TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỐ

Khảo sát chất lượng hệ thống xung – số HoldCircuitLG WLTP WFHP -ft yt... Giới thiệu về card giao tiếp Card giao tiếp dùng card arduino.. Card giao tiếp Card Arduino Mạch công s

Trang 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỐ

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Ưu điểm của hệ điều khiển số

Ưu điểm sau đây có tính chất quyết định của điều khiển số:

- Điều khiển thông minh

Các chương trình phần mềm cho phép tối ưu hóa điều khiển và thay đổi cáctính năng mong muốn, ví dụ điều khiển mô men hoặc từ thông không đổi Có thểthực hiện điều khiển logic phức tạp nhưng trong trường hợp này giá thành thiết bị rấtđắt và tốn nhiều thời gian thực hiện

- Đơn giản hóa thiết bị, tiêu chuẩn hóa và tích hợp hóa

1.2 Một số vấn đề quan trọng trong hệ điều khiển số

1.2.1 Tín hiệu trong điều khiển số

Bộ điều khiển số hiện nay thực chất là một hệ vi xử lý Cấu trúc hệ điều khiểnsố điển hình như hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc hệ điều khiển số

1.2.2 Mô tả toán học hệ thống xung – số

1.2.2.1 Sai phân của hàm rời rạc và phương trình sai phân

Sai phân cấp k:

1.2.2.2 Phương trình trạng thái hệ điều khiển xung – số

Ta đã biết đối với hệ liên tục mô tả bởi phương trình trạng thái sau đây:

Y(t)

Đối tượngđiều khiển

Khối đoPhản hồi

u(t)X(t)

Trang 2

2 x(t) A.X(t) B.u(t)

1.2.3.2 Các tính chất của biến đổi Z

a Tính chất dịch hàm gốc f(i+1)

b Tính chất tuyến tính

Z{a.f (i) b.f (i) a.F (z) b.F (Z)1  2  1  2 (1-16)

c Giá trị đầu của hàm gốc rời rạc

1.2.4 Hàm truyền đạt hệ thống xung – số

1.2.4.1 Xác định hàm truyền đạt theo phương trình sai phân

Giả sử ta biết được phương trình sai phân hệ thống điều khiển rời rạc có dạng sau:

Trang 3

n m

a y(i n) a y(i n0   1   1) a y(i) b u(i m) b u(i m   0   1   1) b u(i) 

Với điều kiện đầu triệt tiêu, nhờ công thức biến đổi Z của hàm chuyển dịchZ{f(i+m)} = Zm.F(Z), từ (1-28) ta có phương trình đại số theo biến Z sau:

1.2.4.2 Xác định hàm truyền đạt rời rạc theo hàm truyền đạt phần liên tục

Hệ thống xung – số khi có một phần tử tạo xung (PTX) nối tiếp với một phầnliên tục (PLT) Về phương diện toán học: phần tử xung thực (PTX) có thể tách thànhhai thành phần: một là phần tử xung lý tưởng và một nửa là phần tử lưu giữ

Phương pháp phân tích hệ thống về sau, ta sẽ ghép phân tử lưu giữ (LG) vớiphần tử liên tục và tạo thành một phần liên tục quy đổi (PLTQĐ) Việc tách và ghéptheo cách vừa trình bày chỉ tồn tại ở phương diện phân tích toán học Khi đó ta có sơ

đồ tương đương vẽ trên hình 1.5

Hình 134 Sơ đồ tương đương

Đối với phần tử liên tục qui đổi sẽ gồm nối tiếp phần tử LG mô tả bởi hàmtruyền đạt liên tục WLG(p) và PLT có WLT(p)

Khi đó hàm truyền đạt PLTQĐ, ký hiệu WLTQĐ(p):

WLTQD(p) = WLG(p).WLT(p)

Sơ đồ hình 1.5, đơn giản ta có thể biểu diễn bằng cấu trúc trên hình 1.6 vớikhóa ngắt K đặc trưng cho phần tử xung lý tưởng ()

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc

Đối với phần tử LG, tùy thuộc vào dạng xung thực tế mà PTX mà WLG(p) códạng khác nhau

1.2.4.3 Hàm truyền đạt của hệ thống xung – số kín

Ta xét hệ thống rời rạc cơ bản như hình 1.6

PTXLý tưởng

PLTQui đổi

Trang 4

4

Hình 1.2 Hệ thống rời rạc cơ bản

Hàm truyền đạt hệ kín Wk(z) là:

1.2.5 Tính ổn định của hệ thống xung số

Tượng tự như trong hệ thống liên tục, một quá trình điều khiển trong hệ thốngxung – số gồm hai quá trình: xác lập và quá độ Nghiệm riêng phương trình sai phânbậc n đặc trưng cho quá trình quá độ:

Ta có thể thấy quan hệ giữa mặt phẳng p và mặt phẳng Z

α > 0: Nửa bên phải mặt phẳng p

α = 0: Trục ảo jω

α > 0: Nửa bên trái mặt phẳng p

Z > 1: Bên ngoài vòng tròn đơn vị

Z = 1: Đường tròng bán kinh 1

Z < 1

1.2.6 Khảo sát chất lượng hệ thống xung – số

HoldCircuit(LG)

WLT(P)

WFH(P)

(-)f(t)

y(t)

Trang 5

Khảo sát chất lượng hệ xung số là quá trình tính toán, mô phỏng để thể hiệncác đường cong quá độ i(t) = f(t) và n(t) để từ đó giúp chúng ta đánh giá chất lượnghệ truyền động qua các chỉ tiêu: thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, số lần dao động.Để tính toán và mô phỏng quá trình quá độ thì từ các phương pháp khảo sát ổn định,

ta khảo sát hàm số truyền của hệ thống kín với hai mạch vòng là mạch vòng dòngđiện (Wik(z)) và mạch vòng tốc độ (Wnk(z)), hoặc chuyển thành hàm số truyền theođại số

1.3 Giới thiệu hệ truyền động xung – số được điều khiển bởi card arduino

1.3.1 Sơ đồ khối hệ truyền động xung – số được điều khiển bởi card arduino

Hình 1.12 là sơ đồ khối hệ truyền động xung – số được điều khiển bởi cardarduino

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ truyền động xung – số

1.3.2 Giới thiệu các thiết bị trong sơ đồ

1.3.2.1 Giới thiệu về card giao tiếp

Card giao tiếp dùng card arduino Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùngđể lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc cácthiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng dễ sửdụng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu Arduino có ưu điểm là mức giá thấp và tính chấtnguồn mở từ phần cứng tới phần mềm

Hình 1.6 Card Arduino Uno

1.3.2.2 Động cơ điện một chiều

Động cơ dùng trong sơ đồ là động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Card giao tiếp (Card Arduino)

Mạch công suất (PWM)

D/A Dòng điệnCảm biến

Encoder

Động cơ điện một chiều

Máy tính

Trang 6

6

-1.3.2.3 Mạch công suất

Mạch công suất sử dụng bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) Ta sửdụng bộ biến đổi PWM có đảo chiều dạng H kiểu Điot

1.3.2.4 Encoder

Encoder (bộ mã hoá vòng quay) gồm một bộ thu phát hồng ngoại và một đĩachia lỗ được đặt giữa hệ thống thu phát này Đĩa được gắn trên trục của động cơ hoặctrục chuyển động Quá trình đĩa chuyển động làm cho phần photo sensor thay đổitrạng thái và tạo ra một chuỗi các xung vuông trên đầu ra Đây là thông số kĩ thuậtquan trọng của một encoder Tuỳ theo số lỗ trên đĩa mà số xung tạo ra trong mộtvòng quay của đĩa khác nhau Số lượng xung càng lớn nghĩa là số lỗ càng nhiều trênmột vòng tròn 3600 Nghĩa là ta càng có thể điều khiển chính xác Chúng ta có thểthấy có nhiều loại encoder dùng từ trường hoặc trên đĩa có nhiều vòng lỗ nhưng loạithông dụng và đơn giản nhất là sử dụng ánh sáng như trên Trong thực tế chúng ta cóthể thấy các bộ encoder trên các động cơ DC chứ không chỉ là các thành phần độclập Việc lựa chọn và sử dụng hai loại encoder này đều có những ưu và nhược điểmriêng

1.3.2.5 Bộ chuyển đổi tương tự – số (A/D) và số tương tự (D/A)

a Bộ chuyển đổi tương tự – số

* Khái niệm: Ngày nay trong hệ thống truyền động thường sử dụng nhiều truyền

động dạng số, để xử lý phối ghép giữa các tín hiệu tương tự và số, người ta sử dụngmạch chuyển đổi tương tự-số được ký hiệu: A/D

b Bộ chuyển đổi số – tương tự

Tín hiệu số được xử lý từ máy tính hoặc từ hệ vi điều khiển cần phải chuyểnsang tín hiệu tương tự để điều khiển khâu chấp hành Vì vậy cần có bộ biến đổi từ tínhiệu số sang tín hiệu tương tự gọi tắt là D/A

1.3.2.6 Máy tính

Máy tính được cài phần mềm matlab dùng để thiết kế bộ điều khiển trênsimulink trên matlab và điều khiển trực tiếp đối tượng thực thông qua mạch arduinovà arduino IO toolbox

CHƯƠNG 2

1 +

2

3

ut

id

Trang 7

KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ

(PWM – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU)

2.1 Xây dựng hàm số truyền của các khâu trong hệ điều khiển số

2.1.1 Xây dựng hàm truyền bộ PID số

Từ bộ điều khiển kinh điển PID có đặc tính mềm dẻo, được sử dụng rất phổbiến và đem lại hiệu quả cao trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động hiện nay.Trong vi điều khiển hay máy vi tính cũng có các bộ PID số và cách thiết lập bộ PIDsố như sau:

2.1.1.1 Thuật toán điều khiển tỷ lệ

2.1.1.3 Thuật toán điều khiển vi phân D

( )

;( ) D dx t

2.1.1.4 Thuật toán điều khiển PID

Bộ PID số cũng có các bộ điều khiển P, I, D, PI, PD, PID và luật điều khiểngiống như bộ điều khiển PID tương tự, chỉ khác PID số có thể lập trình trên máy tínhhoặc vi điều khiển, vi xử lý Sơ đồ cấu trúc cũng có dạng như sau:

Trang 8

8

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID số

2.1.2 Xây dựng hàm truyền động cơ điện một chiều

2.1.4 Xây dựng hàm truyền của vi điều khiển (hay máy tính)

Hàm truyền của vi điều khiển (hay máy tính) mà đặc tính là khâu lưu giữ cóhàm truyền như sau:

=1-e -sT H(s)

S

2.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số

Từ sơ đồ khối và hàm truyền của các khâu ta xây dựng được sơ đồ khối nhưsau:

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển số T-Đ

KP

Ci(t)

KiT(Z+1) 2(Z-1)

K.(Z-1) T.Z

Ci(z)

e(iT)E(Z)

+ + +

WD(S) WE(S)

T2MT

Trang 9

2.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển số

Tổng hợp hệ điều khiển số là quá trình xây dựng hàm số truyền các mạch vòngkín của hệ truyền động số cụ thể là: Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng kíntốc độ, từ hàm số truyền kín của các mạch vòng này chúng ta sẽ xây dựng phương trình đặctính của hàm số truyền của hai khâu trên để từ đó chúng ta tiếp tục khảo sát ổn định, chấtlượng của hệ điều khiển số

2.3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện dưới đây:

Trang 10

2.3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ

Ta có các số liệu tính toán: T = 0,00165; Kp = 0,26; Ki = 42; Kω = 0,0006

Sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta tổng hợp mạch vòng tốc độ theo sơ

Trang 11

Hàm truyền hệ kín của mạch vòng tốc độ

0ω Kω

2.4 Xây dựng phương pháp khảo sát ổn định

Chúng ta có hai phương pháp khảo sát ổn định là phương pháp khảo sáttrực tiếp (từ phương trình đặc tính của các mạch vòng ta sẽ tìm nghiệm z, khi nghiệm

z nằm trong đường tròn thì hệ ổn định) và phương pháp đại số thì ta sẽ khảo sát theotiêu chuẩn đại số

2.5 Tính toán và khảo sát ổn định cho hệ truyền động PWM-Đ

2.5.1 Khảo sát và tính toán mạch vòng dòng điện

Từ hàm số truyền đạt hệ kín của mạch vòng dòng điện

2.5.2 Khảo sát và tính toán mạch vòng tốc độ

Từ hàm truyền đạt kín của mạch vòng tốc độ

Trang 12

Xét ổn đinh theo tiêu chuẩn Routh cho kết quả hệ ổn định

2.6 Khảo sát chất lượng hệ thống truyền động điện

Dùng phần mềm matlab simulink để mô phỏng

2.6.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện

a Chuyển đổi hàm số truyền mạch vòng dòng điện sang hàm số truyền theo Z

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như hình 2.7, hàm WHi(Z) và Ri(Z)

b Sử dụng phần mềm MATLAB SIMULINK mô phỏng hệ thống

Sau khi thay các thông số đã tính toán tiến hành Sử dụng phần mềm MATLABSIMULINK mô phỏng hệ thống ta được kết quả mô phỏng ở hình 2.3

Hình 2.3 Đáp ứng dòng điện với k p = 0.25; k i = 42 ;T = 0,5Tu= 0,002

Ri(Z)

Trang 13

Hình 2.4 Đáp ứng dòng điện với: k p =0.25; k i = 50 ;T = 0,5Tu = 0,0065

Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện cho thấy đáp ứng dòng điện đạt cácyêu cầu của hệ thống:

+ Độ quá điều chỉnh  % < 20 %

+ tqđ = 0,025 s

+ Sai lệch tĩnh = 0

2.6.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ

a Chuyển đổi hàm số truyền mạch vòng tốc độ sang hàm số truyền theo Z

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ số hình 2.5

Hình 2.5 Cấu trúc mạch vòng tốc độ số.

b Sử dụng phần mềm MATLAB SIMULINK mô phỏng hệ thống

Sau khi thay các thông số đã tính toán tiến hành Sử dụng phần mềm MATLABSIMULINK mô phỏng hệ thống ta được kết quả mô phỏng ở hình 2.11

WHn(Z)

R n (Z)

Trang 14

14

-Hình 2.6 Đáp ứng tốc độ với; k p =0.25; k i = 42; k =0.0006 ;

T = 0,5 Tu = 0,00165

Hình 2.7: Đáp ứng tốc độ với T= 0.002;k p = 0.25; k i = 50; k = 0.00058.

Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ cho thấy đáp ứng dòng điện đạt các yêu

cầu của hệ thống :

+ Độ quá điều chỉnh  % < 26 %

+ tqđ = 0,6 s

+ Sai lệch tĩnh = 0

2.7 Thực nghiệm

2.7.1 Xây dựng sơ đồ thí nghiệm

Hình 2.13 là sơ đồ khối của hệ truyền động xung áp động cơ điện một chiều

được điều khiển bởi card arduino

Card Giao tiếp

A0

DI

Mạch Công suất

Động cơ

Chuẩn hóa Tín hiệu EncoderCONTROLLER

Máy phát

Hình 2.8 Sơ đồ khối của hệ truyền động xung áp động cơ điện một chiều được điều

khiển bởi card arduino.

2.7.2 Phần cứng của thiết bị thí nghiệm

Trên cơ sở sơ đồ khối hình 2.8, tiến hành lắp rắp phần cứng của thiết bị thí

nghiệm như hình 2.9

Hình H3-24a: Đáp ứng tốc độ với; k p =0.25; k i = 42; k  =0.0006 ;T = 0,5 Tu = 0,00165

Trang 15

2.7.2.4 Giới thiệu card arduino

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình và tương tác vớivới các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, và các thiết bị khác

Trang 16

16

-Hình 2.11 Card arduino

2.7.3 Thiết kế PID cho mô hình trong phòng thí nghiệm

Các thông số được tính toán từ lý thuyết như sau:

Kp = 9/pi; KI = 4; KD = 0,1Sử dụng máy tính và card arduino điều khiển động cơ một chiều

2.7.4 Các kết quả thí nghiệm

Quá trình thí nghiệm được tiến hành ở hai chế độ:

+ Chế độ không tải: máy phát không nối với tải+ Chế độ có tải: máy phát được nối qua tảiKết quả thí nghiệm được trình bày ở hình 2.15 và hình 2.16

Sơ đồ cấu trúc điều khiển được cài trong matlab để điều khiển và kiểm tra hệ thống được chỉ ra trên hình 2.12

Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển trên mô hình matlab - simulink

Cấu hình đầu ra điều khiển động cơ

Trang 17

Hình 2.13 Cấu hình đầu ra điều khiển động cơ

Cấu hình thời gian thực

Hình 2.14: Cấu hình thời gian thực

Kết quả khi không có tải

Hình 2.15 Đáp ứng đầu ra khi không có tải

Kết quả khi có tải

Hình 2.16 Đáp ứng đầu ra khi có tải

Trên hình 2.15, ta nhận thấy hệ điều khiển số cho chất lượng đầu ra rất tốt, đápứng được yêu cầu đặt ra: tqđ = 1000 ms = 1s, sai lệch tĩnh bằng 0, độ quá điều chỉnhbằng 0, khi có nhiễu thì hệ thống được tự động trở về trạng thái ổn định Với kết quảnày ta thấy hệ thống thí nghiểm ổn định, khẳng định hệ thống đảm bảo chất lượng

Trang 18

18

-CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỐ XUNG ÁP ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CHO THANG MÁY

3.1 Khái niệm chung về thang máy

3.1.1 Giới thiệu

Thang máy là một thiết bị chuyên dừng để vận chuyển người, hàng hóa, vậtliệu, theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng một góc nhỏ hơn 15° so vài phươngthẳng đứng theo một góc đã định sẵn Nó là một loại hình máy nâng chuyển được sửdụng rộng rãi trong các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân như trong khai tháchầm mỏ, trong ngành xây dựng, luyện kim, công nghiệp nhẹ ở những nơi đó thangmáy được sử dụng để vận chuyển hàng hóa, sản phẩm, đưa công nhân tới nơi làmviệc có độ cao khác nhau…Nó đã thay thế cho sức lực của con người và đã mang lạinăng suất cao

3.1.2 Lịch sử phát triển của thang máy

Năm 1743, Thang máy đầu tiên được chế tạo dưới triều đại vua Louis XV, ởVersailles

Cuối thế kỷ 19 trên thế giới mới chỉ có một vài hãng thang máy ra đời nhưOTIS, SCHINDLER, chiếc thang máy đã được chế tạo và đưa vào sử dụng của hãngthang máy OTIS năm 1853 Đến năm 1874 hãng thang máy SCHINDLER cũng đãchế tạo thành công những thang máy khác Ban đầu bộ tời kéo chỉ có một tốc độ,cabin có kết cấu đơn giản, cửa tầng đóng bằng tay, tốc độ di chuyển của cabin thấp.Đầu thế kỷ 20 có nhiều hãng thang máy khác ra đời như: KONE, MISUBISHI,NIPPON ELEVATOR… THYSEN, SABIEM đã chế tạo các loại thang máy có tốcđộ cao, tiện nghi trong cabin tốt hơn và êm hơn

3.1.3 Tình hình sử dụng thang máy ở Việt Nam

Thị trường sử dụng thang máy lớn nhất ở nước ta là hai thành phố lớn : Thủ đôHà nội và thành phố Hồ Chí Minh, đây là nơi tập trung các công sở, trung tâm thươngmại, các chung cư cao tầng Hầu hết các tòa nhà cao tầng đều đã được lắp đặt thangmáy Không chỉ dừng lại ở những trung tâm lớn, mà thị trường sử dụng thang máy đãvà sẽ được mờ rộng tới các thành phố, thị xã, các khu công nghiệp khác trong cảnước

3.1.4 Phân loại và ký hiệu thang máy

Thang máy hiện nay đã được thiết kế và chế tạo rất đa dạng với rất nhiều kiểu,loại khác nhau để phù hợp với mục đích sử dụng của từng công trình, có thể phân loạithang máy theo các nguyên tắc và đặc điểm sau :

* Phân loại theo công dụng: có 5 loại theo TCVN 5744-1993)

- Thang máy chuyên chở người

- Thang máy chuyên chở người có tính đến hàng đi kèm

- Thang máy chuyên chở hàng có người đi kèm

- Thang máy chuyên chớ hàng không cỏ người đi kèm

Ngoài ra còn có các loại thang chuyên dùng khác như thang máy cứu hỏa, chở ôtô,

3.1.5 Cấu tạo thang máy

Kết cấu , sơ đồ bố trí thiết bị của thang máy giới thiệu trên hình 4.1

Định dạng
Số trang	28
Dung lượng	3,26 MB