R RT T RT T _ PS P PS P và đầ o đ đ o đ u ầ ầ ầ u u u v v đổi A/ D 10 bit Cổ ng tươ ng tự Tệ p lện h th ay đổ i o th a y o th a y th a y đ đ ổi ổi đ ổi 2 35 35 lệ lện nh h c h â n 28 P chân D PDIP IP 4 c h â n P L ch C 28 ân C 4 c h â n T S Q O F Gó IC P i 28 ch ân c 35 35 lện lệnh h c h â n 28 P chân D PDIP IP 4 c h â n P L ch C ân C 4 c h â n S T O Q I F C P ch ân c S S O P 28 chân QFN S S O P 28 chân QFN 46 Hình 3.7: Sơ đồ khối cấu trúc PIC 16F874A/PIC 16F877A 47 3.3.2 Xây dựng PID dùng chip PIC 16F87XA Hệ thống hiển thị M Đ c / ch C En đ co ộ der n g l ự c Hệ thống bàn phím Hình 3.8: Sơ đồ khối vi xử lý dùng chip PIC 16F87XA Giá trị đặt Wđ người sử dụng đưa vào c qua hệ thống bàn phím, giá trị đặt thể hệ thống hiển thị Tốc độ thực tế động thông qua cảm biến tốc độ (encoder) đưa vào c thể hệ thống hiển thị Bộ điều khiển c tính sai lệch e giá trị đặt giá trị đạt tính tốn đầu điều khiển theo luật PID để xuất tín hiệu điều khiển đối tượng thông qua mạch động lực Hệ thống với thuật tốn luật điều khiển PID số có xu hướng đưa sai lệch e giá trị 0, tức giá trị đạt sau thời gian giá trị đặt Do tốc độ động ổn định Trên hệ thống hiển thị thể giá trị đặt giá trị tốc độ động đạt 3.4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU: - Để xây dựng mơ hình hệ thống ta cần thiết kế mạch sau: - Bộ vi xử lý điều khiển động theo luật PID dùng chíp PIC 16887 48 - Mạch công suất cấp điện áp cho động - Khối nguồn led hiển thị 3.4.1 Sơ đồ IC điều khiển PIC 16887: Hình 3.9: Sơ đồ IC điều khiển PIC 16887 Trong đó: - Chân 13, 14 nối với thạch anh Y1 có f= 4MHz để tạo dao động - Chân 17 đến 20 (I4 đến I7) nối với nút điều chỉnh - Chân 25 đến 30 (L1 đến L6) điều khiển anot chung Led - Chân 33 đến 40 (RB0 đến RB7) xuất liệu đến Led hiển thị - Chân 11 32 nối với nguồn VCC = 5v Chân 12 31 nối GND 49 3.4.2 Mạch công suất cấp cho động cơ: Hình 3.10: Mạch nguyên lý khối công suất cấp điện cho động - IS 01 IS 02 transistor quang đưa điện áp tới chân 7,6 IC 2003 để điều khiển cấp áp đảo chiều động - IRF 540: Transistor trường cấp áp cho động - Rơle LS1: Dùng để đảo chiều động - S1 đến S4: phím thiết lập liệu 50 3.4.3 Mạch nguyên lý khối nguồn Led hiển thị: - Do dùng động chiều 12v, ta sử dụng IC U01: LM2576 ổn áp nguồn với D02: điốt ổn áp 12v - Jack J01 nối với thứ cấp biến áp - U03: Cầu chì bảo vệ mạch - Các led đoạn U3 đến U5: Hiển thị giá trị đặt cho động - Các led đoạn U6 đến U8: Hiển thị giá trị thực động Hình 3.11: Mạch nguyên lý khối nguồn Led hiển thị 51 3.4.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính: Begin K/tạo tham số ban đầu Nghỉ No Start Yes Đọc giá trị phản hồi Tính e = Sp - pv Tính Uđk theo luật PID Xuất giá trị điều khiển No Stop Yes End Hình 3.13: Lưu đồ thuật tốn 52 Giải thích sơ đồ thuật tốn chương trình chính: Khi chương trình bắt đầu ta “khởi tạo tham số ban đầu” (nhập giá trị đặt) cách nhập liệu từ phím ấn Sau ta ấn nút “Start” động hoạt động, lúc c “đọc giá trị phản hồi” (giá trị thực tốc độ động cơ) “tính e = Sp - pv) sau “tính Uđk theo luật PID” “xuất giá trị điều khiển” qua mạch công suất cấp điện cho động Nếu giá trị tốc độ động sai lệch với giá trị đặt, hệ thống quay lại từ bước “đọc giá trị phản hồi” giá trị tốc độ động với giá trị đặt, lúc động quay với tốc độ ổn định giá trị đặt Khi ta ấn nút “Stop” động ngừng hoạt động 53 ... như: + Hệ truyền động điện máy phát - động (F-D) + Hệ truyền động điện chỉnh lưu Thyristor - động cơ( T-D) + Hệ truyền động xung áp - động Hệ điều khiển có hai loại cấu trúc mạch: + Điều khiển. .. hở (hệ truyền động điều khiển hở) + Điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động) 1.3.2 Sơ lược phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều DC Từ công thức (1.5) biểu diễn quan hệ. .. cấu trúc hệ truyền động điện T-Đ 2.2 TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ HỆ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Ta tiến hành mô hệ truyền động động chiều kích từ độc lập có tham số động sau: