4.3.1 Thiết kế mạch lực.
Card NI 6014 ghộp nối với cổng PCI của mỏy tớnh chỉ đưa được ra tớn hiệu điều khiển là điện ỏp điều khiển, vỡ vậy để điều khiển tốc độ động cơ một chiều phải thiết kế mạch lực và mạch điều khiển bờn ngoài.
Hỡnh 4.4 Sơ đồ mạch cầu băm xung ỏp một chiều
Điều khiển động cơ một chiều bằng mạch băm xung ỏp một chiều, sơ đồ cầu. Mạch này cú thể đảo chiều tốc độ động cơ. (hỡnh 4.4)
Đõy là sơ đồ mạch băm xung cú thể đảo chiều tốc độ động cơ. Để điều khiển mạch băm xung này cú hai phương phỏp điều khiển: Đú là phương phỏp điều khiển đối xứng và điều khiển khụng đối xứng.
Phương phỏp điều khiển đối xứng:
Trong phương phỏp điều khiển này cỏc cặp van (T1-T4) và cặp van (T2-T3) thay nhau đúng ngắt (hỡnh 4.4). Điện ỏp ra tải cú 2 dấu +E và –E, do đú giỏ trị trung bỡnh của nú là: - D2 + T2 T3 E T4 D3 D1 M T1 D4
< 96 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Ud= T 0 dt ) t ( u T 1 = 1) E(2 1) T t 2 ( E Edt T 1 Edt T 1 T t 0 t 0 0 0
Như vậy: Khi > 0,5 thỡ Ud>0 ; < 0,5 thỡ Ud<0 ; = 0,5 thỡ Ud=0 Điều khiển theo nguyờn tắc này dũng điện sẽ liờn tục, khụng bị giỏn đoạn. Phương phỏp điều khiển đối xứng cú nhược điểm là điện ỏp ra tải bị đảo dấu và độ đập mạch dũng điện tải cao.
u(t)
E
t0 T t
-E
i(t)
Hỡnh 4.5 Đồ thị điện ỏp ra động cơ phương phỏp băm xung đối xứng
Trong phương phỏp điều khiển này với mỗi chiều dũng điện, chỉ cú 1 cặp van mắc thẳng hàng (thớ dụ T1-T2) làm việc đúng cắt ngược pha nhau, cũn hai van
kia sẽ cú 1 van luụn mở và 1 van luụn khoỏ. Điện ỏp ra tải chỉ cú một dấu ở chiều xỏc định (hỡnh 4.6)
U(t) E
t0 T
Hỡnh 4.6 Đồ thị điện ỏp ra động cơ phương phỏp băm xung khụng đối xứng (T4 luụn mở và T3 luụn khoỏ)
T1,T4
T2,T3
T2 mở T1 mở
< 97 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
RSh
Điện ỏp trung bỡnh Ud=E. Phương phỏp này cho phộp giảm độ đập mạch dũng điện 2 lần so với điều khiển đối xứng, và dạng điện ỏp ra tốt hơn.
Trong sơ đồ mạch lực thiết kế dựng vi mạch L298 đó tớch hợp sẵn 2 mạch cầu tranzito lưỡng cực. Sơ đồ 1 cầu van của vi mạch L298 trờn hỡnh 4.7 dưới đõy.
Hỡnh 4.7 Sơ đồ một cầu van của vi mạch L298
Vi mạch L298 cú 2 sơ đồ cầu tranzito, mỗi cầu cú 2 chõn ra và 3 chõn điều khiển. Trong vi mạch đó tớch hợp sẵn cỏc mạch logic để đảm bảo khụng bao giờ 2 van trờn một nhỏnh cầu đều thụng, điều này để bảo vệ khụng bị ngắn mạch làm hỏng van. Trong 3 chõn điều khiển cú một chõn cho phộp(enable), chỉ khi nào chõn này cú logic "1" thỡ cỏc van mới cú thể điều khiển đúng mở được bằng 2 chõn điều khiển.
Điều khiển đối xứng: nếu trong một chu kỳ băm xung 2 chõn In1 và In2 đối với cầu van A (hoặc In3 và In4 đối với cầu van B) cú 2 xung ngược pha nhau.
Điều khiển khụng đối xứng: Nếu trong một chu kỳ băm xung chỉ cú 1 chõn cú xung, chõn cũn lại được đặt ở 1 mức logic( hoặc "0", hoặc "1")
< 98 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Điện ỏp nguồn định mức cấp cho chõn VS là 46 V( tối đa là 50V)
- Dũng định mức qua van:2A;nếu nối song song 2 cầu thỡ dũng định mức cho phộp là 4A
- Điện ỏp nguồn nuụi mạch logic (VSS) : 4,5 7V
- Mức logic điều khiển: "0": -0,3V1,5V Mức "1": 2,3VVSS
4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển
.Mạch tạo xung điều khiển
Hỡnh 4.8 Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển đúng mở cỏc van bỏn dẫn
Trờn mạch điều khiển hỡnh 4.8 cú cỏc thành phần:
- Vi mạch LM3524D: Cú nhiệm vụ tạo ra xung răng cưa với tần số xỏc định bởi cụng thức: frc= 6 3 2 R )C VR ( 18 , 1
, với động cơ servo 1 chiều tần số băm xung yờu
cầu lớn. Tần số băm càng lớn thỡ tốc độ động cơ càng ờm, càng giảm được rung do đập mạch dũng điện. Chọn C6 =10nF, với tần số băm xung frc =40kHz thỡ:
VR2+R3=29,5k; chọn R3=1k và VR2 loại 100k chỉnh tinh.
- Điện ỏp răng cưa ra: ở chõn số 7 vi mạch LM3524D, tăng từ 0,8 đến 3,6V, C5 là tụ 1nF bự điện ỏp, làm cho răng cưa tuyến tớnh hơn.
- Khuếch đại thuật toỏn LF351 làm nhiệm vụ so sỏnh tớn hiệu răng điều khiển với tớn hiệu răng cưa và phỏt ra xung điều khiển.
< 99 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Cỏch li quang 4N35 làm nhiệm vụ khuếch đại xung và cú tỏc dụng như một khõu đảo xung. Chọn R4 = 470 và R5 = 10 k
- Điện ỏp điều khiển lấy từ trờn mỏy tớnh đưa xuống qua đầu ra analog của card NI6014 .
- Xung điều khiển sau khi ra khỏi chõn 5 của cỏch li quang sẽ cựng với đầu điều khiển chạy thuận nghịch(TN) từ mỏy tớnh xuống đến mạch logic tổ hợp để tạo xung đúng mở van.
Mạch logic tạo xung đúng mở van.
Hỡnh 4.9 Mạch logic tạo xung đúng mở van
Nếu muốn chạy thuận TN= '1'. Chõn In3 sẽ cú xung và chõn In4 sẽ ở mức logic '1' Nếu muốn chạy ngược TN='0'. Chõn In3 sẽ cú mức logic '1' và chõn In4 sẽ cú xung. Mạch này thực hiện tạo xung băm theo nguyờn tắc băm xung khụng đối xứng.
< 100 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.4 Sơ đồ tổng thể của thiết bị thớ nghiệm.
Mỏy tớnh giao tiếp với Card NI 6014 qua bus PCI, bằng phần mềm Simulink- Matlab. Tớn hiệu đặt tốc độ được đặt trờn mỏy tớnh. Tớn hiệu đo là tốc độ động cơ, tốc độ tải, dũng điện động cơ.
Tốc độ động cơ và tải được mó hoỏ bằng 2 encoder. Tần số xung ra trờn encoder sẽ tỷ lệ với tốc độ động cơ. Việc đo tần số xung này được thực hiện bằng bộ đếm xung tớch hợp trờn Card NI6014.
Dũng điện được đo bằng cỏch đo điện ỏp phản hồi trờn điện trở Shun sau khi đó qua khõu khuếch đại. Tớn hiệu này vào đầu AI của Card NI614 chuyển thành tớn hiệu số, đưa lờn mỏy tớnh, làm tớn hiệu vào cho bộ lọc ước lượng trạng thỏi.
Vũng điều chỉnh tốc độ được tớnh toỏn bằng mỏy tớnh thụng qua chương trỡnh realtime workshop của Simulink. Đẩy tớn hiệu điều khiển xuống Card, nhờ bộ biến đổi DAC trờn Card tớn hiệu điều khiển được đưa xuống ở dạng tương tự. Tớn hiệu
Mỏy Tớnh (Simulink) Card NI6014 Mạch lực và mạch điều khiển Động cơ, khớp nối và tải(PP400) Tốc độ phản hồi, dũng điện phản hồi Điện ỏp đặt lờn động cơ encoder, Shun PCI bus udk
Hỡnh 4.10 Sơ đồ khối hệ thớ nghiệm thực trờn mụ hỡnh truyền động truyền động khớp nối mềm PP400
< 101 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
này so sỏnh với tớn hiệu xung răng cưa trờn mạch điều khiển. Qua khõu so sỏnh tớn hiệu cú dạng xung đi đúng mở cỏc van bỏn dẫn thực hiện băm xung điện ỏp.
4.5. Cỏc sơ đồ Simulink của hệ thớ nghiệm thực trờn mụ hỡnh truyền động khớp nối mềm PP400 nối mềm PP400
4.5.1. Dựng PI để điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm.
< 102 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
-K- k3_q -K- k2_q -K- k1_q 1 0.01s+1 Transfer Fcn1 1 0.01s+1 Transfer Fcn wl To Workspace8 wm_e To Workspace6 wtb To Workspace3 Tm To Workspace2 Udk To Workspace1 t To Workspace In1 Out1 Out2 Subsystem2 In1 Out1 Out2 Subsystem1 Scope2 Saturation -K- Kt Ki Ki wm Tm wl_e Ts_e wm_e Kalman_filter 1 s Integrator2 Counter Input Counter Input2 National Instruments PCI-6014 [auto] Counter Input Counter Input1 National Instruments PCI-6014 [auto] 3 Constant1 80 Constant 0 Clock Analog Output Analog Output National Instruments PCI-6014 [auto] Analog Input Analog Input National Instruments PCI-6014 [auto]
4.5.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thỏi dựng bộ lọc Kalman điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm. truyền động khớp nối mềm.
Sơ đồ Simulink bộ điều khiển thực nghiệm
Hỡnh 4.12 Sơ đồ Simulink hệ thớ nghiệm thực bộ điều khiển phản hồi trạng thỏi dựng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm
< 103 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.6. Kết luận chƣơng 4
Như vậy trong chương 4 đó trỡnh bày cỏch biến bộ thớ nghiờm PP400 cho hệ truyền động khớp nối mềm thành bộ thớ nghiệm thực đa năng trờn mụ hỡnh truyền động khớp nối mềm PP400. Với bộ thớ nghiệm này cho phộp thớ nghiệm cỏc giải thuật điều khiển khỏc nhau, cỏc phương phỏp điều khiển khỏc nhau sử dụng bộ điều khiển PI, PID, hay cỏc bộ quan sỏt Luenberger, bộ lọc Kalman rất tiện lợi.
Tuy nhiờn do điều kiện, thiết bị, thời gian hạn chế nờn chưa tiến hành thiết kế thực nghiệm để lấy cỏc kết quả so sỏnh và đối chiếu phần mụ phỏng trong chương 3. Vỡ thế đõy cũng là điều kiện để thụi thỳc tỏc giả nghiờn cứu sõu hơn, xõy dựng hệ hoàn chỉnh để lấy cỏc kết quả thực.
< 104 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN:
Theo yờu cõ̀u của đờ̀ tài , sau một thời gian nghiờn cứu tài liợ̀u và tổng hợp tài liệu tỏc giả đó hoàn thành những nội dung cụng việc cụ thể như sau:
Giới thiệu được tổng quan hệ truyền động khớp nối mềm, trỡnh bày cỏc thụng số của hệ truyền động khớp mềm ảnh hưởng đến chất lượng. Từ đú đưa ra cỏc giải phỏp cơ học để khắc phục cũng như cỏc giải phỏp điều khiển để nõng cao chất lượng. Tuy nhiờn cỏc giải phỏp trờn chưa giải quyết triệt để cỏc yờu cầu chất lượng đặt ra. Vỡ thế ở trong chương 3 sẽ hoàn thiện việc thiết kế và mụ phỏng bộ điều khiển phản hồi trạng thỏi dựng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm với tiờu chuẩn tối ưu hàm mục tiờu. Với cỏc ưu điểm của phương phỏp phản hồi trạng thỏi kết hợp với bộ quan sỏt Kalman cú thể giỳp quan sỏt hết tất cả cỏc đối tượng, ước lượng trạng thỏi tốc độ động cơ, tốc độ tải, mụ men xoắn, ước lượng và phản hồi được mụmen tải. Qua đú hạn chế được số lượng sensor và khắc phục được cỏc tớn hiệu mà sensor khụng đo được. Ngoài ra bộ lọc Kalman được xõy dựng cú tớnh đến sự tham dự của nhiễu quỏ trỡnh, nhiễu đo lường nờn bền vững với nhiễu và tốt hơn cỏc bộ quan sỏt khỏc. Điều này được thể hiện qua cỏc chỉ tiờu thời gian đỏp ứng, thời gian quỏ độ, độ quỏ điều chỉnh, đặt biệt là sự bỏm sỏt nhanh giữa đối tượng thực và đối tượng ước lượng trong hệ thống. Đồng thời qua đú cũng so sỏnh được chất lượng của bộ điều khiển đó thiết kế với bộ điều khiển PI thụng thường cho hệ truyền động khớp nối mềm. Và cũng chỉ ra cỏch thay đổi cỏc thụng số nhằm nõng cao chất lượng của hệ thống nhằm tối ưu hàm mục tiờu. Trờn cơ sở phần mụ phỏng cỏc kết quả thu được, tỏc giả thiết kế hệ thống thớ nghiệm thực trờn mụ hỡnh truyền động khớp nối mềm PP400. Để thực nghiệm và so sỏnh với cỏc kết quả mụ phỏng. Tuy nhiờn do điều kiện thời gian, thiết bị hạn chế nờn tỏc giả chưa hoàn thành được thớ nghiệm thực, chưa tiến hành thớ nghiệm thực để cú kết quả so sỏnh với kết quả mụ phỏng được.
< 105 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
2. KIẾN NGHỊ
- Xõy dựng được thớ nghiệm thực trờn mụ hỡnh truyền động khớp nối mềm PP400. Tiến hành thớ nghiệm thực với cỏc thuật toỏn, giải phỏp điều khiển dựng bộ lọc Kalman, bộ quan sỏt khỏc . . .
- Tiếp tục nghiờn cứu và thiết kế bộ điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm cú xột đến tớnh phi tuyến của khớp nối mềm.
< 106 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt
[1] Nguyễn Như Hiển, Bựi Chớnh Minh(2007), “ Thiết kế bộ điều khiển phản hồi
trạng thỏi bằng phương phỏp ỏp đặt cực cho hệ truyền động khớp nối mềm”, Tạp chớ khoa học và cụng nghệ,(Số 2)
[2] Bựi Quốc Khỏnh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi(2002),
Điều khiển tự động truyền động điện, NXB Khoa học - kỹ thuật.
[3] Bựi Quốc Khỏnh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền(2004), Truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật.
[4] Nguyễn Thương Ngụ (2005), Lý thuyết điều khiển tự động thụng thường và hiện đại. Q3. Hệ phi tuyến - Ngẫu nhiờn, NXB Khoa học - kỹ thuật
[5] Nguyễn Thương Ngụ(2005), Lý thuyết điều khiển tự động thụng thường và hiện đại. Q4. Điều khiển tối ưu - điều khiển thớch nghi.
[6] Nguyễn Doón Phước(2007), Lý thuyết điều khiển nõng cao. NXB Khoa học – kỹ thuật, Hà Nội
[7] Nguyễn Doón Phước(2005), Lý thuyết điều khiển tuyến tớnh, NXB Khoa học – kỹ thuật, Hà Nội.
[8] Nguyễn Phựng Quang(2003), MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học - kỹ thuật, Hà Nội.
[9] Đỗ Sanh(2004), Động lực học mỏy, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội.
Tiếng Anh.
[10] Benjamin C.Kuo (2000), Automatic Control Systems,.
[11] C M Johnson B.Sc C.Eng.M.i.Mech(1996), “An introduce to flexible couplings”, Technical Manager-Flexibox.
[12] George Ellis, “Cures for Mechanical Resonance in industrial servo drive”, A Danaher Motion Company, USA.
[13] George Ellis, Robert D. Lorenz(2000), “Resonance load control methods for inductrial servo drives”, IEEE Industry Applications Society, Annual
< 107 >
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Meeting, Rome, Italy.
[14] Gloria Suh, Dae-Sung Hyun, Jung-ll Park, Ki-Dong Lee, Suk-Gyu Lee(2001), “Design of a pole placement controller for reducing oscillation and settling time in a two-inertia motor system.”, IECON-2001.
[15] Gloria Suh, Dae-Sung Hyun, Jung-ll Park, Ki-Dong Lee, Suk-Gyu Lee. “Design of a pole placement controller for reducing oscillation and settling time in a two-inertia motor system”
[16] Hiromi Kawaharada, Ivan Godler, Tamotsu Ninomiya và Hideki Honda(1996), “Vibration Suppression Control in 2-inertia System by Using Estimated Torsion Torque”, IEEE Transactions on Industrial electronics, Vol.43-1996 [17] Jonathan How(2001), Feedback control.
[18] Jun-Keun Ji và Seung-Ki Sun.,”Kalman Filter and LQ Based Speed Controller for Torsional Vibration Suppression in a 2-Mass Motor Drive System.
[19] Jun-Keun Ji và Seung-Ki Sun. Dong-Choon Lee. “LQG Basic Speed controlller for Torsional Vibration Suppression in 2-Mass Motor Drive System”
[20] Koji Sugiura và Yoichi Hori(1996), “Vibration Suppression in 2- and 3- Mass System Based on the Feedback of Imperfect Derivative of the Estimated Torsional Torque”, IEEE-1996.
[21] Motion Village.com. Mechanical Resonance. [22] PT Design Magazine. Mechanical Resonance.
< 108 >