Điều khiển hệ truyền động động cơ điện một chiều bằng card arduino để ứng dụng cho điều khiển chuyển động máy công nghiệp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐÀO ANH QUÂN ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CARD ARDUINO ĐỂ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG MÁY CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Võ Quang Lạp Thái Nguyên, 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -i- LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đào Anh Quân Sinh ngày: 16 tháng 10 năm 1987 Học viên lớp cao học khóa K15 – Tự động hóa – Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trƣờng Đại học Hùng Vƣơng Phú Thọ Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chƣa đƣợc công bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Đào Anh Quân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - ii - LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận đƣợc quan tâm lớn nhà trƣờng, khoa, phịng ban, thầy giáo đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Võ Quang Lạp tận tình hƣớng dẫn trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giáo Trung tâm Thí nghiệm, phịng thí nghiệm Khoa Điện tử - Trƣờng Đại Học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hồn thành thí nghiệm điều kiện tốt Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trƣờng Đại học Hùng Vƣơng Phú Thọ tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn cịn thiếu sót Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hồn thiện có ý nghĩa thực tế Học viên Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - iii - LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT v vii ix ix ix ix x CHƢƠNG 1: 1.1 Ƣu điểm hệ điều khiển số – – – 12 – 12 1.3.1 Sơ – 12 13 CHƢƠNG 2: – ) 26 26 26 30 30 ) 31 31 31 31 35 36 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - iv - -Đ 36 36 37 39 2.6.1 Khảo sát chất lƣợng mạch vòng dòng điện 39 2.6.2 Khảo sát chất lƣợng mạch vòng tốc độ 42 44 2.7.1 Xây dựng sơ đồ thí nghiệm 44 2.7.2 Phần cứng thiết bị thí nghiệm 45 2.7.3 Thiết kế PID cho mơ hình phịng thí nghiệm 48 2.7.4 Các kết thí nghiệm 49 CHƢƠNG 3: 51 51 51 51 53 3.1.4 Phân loại ký hiệu thang máy 53 55 3.1.6 Chức số phận thang máy 56 3.2 Các yêu cầu thang máy 62 3.2.1 Yêu cầu an toàn điều khiển thang máy 62 3.2.2 Dừng xác buồng thang 65 3.2.3 Ảnh hƣởng tốc độ, gia tốc độ giật hệ truyền động thang máy 68 3.3 Các chế độ làm việc thang máy 70 3.3.1 Sơ đồ khối hệ truyến động số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino 70 3.3.2 Điều chỉnh tốc độ 71 71 71 nh 72 – 77 75 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -v- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT ACV: Nguồn xoay chiều DCV: Nguồn chiều A/D: Chuyển đổi tƣơng tự số D/A: Chuyển đổi số tƣơng tự DC: Động điện chiều P: Bộ điều chỉnh tỷ lệ I: Bộ điều chỉnh tích phân D: Bộ điều chỉnh vi phân PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân CPU: Bộ xử lý trung tâm µC : Bộ vi điều khiển PWM : Phƣơng pháp điều chê độ rộng xung điện áp βI : Phản hồi âm dòng điện γn : Phản hồi tốc độ Ucđ : Điện áp chủ đạo Uđk : Điện áp điều khiển Urc : Điện áp cƣa USS : Điện áp so sánh USX : Điện áp sửa xung Uđb : Điện áp đồng FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo SRC : Khối tạo xung cƣa SS : Khối so sánh TXPCX : Khối tạo xung phân chia xung Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lƣợng tử) MS1 : Tín hiệu phản hồi âm tốc độ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - vi - MS2 : Tín hiệu phản hồi âm dòng điện T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM) H(S) : Khâu lƣu giữ Ud : Điện áp biến đổi PWM Uc : Điện áp điều khiển điều chế độ rộng xung Kω : Hệ số khâu lấy tín hiệu tốc độ Ki , Kp : Hệ số biến đổi điều khiển số dòng điện CLPWM Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - vii - Hình 1.3 Ký hiệu cắt mẫu Hình 1.8 Tính ổn định hệ điều khiển xung – số 11 12 i 1.10 – 13 1.11 Card Arduino Uno 13 Hình 1.12 Mạch điện biến đổi PWM có đảo chiều dạng H kiểu ốt 16 Hình 1.13 Đồ thị dòng áp hệ truyền động đảo chiều dùng biến đổi PWM dạng H kiểu Diốt 17 1.14 18 1.15 Encoder tƣơng đối 19 1.16 số loại encoder thông dụng 20 Hình 1.17 Đặc tính truyền đạt A/D 21 Hình 1.18 Sơ đồ khối A/D 21 Hình 1.19 Đồ thị biến đổi điện áp tín hiệu tƣơng tự đầu vào 23 Hình 1.20 Sơ đồ khối trình biến đổi từ số tƣơng tự 24 Hình 1.21 Đồ thị biến đổi D/A 25 Hình 2.1 Đồ thị đặc tính khâu điều khiển I 27 Hình 2.2 Đồ thị đặc tính khâu điều khiển D 27 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID tƣơng tự 28 Hình 2.4 Đồ thị đặc tính khâu điều khiển PID 29 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID số 30 -Đ 31 Hình 2.8 Đáp ứng dịng điện với kp= 0.25; ki = 42 ;T = 0,5Tu= 0,002 41 Hình 2.9 Đáp ứng dịng điện với: kp=0.25; ki = 50 ;T = 0,5Tu = 0,0065 41 Hình 2.10 Cấu trúc mạch vòng tốc độ số 43 Hình 2.12: Đáp ứng tốc độ với T= 0.002;kp= 0.25; ki = 50; k = 0.00058 44 Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ truyền động xung áp động điện chiều đƣợc điều khiển card arduino 45 Hình 2.14 Phần cứng thiết bị thí nghiệm 45 Hình 2.15 Sơ đồ khối hình thí nghiệm 46 Hình 2.16 Giới thiệu IC L298N 47 Hình 2.17 Giới thiệu IC SN74HC08N 47 Hình 2.18 Card arduino 48 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - viii - tlab - simulink 49 Hình 2.20 Cấu hình đầu điều khiển động 49 Hình 2.21: Cấu hình thời gian thực 50 Hình 2.22 Đáp ứng đầu khơng có tải 50 Hình 2.23 Đáp ứng đầu có tải 50 Hình 3.1 Kết cấu khí thang máy 56 3.2 Cảm biến vị trí kiểu khí 59 3.3 Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng 60 3.4 Cảm biến quang 60 Hình 3.5 Cảm biến điện dung 61 Hình 3.6 Cảm biến điện cảm 61 62 Hình 3.9 Phanh bảo hiểm kiểu kìm 63 Hình 3.10 Nguyên lý làm việc hạn chế tốc độ 64 Hình 3.11 Dừng xác buồng thang 66 , tốc độ v, gia tốc a độ giật theo thời gian 70 Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ T-Đ số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino cho truyền động thang máy 70 71 Hình 3.15 72 72 73 73 M theo VOC 75 76 76 d, q 77 78 3.23 78 79 o VOC 79 VOC 79 80 80 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - ix - : – - - - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 67 + Fc - Lực cản tĩnh [N] Dấu (+) dấu (-) biểu thức (3-1) phụ thuộc vào chiều tác dụng lực Fc : Khi buồng thang lên (+) buồng thang xuống (-) S'' viết dƣới dạng sau: D , [m] S" = 2i(M ph ± M c ) J.ω02 (3-2) Trong : J mơmen qn tính hệ quy đổi chuyển động buồng thang, [kgm2] Mph - mômmen ma sát, [N] Mc - mômen cản tĩnh, [N] - tốc độ quay động lúc bắt đầu phanh, [rad/s] D - đƣờng kính puli kéo cáp [m] i - tỷ số truyền Quãng đƣờng buồng thang đƣợc từ công tắc chuyển đổi tầng cho lệnh dừng đến buồng thang dừng sàn tầng là: D S = S, + S" = v0 Δt + 2i(M ph ± M c ) J.ω02 (3-3) Công tắc chuyển đổi tầng đặt cách sàn tầng khoảng cách cho buồng thang nằm hiệu hai quãng đƣờng trƣợt phanh đầy tải không tải Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 68 Bảng 3-1 Hệ truyền động điện Phạm Tốc độ Độ không vi điều di Gia xác chỉnh chuyển tốc dừng tốc độ [m/s] [m/s ] Động KĐB rơ to lồng sóc 1cấp tốc độ 1:1 0,8 1,5 120 150 Động KĐB rơ to lồng sóc cấp tốc 1:4 0,5 1,5 10 15 1:4 1,5 25 35 Hệ máy phát - động (F - Đ) : 30 2,0 2,0 10 15 Hệ máy phát - động có khuyếch đại 1:100 2 10 [mm] độ Động KĐB rô to lồng sóc cấp tốc độ trung gian Sai số lớn (độ dừng khơng xác lớn nhất) : ΔS = S2 - S1 (3-4) Trong đó: S1 - quãng đƣờng trƣợt nhỏ buồng thang phanh S2 - quãng đƣờng trƣợt lớn buồng thang phanh Bảng 3-1 đƣa tham số hệ truyền động với độ khơng xác dừng s 3.2.3 Ảnh hƣởng tốc độ, gia tốc độ giật hệ truyền động thang máy Một điều kiện hệ truyền động thang máy phải đảm bảo cho buồng thang chuyển động êm Việc buồng thang chuyển động êm hay không lại phụ thuộc vào gia tốc mở máy hãm máy Các tham số đặc trƣng cho chế độ việc thang máy là: tốc độ di chuyển v[m/s], gia tốc a [m/s2] độ giật [m/s3] Tốc độ di chuyển buồng thang định suất thang máy, điều có ý nghĩa quan trọng, nhà cao tầng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 69 Đối với nhà cao tầng, tối ƣu dùng thang máy cao tốc (v = 3,5m/s), giảm thời gian độ tốc độ di chuyển trung bình buồng thang đặt gần tốc độ định mức Nhƣng việc tăng tốc độ lại dẫn đến tăng giá thành thang máy Nếu tăng tốc độ thang máy v = 0,75 m/s lên v = 3,5m/s, giá thành tăng lên lần, tuỳ theo độ cao tầng nhà mà chọn thang máy có tốc độ phù hợp với tốc độ tối ƣu Bảng 3-2 Tham số Tốc độ thang máy (m/s) Gia tốc cực đại (m/s2) Gia tốc tính tốn trung bình Hệ truyền động Xoay chiều Một chiều 0,5 0,75 1,5 2,5 3,5 1 1,5 1,5 2 0,5 0,8 0,8 1 1,5 (m/s2) Tốc độ di chuyển trung bình thang máy tăng cách giảm thời gian mở máy hãm máy, có nghĩa tăng gia tốc Nhƣng gia tốc lớn gây cảm giác khó chịu cho hành khách (nhƣ chóng mặt, sợ hãi, nghẹt thở v.v ) Bởi gia tốc tối ƣu a < 2m/s2 Gia tốc tối ƣu đảm bảo suất cao, không gây cảm giác khó chịu cho hành khách, đƣợc đƣa bảng 3-2 Một đại lƣợng định di chuyển êm buồng thang tốc độ tăng gia tốc mở máy tốc độ giảm gia tốc hãm máy Nói cách khác, độ giật (đạo hàm bậc gia tốc độ da dt đạo hàm bậc hai tốc d 2v ) Khi gia tốc a < m/s2 độ giật khơng q 20 m/s3 dt Biểu đồ làm việc tối ƣu thang máy tốc độ trung bình tốc độ cao biểu diễn hình 3.12 Biểu đồ chia giai đoạn theo tính chất thay đổi tốc độ buồng thang: mở máy, chế độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, buồng thang đến tầng hãm dừng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 70 Nếu dùng hệ chuyển động xoay chiều với động không đồng hai cấp tốc độ, biểu đồ đạt gần giống biểu đồ tối ƣu Đối với thang máy chạy chậm, biểu đồ có giai đoạn : Mở máy chế độ ổn định hãm dừng s, v, a, ρ ρ ρ v s a ρ a ρ a ρ t ρ S, tốc độ v, gia tốc a độ giật theo thời gian 3.3 Các chế độ làm việc thang máy 3.3.1 Sơ đồ khối hệ truyến động số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino Sơ đồ hệ truyền động nhƣ hình 3.13 CL DIOT R TR MẠCH CẦU H Ð THANG MÁY CARD ARDUINO ENCODER Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ T-Đ số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino cho truyền động thang máy Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 71 3.3.2 Điều chỉnh tốc độ Để điều chỉnh tốc độ thang máy (cho kỹ sƣ lắp đặt sửa chữa) ta điều chỉnh lƣợng đầu vào Nếu tăng tốc độ ta tăng điện áp đầu vào hệ truyền động, lúc tín hiệu điều khiển sau card arduino tăng dẫn đến t đ tăng Tck ) (khi t đ tđ Tck Tck tđ đk 3.3.4 3.14 n A’ thang A ) Iđm i Hình 3.14 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 72 A’ n n01 A n02 B Iđm i Hình 3.15 ’ 3.15 n02 ) : CL PWM PWM ĐC encoder PWM Card Arduino Hình 3.16 3.17 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 73 PWM CLPWM L ~ C ~ Ð ~ i sinh, 3.18 SCL a,b,c iLa iLb Udc - PWM iLα iLβ usα uLβ uLα sin α-β k-γ cos usβ ΔUdc α-β UL PI d-q UL usd usq α-β iLd d-q sin UL cos UL iLq PI PI ΔiLq ΔiLd i*Lq Số hóa Trung tâm Học liệu U*dc - i*Ld http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 74 - : (iLa, iLb α-β(iLα, iLβ α-β(uLα, uLβ) - - - α - - - - - -q(iLd, iLq) - - - α-β(usα, usβ : UL Ld U Ld Ri Ld L U Lq Ri Lq L = UL di Ld dt di Lq dt Li Lq U sd Li Ld U sq R U Ld L di Ld dt Li Ld Li Lq : Lq : U sd U sq i*q 3.19 i*d Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 75 uLd ΔUdc Udc i PI * d ΔUd + PI + usd + + - + Udc id -ωL iq -ωL + i * q PI + IL : ILd d - q đƣ Lq =0 a, ib γL - UL UL IL i 2L i L2 iL iL iL iL ; q : UL sin UL cos UL U 2L U L2 UL U 2L U L2 3.20 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ usq - 76 PWM Ua Ub Uc CLPWM L ia L ib L ic ia Ð ib Sa Sb S c Udc U*dc _ ref PWM iLα iLβ α-β iLd ΔUdc uLα uLβ α-β sin sin UL k-γ cos UL α-β PI d-q usq usd UL d-q PI PI ΔiLq iLq ΔiLd i*d _ ref uLd uLd usd - i*q _ ref 3.20 3.21 Kp i*d + -id -iq i*q - Ki s R Ls ωL ωL ωL ωL Kp usq Ki s + uLq uLq R Ls : , q: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 77 - KP u *s i* 1 Tt s - 1/ R Ts us Ki s d, q : i(s) u *s L :T R Tt G i (s) 1/ R Ts Ts t : Ti Kp T L 2Tt Kp Hay Ki Kp Ti L 2Tt T L 2Tt L 2Tt L R R 2Tt – + L = 10mH + C = 1000mF + U~ = 220/380, f = 50Hz : + Udc = 650V Tha + Kp = 10 : Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i - 78 + Ki = 1000 : + Kp = 2,6 + Ki = 50 : 3.23 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 79 - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 80 - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 81 - : - - – , - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... động thang máy 68 3.3 Các chế độ làm việc thang máy 70 3.3.1 Sơ đồ khối hệ truyến động số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino 70 3.3.2 Điều chỉnh... 2.12: Đáp ứng tốc độ với T= 0.002;kp= 0.25; ki = 50; k = 0.00058 44 Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ truyền động xung áp động điện chiều đƣợc điều khiển card arduino 45 Hình 2.14 Phần cứng thiết... giật theo thời gian 70 Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ T-Đ số - xung áp động điện chiều điều khiển card arduino cho truyền động thang máy 70 71 Hình 3.15 72 72