2.4.1. Chiết áp
Hình 2.28 Hình ảnh chiết áp
Thông số kỹ thuật
- Tổng góc xoay của chiết áp: 300 5 . - Tuổi thọ của chiết áp: 10000 lần xoay.
Thông điện áp
- Giá trị điện trở: 0 Ω đến 10 KΩ.
- Giá trị nhiễu: 47 mV.
- Điện áp hoạt động: 150 Volage.
2.4.2. Encoder
2.4.2.1 Giới thiệu về Encoder
Hệ thống Optical Encoder (encoder quang) bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh. Encoder quang lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder). Trong đa số các C Motor, incremental optical encoder được dùng và mô hình động cơ servo trong đề tài này cũng là encoder tương đối.
30
Hình 2.29 Cấu tạo encoder quang
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index). Trong hình trên có một lỗ nhỏ phía bên trong của đĩa quay và một cặp phát thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encoder. Cứ mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ sẽ xuất hiện ở vị trí của cặp phát thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp phát thu khác, dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong một vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chỉ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ, chúng ta phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Tuy nhiên, encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút, đây là kênh B của encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 . Bằng cách phồi hợp kênh A và kênh B chúng ta sẽ biết được chiều quay của motor.
31
2.4.2.2. Các thông số của Encoder UTOPI 200SE
32
Tham khảo hình bên dưới để biết thêm thông tin các chân Encoder UTOPI 200SE.
Hình 2.31 Phân biệt các chân Encoder dựa trên màu dây
2.4.3. Motor Yakasawa
2.4.3.1. Tổng quan về motor DC:
Động cơ điện một chiều cho đến ngày nay vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. Động cơ điện một chiều thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp trong hệ thống đòi hỏi có độ chính xác. Động cơ điện một chiều là loại động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính là stator (phần tĩnh) và rotor (phần động).
Stator của động cơ điện một chiều là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cữu nhằm tạo ra từ trường không đổi. Rotor là phần quay, có cấu tạo gồm một hay nhiều cuộn dây quấn (hình bên dưới). Và phần cuối cùng là bộ chỉnh lưu, nó có tác dụng đổi chiều dòng điện liên tục
33
tạo nên chuyển động quay trong rotor. Thông thường bộ phận này gồm có một cổ góp (vành trượt) và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Hình 2.32 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều:
Rotor được kết nối với một nguồn điện một chiều thông qua cổ góp. Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây thì một lực điện từ được tạo ra theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. o đó cuộn dây bắt đầu quay. Lực điện từ gây ra cho cuộn dây đặt trong từ trường, được đánh đấu màu đỏ như hình bên dưới.
Hình 2.33 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Chúng ta thấy rằng khi cuộn dây quay, vành trượt được kết nối với nguồn bắt đầu đổi cực tính. Kết quả là ở bên trái luôn là cực dương và ở bên phải luôn là cực âm. Điều này đảm bảo rằng moment quay luôn cùng một hướng trong suốt quá trình chuyển động. Vì vậy cuộn dây sẽ luôn quay.
34
Hình 2.34 Chiều của lực điện từ tạo nên chuyển động quay
Vành trượt giúp cho chiều cuộn dây luôn chạy theo một hướng từ trái qua phải, do đó lực điện từ luôn có 1 hướng duy nhất
Và khi mặt của cuộn dây vuông góc với các đường sức từ, lúc này lực quay của động cơ bằng 0 (hai lực điện từ cùng nằm trên một đường thẳng và ngược hướng nhau, không tạo ra ngẫu lực), lúc này thì rotor quay nhờ lực quán tính.
Cách điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều:
Tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Để điều khiển tốc độ của động cơ điện, ta có thể điều khiển bằng cách thay đổi điện áp cấp vào phần ứng rotor. Chiều quay của động cơ có thể thay đổi bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần ứng.
Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạch một điện trở nối tiếp hoặc sử dụng một thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp bằng Thyristor, transistor hoặc loại cổ điển hơn nữa bằng các đèn chỉnh lưu hồ quang Thủy ngân. Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áp trung bình đặt vào động cơ thay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật nhanh. Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình. Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V. Trong thời gian "Off", điện áp cảm ứng của phần ứng sẽ làm cho dòng điện không bị gián đoạn, qua một đi ốt gọi là đi ốt phi hồi, nối song song với động cơ. Tại thời điểm này, dòng điện của mạch cung cấp sẽ bằng không trong khi dòng điện qua động cơ vẫn khác không và dòng trung bình của động cơ vẫn luôn lớn hơn dòng điện trong mạch cung cấp, trừ khi tỷ lệ thời
35
gian "on" đạt đến 100%. Ở tỷ lệ 100% "on" này, dòng qua động cơ và dòng cung cấp bằng nhau. Mạch đóng cắt tức thời này ít bị tổn hao năng lượng hơn mạch dùng điện trở. Phương pháp này gọi là phương pháp điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (pulse width modulation, hoặc PWM), và thường được điều khiển bằng vi xử lý. Đôi khi người ta còn sử dụng mạch lọc đầu ra để làm bằng phẳng điện áp đầu ra và giảm bớt tạp nhiễu của động cơ.
2.4.3.2. Thông số kỹ thuật của động cơ
36 Hình 2. 35 Bảng t hông số của Mot or R02 SA
37
Động cơ được bảo vệ tránh trường hợp quá dòng bằng relay nhiệt quá tải Yaskawa RHP – 15/F bảo vệ khi quá dòng.
38
Chương 3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐIỀU KHIỂN 3.1. Thuật toán điều khiển PID
Hình 3.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PI là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PI sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa
giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PI bao gồm thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: khâu tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P,I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số.
Bằng cách điều chỉnh hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PI , bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống.
Trong vài trường hợp chỉ cần sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này có thể thực hiện được bằng cách thiết lập đầu ra cho những khâu không dùng về 0. Bộ điều khiển PI (khuyết khâu ) được dùng khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.
39
Mục tiêu điều khiển của bộ PI là giảm độ vọt lố (POT), giảm thời gian xác lập (ts), triệt tiêu sai số xác lập và giảm dao động.
Hình 3.2 Đồ thị về độ vọt lố và thời gian xác lập
3.2. ộ điều khiển khâu P
Khâu P (tỉ lệ) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi:
P=Kpe(t)
Trong đó:
P: thừa số tỉ lệ của đầu ra
Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh e(t)=SP-PV: sai số theo thời gian t
3.3. ộ điều khiển khâu I
Khâu I tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số và khoảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân Ki.
40
Thừa số tích phân I được cho bởi:
I=Ki∫
Trong đó:
I: thừa số tích phân của đầu ra
Ki: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh
e: sai số theo tính theo thời gian t : một biến tích phân trung gian
3.4. ộ điều khiển khâu D
Tốc độ thay đổi của sai số được tính bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Kd. Thừa số vi phân được cho bởi:
D=Kd
Trong đó:
D : Thừa số vi phân của đầu ra
Kd : Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh
e(t): sai số theo tính theo thời gian t
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn.
Tóm lại:
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PI . Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PI là:
u(t)=MV(t)= Kpe(t)+ Ki∫ + Kd
41
Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động.
Độ lợi tích phân, Ki
Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
Độ lợi vi phân, Kd
Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
3.5. Phương pháp điều chỉnh thủ công các hệ số P, I, D
Đầu tiên, thiết đặt giá trị của Ki và Kd bằng không. Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó Kp có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng Ki đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định. Cuối cùng, tăng Kd, nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, Kd quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PI thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết đặt một giá trị Kp nhỏ hơn một nửa giá trị Kp gây ra dao động.
42
Chương 4. THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRÊN CATIA VÀ TIẾN HÀNH THI CÔNG 4.1. Thiết kế mô hình bằng phần mềm CATIA
4.1.1. Thiết kế tổng quan
Nhằm phục vụ cho nhu cầu giảng dạy về điều khiển và thí nghiệm đo lường trên LabVIEW. Nhóm đã quyết định thiết kế mô hình đặt trong vali có thể tháo rời được. Việc này giúp cho sản phẩm có thể tùy biến hơn trong nhiều mục đích khác nhau mà vẫn đảm bảo được những yếu tố về mặt mĩ thuật cũng như mang tính hiện đại. Với thiết kế nhỏ gọn, mô hình thì được đặt trong vali nên có thể dễ dàng cất giữ và vận chuyển đi lại.
Bảng 4.1 Bảng kích thước tổng thể của vali
Chiều dài tổng 453 mm
Chiều rộng tổng 303 mm
Chiều cao tổng 157 mm
Chiều cao phần dưới (không tính nắp vali) 110 mm
Chiều cao phần nắp vali 47 mm
43
4.1.2. Thiết kế khung chịu lực chính
Mặc dù sản phẩm được thiết kế phải mang tính mĩ thuật và hiện đại. Song, yếu tố kĩ thuật luôn được nhóm em đặt lên hàng đầu. Vì thế phần khung được nhóm em thiết kế bằng nhôm đặc có kích thước 20x20mm. Đặc tính của nhôm mà nhóm chúng em chọn là loại nhôm có rãnh trượt dễ dàng gá lắp, khối lượng riêng nhẹ và màu bạc trông bắt mắt, sang trọng.
Bảng 4.2 Kích thước tổng thể của khung chịu lực
Chiều dài tổng 434 mm
Chiều rộng tổng 284 mm
Chiều cao tổng 60mm
Kích thước tay nắm nhôm (khoảng cách giữa 2 lỗ) 90 mm
Hình 4.2 Khung chịu lực chính
4.1.3. Thiết kế bộ nguồn, các module và bộ CompactRIO
Nhằm đảm bảo cho thiết kế được trực quan và tối ưu hóa việc bố trí các thiết bị, nhóm đã thiết kế lại khối nguồn và các module của National Instruments.
Bảng 4.3 Bảng kích thước tổng thể của khối nguồn
Chiều dài 130 mm
Chiều rộng 55 mm
44 Hình 4. 3 Bộ nguồ n Co mpactRIO 9076
Bảng 4.4 Kích thước tổng thể của CompactRIO
Chiều dài 177 mm
Chiều rộng 88 mm
45
46
4.1.4. Sản phẩm thiết kế mẫu
Hình 4.5 Sản phẩm gồm khung và gá đỡ
47
Hình 4.7 Mô hình sản phẩm khi nhìn trực diện