điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng arduino UNO

GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Mục lục Lời nói đầu .3 CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng II Phương pháp thay đổi từ thông φ III Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng .8 CHƯƠNG II CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN 10 I Cấu trúc mạch điều khiển tốc độ 10 II Bộ điều khiển Arduino Uno R3 10 Thông số Atmega328P-PU: .10 Thông số kĩ thuật .12 Nguyên lý hoạt động 12 III Bộ biến đổi L298N 13 Thông số kỹ thuật 14 Nguyên lí hoạt động mạch cầu H 15 IV Mơ hình động chiều .19 Phương trình vi phân mô tả .20 Hàm truyền 21 Phương trình trạng thái 21 V Các linh kiện khác 22 Cáp kết nối Arduino - PC 22 Testboard 23 Dây cắm .23 Động DC300 24 CHƯƠNG III TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG VÀ LẮP MẠCH THỰC 26 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== I Tổng hợp mạch vòng tốc độ 26 II Mô Matlab thực nghiệm hệ thống 28 Sơ đồ mô 29 Kết luận 31 Tài liệu tham khảo 32 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Danh mục hình ả Hình 1 Đặc tính động thay đổi điện trở phụ Hình Đặc tính động giảm từ thơng Hình Sơ đồ dùng biến đổi điện áp phần ứng .8 Hình Đặc tính động thay đổi điện áp phần ứng Y Hình Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tốc độ 10 Hình 2 Sơ đồ chân Atmega328P-PU 11 Hình Thơng số kĩ thuật Atmega328P-PU 12 Hình Sơ đồ chân Arduino Uno R3 13 Hình L298N 14 Hình Datasheet L298 15 Hình Sơ đồ dòng điều khiển BBĐ 16 Hình Mơ hình động DC .20 Hình Sơ đồ cấu trúc động điện chiều 26 Hình Sơ đồ mạch vịng tốc độ 26 Hình 3 Sơ đồ thu gọn mạch vịng tốc độ 26 Hình Sơ đồ mô động DC 28 Hình Sơ đồ mạch vòng tốc độ bỏ qua mạch vịng dịng điện 29 Hình Đáp ứng hệ thống 29 Hình Sơ đồ thực nghiệm 30 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Lời nói đầu Trong năm gần có đời ngày hoàn thiện biến đổi điện tử cơng suất, với kích thước gon nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với thiết bị vi sử lý Phần lớn điều khiển thường dùng kĩ thuật số với chương trình phần mền linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số luật điều khiển, tăng độ xác tác động nhanh cho hệ truyền động Ta thường điều chỉnh tốc độ động DC phương pháp thay đổi từ thông, điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng, điều chỉnh tốc độ động phương pháp thay đổi điện trở phụ Trong thời gian học tập nghiên cứu, học tập nghiên cứu môn Điều khiển hệ điện ứng dụng lĩnh vực hệ thống sản xuất đại Vì để nắm vững phần lý thuyết áp dụng kiến thức vào thực tế, chúng em nhận đề tài môn học: “Thiết kế và chế tạo điều khiển tốc độ động điện chiều” Với đề tài giao, chúng em vận dụng kiến thức để tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính tốn thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm Dưới hướng dẫn bảo nhiệt tình thầy Trần Tiến Lương với cố gắng nỗ lực thành viên nhóm chúng em hồn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì chúng em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy cô giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng _Đây phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động điện chiều +) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp người ta giữ U = U đm, φ = nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ: β= = +) Ta thấy điện trở lớn nhỏ nghĩa đặc tính dốc mềm Hình 1 Đặc tính động thay đổi điện trở phụ _Ứng với = ta có độ cứng tự nhiên có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn tất đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy, ta thay đổi R f ta họ đặc tính thấp đặc tính tự nhiên _Đặc điểm phương pháp: GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== +) Điện trở mạch phần ứng tăng độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tốc độ sai số tốc độ lớn +) Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ phía giảm) +) Chỉ áp dụng cho động điện có cơng suất nhỏ, tổn hao lượng điện trở phụ làm giảm hiệu suất động thực tế thường dùng động điện cần trục +) Đánh giá tiêu: Phương pháp điều khiển liên tục mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào số mơmen tải, tải nhỏ dải điều chỉnh D = nhỏ Phương pháp điều chỉnh dải D=3:1 +) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ không kinh tế tổn hao điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển đơn giản II Phương pháp thay đổi từ thông φ _Nguyên lý điều khiển: Giả thiết U = Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động ta thay đổi dịng điện kích từ, thay đổi dịng điện mạch kích từ cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường động làm việc chế độ định mức với kích thích tối đa (φ = ) mà phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên điều chỉnh theo hướng giảm từ thông φ tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức Nên giảm từ thơng φ tốc độ khơng tải lý tưởng tăng, cịn độ cứng đặc tính β = giảm, ta thu họ đặc tính nằm đặc tính tự nhiên GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Hình Đặc tính động giảm từ thông _Khi tăng tốc độ động cách giảm từ thơng dịng điện tăng tăng vượt mức giá trị cho phép mômen không đổi Vì muốn giữ cho dịng điện khơng vượt q giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thơng ta phải giảm Mt theo tỉ lệ _Đặc điểm phương pháp: +) Phương pháp thay đổi tốc độ phía tăng +) Phương pháp điều khiển vùng tải không lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông khơng làm thay đổi dịng điện ngắn mạch +) Việc điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông phương pháp điều khiển với công suất không đổi +) Đánh giá tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm dốc đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần máy Có thể điều khiển trơn dải điều chỉnh D = : Vì cơng suất cuộn dây kích từ bé, dịng điện kích từ nhỏ nên ta điều khiển liên tục với φ ~ GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== +) Phương pháp áp dụng tương đối phổ biến, thay đổi liên tục kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dịng kích từ (1 ÷ 10)% Iđm phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp) Đây phương pháp gần động điện chiều cần điều chỉnh tốc độ lớn tốc độ điều khiển III Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng _Để điều chỉnh điện áp phần ứng động chiều cần có thiết bị nguồn máy phát điện chiều kích từ độc lập, chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị nguồn có chức biến lượng điện xoay chiều thành chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có cơng suất hữu hạn so với động nên biến đổi có điện trở R b điện cảm Lb khác không Để đưa tốc động với hiệu suất cao giới hạn rộng rãi 1:10 Hình Sơ đồ dùng biến đổi điện áp phần ứng Ở chế độ xác lập viết phương trình đặc tính hệ thống sau: Eb - Eư = Iư (Rb + Rưd) ω GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Hình Đặc tính động thay đổi điện áp phần ứng Nhận xét: Cả phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều có phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng động tốt hay sử dụng thu đặc tính có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ phẳng không bị tổn hao CHƯƠNG II CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN I Cấu trúc mạch điều khiển tốc độ BBĐ M GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== _ Hình Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tốc độ II Bộ điều khiển Arduino Uno R3 Thơng số Atmega328P-PU: _Atmega328 chíp vi điều khiển sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hẳn Atmega8 Atmega 328 vi điều khiển bit dựa kiến trúc RISC nhớ chương trình 32KB ISP flash ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, nhớ RAM vô lớn giới vi xử lý bit (2KB SRAM) + Kiến trúc: AVR 8bit + Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz + Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB + Bộ nhớ EEPROM: 1KB + Bộ nhớ RAM: 2KB + Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V + Số timer: timer gồm timer 8-bit timer 16-bit + Số kênh xung PWM: kênh (1timer kênh) 10 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Ở phía A, transistor Q1 đóng, Q3 mở Ở phía B, transistor Q2 mở, Q đóng Dó đó, dịng điện mạch chạy từ nguồn 12V đến Q2, qua động đến Q3 để GND Lúc này, động quay theo chiều ngược Bạn hình dung dịng điện mạch A B mức LOW Khi đó, transistor Q1 Q2 mở Q3 Q4 đóng Dịng điện khơng có đường GND khơng có dịng điện qua động - động không hoạt động A B mức HIGH Khi đó, transistor Q1 Q2 đóng Q3 Q4 mở Dịng điện khơng thể chạy từ nguồn 12V khơng có dịng điện qua động - động không hoạt động Như vậy, để dừng động cơ, điện áp cực điều khiển phải 18 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== _ Chỉ cần thay đổi điện áp đặt vào cực điều khiển mạch cầu H để điều khiển tốc độ động cơ:  Hiệu điện cực điều khiển lớn động chạy nhanh  Động chạy theo chiều thuận điện áp A nhỏ B ngược lại IV Mơ hình động chiều _ Cấu tạo: Động chiều gồm có phần: stato đứng yên roto quay so với stator,phần cảm tạo từ trường (thường đặt stator), xuyên qua quận dây phần ứng (thường đặt roto), có dịng điện chạy qua mạch phần ứng, dẫn phần ứng chịu tác động lực điện từ theo phương pháp tuyến với mặt trụ roto làm roto quay, dòng điện phần ứng đưa vào roto thông qua hệ thống chổi than cổ góp, cổ góp giúp dòng điện dẫn phần ứng đổi chiều dẫn đến cực từ khác tên với cực từ mà vừa qua (do lực điện từ sinh luân tạo moomen theo chiều) _ Thông thường tốc độ động chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào ngẫu lực quay tỉ lệ với dòng điện, để điều khiển tốc độ động sử dụng nhiều cách điều khiển nguồn thay đổi,điều khiển dùng biến trở, dùng mạch điện tử.trong báo cáo chúng em tìm hiểu điều khiển tốc độ động cách sử dụng biến trở _ Mơ hình động sơ đồ mạch hình vẽ: 19 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Hình Mơ hình động DC _ Mục đích việc thiết kế: + Mục đích thiết kế hệ thống điều khiển cho tốc độ quay động cho thời gian để động hoat động ổn định từ lúc bắt đầu mở máy độ điều chỉnh tốc độ động so với tốc độ yêu cầu sai lệch tĩnh phải nằm giới hạn cho phép + Thương thời gian để ổn định tốc độ động nhỏ giây, sai lệch tĩnh nhỏ 1% độ điều chỉnh nhỏ 5% Phương trình vi phân mơ tả _ Trong _ V điện áp nguồn cấp _ R, L điện cảm điện dung _ J moomen quán tính rotor(kg ) _ b hệ số cản (hệ số giảm sóc) (Nms) _ Kt số phần ứng _ Ke số động (nếu lực điện động khơng đổi Kt=Ke=K) _ T momen xoắn động cơ, với T=Kt*i _ momen cản động với =b* 20 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== _ Từ phương trình động T-J Hay: J + b =ki (1) _ Áp dụng định luật kirchoff ta có L +Ri=V – K (2) Hàm truyền _ Từ phương trình (1) (2) ta tìm hàm truyền hệ, biểu thị mối quan hệ đầu vào tín hiệu điện áp đầu góc quay roto _ Laplace hai vế phương trình (1), (2) ta hệ s.(Js + b )Θ(s) = Ki(s) (Ls + R).I(s) = V-KsΘ(s) _ Từ hệ phương trình laplace ta rút hàm truyền (3) G(s) = Phương trình trạng thái _ Mơ hình trạng thái có dạng _ Từ phương trình (1) ta có () = -+ I (4) _ Và từ phương trình (2) ta có (i) = - - + (5) _ Và từ phương trình (4), (5) đưa dạng ma trận ta có 21 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== V Các linh kiện khác Cáp kết nối Arduino - PC 22 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Testboard Dây cắm 23 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Động DC300 Thông số động cơ: +) Công suất định mức: Pđm = (W) +) Điện áp định mức phần ứng: Uđm = (V) +) Dòng điện định mức: Iđm = 0,5 (A) +) Tốc độ quay định mức: nđm = 5400 (vòng/phút) +) Dòng điều khiển: Iđk = 0,041(A) +) Điện áp điều khiển: Uđk = (V) +) Hằng số thời gian phần ứng: Tư = 5,682 +) Điện cảm phần ứng: Lư = 2,5 (mH) 24 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== +) Điện trở phần ứng: Rư = 4,4 (Ω) +) Mơmen qn tính động cơ: J = 0,8 (kg.m2) +) Hằng số thời gian điều khiển Tđk = 0,0001 (s) +) Hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu: Tv = 0,001 (s) +) Hằng số thời gian máy biến dòng: Ti = 0,001 (s) +) Hằng số thời gian máy phát tốc: Tω = 0,01 (s) CHƯƠNG III TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG VÀ LẮP MẠCH THỰC I Tổng hợp mạch vòng tốc độ 25 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Hình Sơ đồ cấu trúc động điện chiều ω Hình Sơ đồ mạch vịng tốc độ Hình 3 Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ Ta có: Kφ = = 0,129 Hằng số thời gian phần ứng: Tốc độ góc roto: ωdm = (rad/s) Chọn hệ số khuếch đại: Hệ số khuếch đại máy phát tốc: chọn => Hàm truyền đối tượng có dạng: 26 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== _Đặt chúng số thời gian nhỏ _Suy ra: Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module ta có hàm truyền hệ thống: Mà => Đặt Vậy hàm truyền điều khiển tốc độ: () = (1+) => 0,529 + =>Bộ điều khiển là PD Khâu phản hồi tốc độ: = Bộ điều khiển: Wdk = = Chọn Mc = II Mô Matlab thực nghiệm hệ thống Sơ đồ mô động DC 27 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Hình Sơ đồ mơ động DC Sơ đồ mơ Hình Sơ đồ mạch vòng tốc độ bỏ qua mạch vòng dòng điện 28 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Hình Đáp ứng hệ thống Thực nghiệm 29 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== Hình Sơ đồ thực nghiệm Kết luận Trong thời gian học tập nghiên cứu môn Điều khiển hệ điện hướng dẫn bảo nhiệt tình thầy Trần Tiến Lương với cố gắng nỗ 30 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== lực thành viên nhóm chúng em hoàn thành xong đồ án: “Thiết kế và chế tạo điều khiển tốc độ động điện chiều” Các nhiệm vụ là: _Xây dựng cấu trúc điều khiển _Tính tốn điều khiển _Mơ thực nghiệm _Nhận xét kết _Cài tham sô cho đối tượng Tuy nhiên thời gian kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì chúng em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo [1] Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo); Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện; NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội,2004 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi; Điều chỉnh tự động truyền động điện; NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 31 GVHD_Trần Tiến Lương =========================================================================== [3] TS.Trần Xuân Minh (chủ biên), PGS.TS.Nguyễn Như Hiển; Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ; NXB Giáo dục Việt Nam 32 ... động DC _ Mục đích việc thiết kế: + Mục đích thiết kế hệ thống điều khiển cho tốc độ quay động cho thời gian để động hoat động ổn định từ lúc bắt đầu mở máy độ điều chỉnh tốc độ động so với tốc. .. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng _Đây phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động điện chiều +) Nguyên lý điều khiển: Trong... cầu H để điều khiển tốc độ động cơ:  Hiệu điện cực điều khiển lớn động chạy nhanh  Động chạy theo chiều thuận điện áp A nhỏ B ngược lại IV Mô hình động chiều _ Cấu tạo: Động chiều gồm có phần: