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.
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)
Hỡnh 4.4 Sơ đồ mạch cầu băm xung ỏp một chiều
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: 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 - D2 + T2 T3 E T4 D3 D1 M T1 D4
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Điều khiển theo nguyờn tắc này dòng 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 dòng điện tải cao.
Hỡnh 4.5 Đồ thị điện ỏp ra động cơ phương phỏp băm xung đối xứng
- Phương phỏp điều khiển khụng đối xứng
Trong phương phỏp điều khiển này với mỗi chiều dòng điện, chỉ cú 1 cặp van mắc thẳng hàng (thớ dụ T1-T2) làm việc đúng cắt ngược pha nhau, còn 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)
Hỡnh 4.6 Đồ thị điện ỏp ra động cơ phương phỏp băm xung khụng đối xứng (T4 luụn mở và T3 luụn khoỏ)
Điện ỏp trung bỡnh Ud=E. Phương phỏp này cho phộp giảm độ đập mạch dòng điện 2 lần so với điều khiển đối xứng, và dạng điện ỏp ra tốt hơn.
T1,T4 T2,T3 E -E T t0 U(t) t i(t) t T1 m1 T2m2 t0 T t U(t)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 còn lại được đặt ở 1 mức logic( hoặc "0", hoặc "1")
Thụng số kỹ thuật của vi mạch L298:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Dòng định mức qua van:2A; nếu nối song song 2 cầu thỡ dòng định mức cho phộp là 4A
- Điện ỏp nguồn nuụi mạch logic (VSS) : (4,5 7) V - Mức logic điều khiển: "0": (-0,31,5) V
- Mức logic điều khiển: "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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 dòng 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.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 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.
- 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.
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, dòng 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.
Dòng 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.
Vòng 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.
Mỏy Tớnh (Simulink) Card NI6014 Mạch lực và mạch điều khiển Động cơ, khớp nối và tải(PP400)
Tốc độ phản hồi, dòng điện phản hồi
Điện ỏp đặt lờn động cơ encoder, Shun
PCI bus (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
udk
Hỡnh 4.10 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tớn hiệu 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 khớp nối mềm PP400
Hỡnh 4.11 Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 bằng thuật toỏn điều khiển PI
700
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 100 Đặt tốc độ In1 Out1 Tính toán tốc độ In1 Out1 Tính toán tốc độ Analog Output Tín hiệu ra National Instruments PCI-6014 [auto] Scope 3 Scope 2 Scope 1 Saturation Analog Input Mô men National Instruments PCI-6014 [auto] Ki s Khâu I K3 K3 K2 K2 K1 K1 Kt Gain4 K Gain 5 Counter Input Encoder động cơ National Instruments PCI-6014 [auto] Counter Input Encoder Tải National Instruments PCI-6014 [auto] 3 Bù Wm Tm K2 K3 dc Bộ quan sát luenberger 4.6. Kết luận chƣơng 4
Chương 4 đó nghiờn cứu và thiết kế hệ thống thớ nghiệm thực trờn mụ hỡnh truyền động khớp nối mềm PP400 gồm một động cơ servo, khớp mềm và tải. Sử dụng Card NI6014 để thu thập tớn hiệu từ hệ thống về mỏy tớnh cũng như đưa tớn hiệu từ mỏy tớnh điều khiển động cơ. Thiết kế mạch lực liờn kết giữa Card NI6014 với hệ thống khớp mềm PP400 để tạo thành hệ thống điều khiển hoàn chỉnh. Trờn cơ sở hệ thống này cho phộp thực hiện cỏc thớ nghiệm về hệ truyền động khớp nối mềm PP400 với cỏc thuật toỏn điều khiển khỏc nhau rất tiện lợi.
Hỡnh 4.12 Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 bằng thuật toỏn điều khiển phản hồi trạng thỏi dựng bộ quan sỏt Luenberger
Khõu PI 700
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
Qua phõn tớch lý thuyết, thiết kế và mụ phỏng với bộ điều khiển phản hồi trạng thỏi dựng bộ quan sỏt Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm ta thấy bộ điều khiển khụng những giải quyết được vấn đề giảm bớt số lượng sensor cũng như ước lượng được cỏc trạng thỏi của hệ khụng đo lường được bằng cảm biến mà nú còn cho đường đặc tớnh tốt.Mặt khỏc phương phỏp điều khiển phản hồi trạng thỏi dựng bộ quan sỏt cú thể giỳp người thiết kế biết được hướng điều chỉnh cỏc thụng số theo cỏc chỉ tiờu đặt ra. Từ đú cú thể thấy được vai trò quan trọng của bộ quan sỏt Luenberger trong điều khiển.
Ngoài ra trong chương 4 còn giỳp người thiết kế tiếp cận với việc thiết kế hệ thống thớ nghiệm thực trờn mụ hỡnh truyền động khớp nối mềm PP400 với cỏc thuật toỏn điều khiển khỏc nhau .
2. KIẾN NGHỊ
Trờn cơ sở mụ phỏng ở chương 3 và thiết kế hệ thớ nghiệm thực trờn mụ hỡnh truyền động khớp nối mềm PP400 để từ đú tiếp tục xõy dựng hệ thớ nghiệm thực nhằm đỏnh giỏ lại lại kết quả mụ phỏng đó thực hiện được.
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.
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 Thị Phƣơng Hà-Huỳnh Thỏi Hoàng, ”Lý thuyết điều khiển tự động”, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chớ Minh-2003.
[2] Bựi Quốc Khỏnh-Nguyễn Văn Liễn-Phạm Quốc Hải-Dƣơng Văn Nghi, ”Điều khiển tự động truyền động điện”, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật- 2002.
[3] Nguyễn Thƣợng Ngụ, ”Lý thuyết điều khiển tự động thụng thường và hiện đại”, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật-2005.
[4] Nguyễn Doón Phƣớc, “Lý thuyết điều khiển tuyến tớnh, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội-2005.
[5] Nguyễn Phựng Quang, “MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội-2003
[6] Đỗ Sanh, ”Động lực học mỏy”, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội-2004.
Tiếng Anh
[7] Hiromi Kawaharada, Ivan Godler, Tamotsu Ninomiya và Hideki Honda, “Vibration Suppression Control in 2-inertia System by Using Estimated Torsion Torque”, IEEE Transactions on Industrial electronics, Vol.43-1996
[8] 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.”, IECON-2001. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[9] George Ellis, Robert D. Lorenz., “Resonance load control methods for inductrial servo drives”, IEEE Industry Applications Society, Annual Meeting, Rome, Italy, 2000.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
[10] George Ellis, ”Cures for Mechanical Resonance in industrial servo drive”, A Danaher Motion Company, USA.
[11] C M Johnson B.Sc C.Eng.M.i.Mech, ”An introduce to flexible couplings”, Technical Manager-Flexibox-1996.
[12] Koji Sugiura và Yoichi Hori, “Vibration Suppression in 2 and 3 Mass System Based on the Feedback of Imperfect Derivative of the Estimated Torsional Torque”, IEEE-1996.
[13] George Ellis, ”Observer In Control Systems”, 2002.
[14] Jonathan How, ”Feedback control”, 2001.