CHƯƠNG 4 THIẾT kế PHẦN CỨNG

CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển động cơ : KHỐI KHUẾCH ĐẠI VÀ CÁCH LY MẠCH CÔNG SUẤT KHỐI HỒI TIẾP KHỐI XUẤT DỮ LIỆU KHỐI NHẬP DỮ LIỆU Nhiệm

CHƯƠNG IV:

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển động cơ :

KHỐI KHUẾCH ĐẠI VÀ CÁCH LY

MẠCH CÔNG SUẤT

KHỐI HỒI TIẾP

KHỐI XUẤT DỮ LIỆU

KHỐI NHẬP

DỮ LIỆU

Nhiệm vụ các khối trong hệ thống :

Khối nguồn + tách zero + lệch pha :

+ Tạo nguồn nuôi +5V,+24V cho mạch điều khiển

π.+ Tách điểm zero để xác định thời điểm ứng với góc kích bằng không

Khối vi xử lý :

+ Phát xung kích cho các SCR

+ Xử lý các tín hiệu hồi tiếp, tín hiệu nhập

+ Hiển thị kết quả

Khối khuếch đại và cách ly :

+ Khuếch đại tín hiệu kích từ vi xử lý để có thể kích được SCR.

+ Cách ly mạch điều khiển và mạch động lực

Mạch công suất :

+ Chỉnh lưu điện áp xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều cung cấp cho động cơ DC

Khối hồi tiếp :

+ Hồi tiếp tín hiệu áp và dòng để hiệu chỉnh tốc độ và moment của động cơ

Khối nhập dữ liệu :

+ Đưa dữ liệu người sử dụng mong muốn vào vi xử lý

Khối xuất dữ liệu :

+ Hiển thị kết quả lên các led 7 đoạn

1 Mạch công suất :

xác lập là 5s Ở sơ đồ cầu chỉnh lưu mỗi SCR chỉ dẫn 1/3 chu kì áp nguồn nên trị trung bình dòng điện qua nó là:

A 33 , 83 3

250 3

I

.Điện áp khoá và áp ngược cực đại đặt lên SCR là:

Ta chọn SCR có số hiệu BStN 35110 có các tham số kĩ thuật như sau:

I h (A)

U gmax (V)

I gmax (A)

t q

Bảo vệ dòng cho linh kiện trên ta dùng cầu chì tác động nhanh có dòng định

=155000

Bảo vệ áp ta sử dụng mạch RC song song với hai chân A, K của SCR

Dùng mạch R//C mắc song song hai chân G, K của SCR để chống kích nhầm

do nhiễu nên mắc gần SCR

Để hồi tiếp điện áp về ta dùng máy phát tốc (tachometer) có tỷ số giữa điện áp và tốc độ quay là 1000 (vòng/phút)/8.2Volt nhằm cách ly mạch điều khiển giữa mạch điều khiển và mạch động lực

Dùng điện trở shunt = 0.001 Ohm để hồi tiếp dòng về để hiệu chỉnh moment

Sơ đồ mạch động lực :

TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP:

Tỉ số vòng dây cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp máy biến áp :

047 0 380

18 U

U N

N

K

SC

TC SC

=

Trị hiệu dụng dòng điện qua cuộn thứ cấp :

245 300 3

2 I.

3

2

(A)Trị hiệu dùng dòng điện qua cuộn sơ cấp :

13230

13127 2

2. Khối nguồn + lệch pha + tách zero:

a Khối lệch pha:

Khoảng xuất hiện áp

khóa trên SCR 1

α=0

Đối với mạch cầu chỉnh lưu ba pha, góc kích α không tính từ thời điểm 0 vì

7 , 6

π

Mạch lệch pha : do tính chất của nguồn ba pha thứ tự thuận ở sơ đồ tia áp dây

đơn giản bằng cách sử dụng áp dây đưa vào mạch điều khiển

O

b Khối nguồn : tạo điện áp DC 5V và 24V làm nguồn nuôi cho mạch vi điều

khiển, mạch khuếch đại, mạch hồi tiếp và các mạch khác

Mạch nguồn :

Ở mạch này ta dùng chỉnh lưu điểm giữa nên ta sử dụng biến áp có điểm

c Khối tách zero : xác định thời điểm góc kích α=0 để đưa vào vi điều khiển AT89C52 dùng làm mốc để phát xung kích Ta dùng mạch sau:

Dạng sóng của ngõ vào và ra :

Ngõ ra LM358

3 Khối vi xử lý :

Vi điều khiển 89C52 sẽnhận các tín hiệu đặt, tín hiệu hồi tiếp xử lý phát

ra xung kích để ổn định tốc độ cho động cơ

IC 74LS393 tạo tần số hoạt động 2 MHz cho ADC 0809 bằng cách lấy tần số thạch anh đưa vào 74LS393 chia 6 ta được tần số 2MHz

IC ULN2004 dùng làm đệm điện áp 5V qua 15V ở ngõ ra Port 1 của vi xử lý ngõ ra của ULN2004 phải dùng điện trở kéo lên

Công dụng các port của vi điều khiển AT89C52 :

+ Port 1 : P1.1 – P1.6 là sáu ngõ kích xung cho 6 SCR theo thứ tự từ

SCR1 đến SCR6

+ Port 0 : dùng xuất nhập dữ liệu

Sơ đồ mạch :

5

2 3 6 4

Mạch giải mã địa chỉ là IC 74LS138; ta có bảng phân vùng địa chỉ như sau:

Mạch tạo xung dao động cho vi xử lý gồm thạch anh X2 12 MHz và hai tụ C12, C13 Như vậy, vi điều khiển AT89C52 hoạt động với chu kì máy là 1

s

µ

Mạch reset: gồm R7, R21, C14 và SW1 tạo xung reset khoảng 2 lần chu

kì máy để reset vi điều khiển AT89C52

4. Khối khuếch đại và cách ly:

Do tín hiệu phát ra từ vi xử lý không đủ năng lượng để kích các SCR do đó ta phải dùng mạch khuếch đại, ta phải điều chỉnh tín hiệu kích trong vùng kích được Và yêu cầu của mạch điều khiển là phải cách ly với mạch động lực ta có thể dùng optron hoặc biến áp xung Ta sử dụng biến áp xung vì mạch biến áp xung đơn giản hơn optron và không cần sử dụng nguồn riêng

Mạch khuếch đại và cách ly:

Diode D7, D8 dùng để ngăn áp âm đưa vào cổng kích GK Diode D39 làm tắt nhanh dòng từ hóa khi xung bị ngắt.

Điện trở Rhd hạn dòng qua MOSFET M1

Xác định áp, dòng kích SCR :

Do ta kích xung có chiều dài là 1ms bằng 1/10 chu kì dòng điện lưới tần số 50Hz Công suất tổn hao trung bình ở cực cổng nằm ngoài vùng gạch chéo ở hình vẽ bên dưới

Theo hình vẽ vùng được gạch chéo là vùng đảm bảo kích; ta chọn điểm

Chọn tỷ số BAX giảm áp từ 4 : 1 để giảm dòng qua transitor và nguồn cấp điện Aùp ngõ vào BAX là 20V và dòng qua cuộn sơ là 1,25 A vậy điện

Chọn MOSFET:

Dòng MOSET là ID= 1.25A và áp trên cực DS là VDS = 4 V Chọn hệ số

tham số kỹ thuật như sau:

(V)

5 Khối hồi tiếp :

Vi mạch ADC 0809 chuyển đổi tín hiệu tương tự ra tín hiệu số (8 bit)

hồi tiếp về là 14,4 V ta phải giảm áp này bằng điện áp so sánh 3.6V, ta sẽ có hệ số tỷ lệ 3,6/14,4 ta chọn hai điện trở R9=820 Ohm và R13=3,3K

Tương tự, ta có dòng điện tối đa qua động cơ Imax = 300 A Áp từ điện trở Shunt hồi tiếp về sẽ là 0.3V suy hệ số tỷ lệ 3,6/0,3; ta chọn điện trở R76=8,2K và R77=680 Ohm

Các điện trở R1 và R5 làm cho OPAMP hoạt động ổn định hơn

Sơ đồ mạch:

1 1

1 2 8 9

1 2

1 6

1 0 9 7

1 7

1 4

1 5 8

6 Khối nhập dữ liệu: nhập các giá trị đặt cho tốc độ và moment.ta sử dụng

các phím nhấn như hình sau:

1 9 1

IC 74LS245 và 74AC32 dùng để mở rộng port 0 R1 là điện trở kéo lên nguồn Hoạt động của mạch: khi SW2 ngắt, điện áp ngõ vào 74lS245 luôn là 5V; khi SW2 đóng điện áp này sẽ bằng 0V.

7 Khối xuất dữ liệu : hiển thị giá trị đặt và giá trị tốc độ hồi tiếp về Ta sử

dụng các đèn LED 7 dùng phương pháp chốt

Sử dụng chốt 74LS573 có ngõ vào được nối với port 0 của vi điều khiển Điện trở 330 giảm dòng vào LED IC 74AC02 tạo tín hiệu chọn chip cho chốt 74LS573

Sơ đồ mạch hiển thị:

V 2

V 1

D P G

8 Giải thuật vi điều khiển:

Ý tưởng giải thuật:

ms 5

Lưu đồ giải thuật vòng hở :

Hiệu chỉnh vòng kín:

Bộ điều khiển số : các vi xử lý, hạt nhân của bộ điều khiển, hiện nay rất

thông dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Sức mạnh vi xử lý là cung cấp các đặc điểm mới như là tự điều chỉnh, điều khiển đa biến, và hệ chuyên gia Khả năng giao tiếp của vi xử lý qua các đường bus và các mạng cục bộ là một lý do khác mà nó được các bộ điều khiển số chấp nhận Bộ điều khiển số dùng cho điều khiển vòng kín gồm các kiểu (mode) điều khiển PI, PD, PID

Lấy mẫu (Sampling):

Một bộ điều khiển số sẽ đo biến điều khiển tại những thời điểm xác định, được phân thành khoảng thời gian (time interval), gọi là thời gian lấy mẫu,

t

∆

Mỗi lần lấy mẫu (hay đo lường) biến điều khiển sẽ chuyển đổi thành các số binary làm input cho các máy vi tính số hoặc microcomputer Máy tính trừ các tín hiệu lấy mẫu với tín hiệu đặt (setpoint) để xác định các sai số (error samples)

Giải thuật điều khiển (control algorithms):

Sau khi tính sai số, bộ điều khiển PID theo một thủ tục gọi là giải thuật

thuật PID có hai loại, bản cấp bậc (positional version) và bản gia tăng (incremental version)

Bản cấp bậc (positional version) xác định vị trí valve, dựa trên các tín hiệu sai số Phương trình (4.1) version đơn giản của giải thuật cấp bậc

t

e PD e t PI

Pe

1

j jn

n

∆

∆ +

∆ +

=

(4.1)

với vn = vi trí valve hiện tại, percent of full scale.

P = độ lợi điều khiển

t

∆

= thời gian lấy mẫu, second

D =derivative action time constant, second

1 n n

∆

= thay đổi theo tín hiệu sai số

Lưu đồ giải thuật như sau:

TÍNH HỆ SỐ D

∆ e = e - e

D =P*D* ∆ e /DELTA n-1

V = P + I + D ĐƯA V RA DAC

ĐỢI LẦN LẤY

MẪU KẾ TIẾP

mn

n

n

n n n n n

n n n-1 n

SP = ĐIỂM ĐẶT

C = MẪU THỨ n CỦA BIẾN ĐIỀU KHIỂNmn

n

P = PROPORTIONAL MODE ACTION

I = INTEGRAL MODE ACTION n

n

D = DERIVATIVE MODE ACTION

DELTA = THỜI GIAN LẤY MẪU DÙNG TÍNH HỆÄ SỐ D

n

e = SAI SỐ THỨ n

Bản gia tăng (incremental version) xác định sự thay đổi của vị trí valve, 0

1 n

e PD e t PI Pe

1

j j1

n 1 n

∆

∆ +

∆ +

∆ +

n n

n

(4.2)

1 n n

∆

2 n 1 n n 1 n

khiển analog

Hiệu chỉnh tích phân (the integral mode):

Hiệu chỉnh tích phân được tính ở phương trình 4.1 có thể cho kết quả không thỏa mãn Hệ số này được tính theo phương trình 4.1 như sau:

(4.3)

ví dụ, hiệu chỉnh tích phân phải thay đổi một lượng tính bằng

được lưu trữ trong máy tính dưới dạng số nguyên (integer) Phương trình 4.4 sẽ được sữa lại

1

∆

Integral mode change = DIV

j

I

e (4.5)

giải (insufficient resolution) Ví dụ, xét một bộ điều khiển số có chiều dài 12-bit Độ phân giải của 12 bit binary là 1/4096 Để minh hoạ một điểm, ta giả sử rằng 1 số binary 12 bit tương ứng với một khoảng các sai số từ -2048

Bất kì giá trị nào của sai số lớn hơn -1000 và nhỏ hơn +1000 ( 48% của khoảng full_scale ) sẽ cho kết quả trong integral mode change nhỏ hơn 1, sẽ được bỏ qua Thay đổi nhỏ này sau đó sẽ mất trừ khi độ phân giải của máy tính thay đổi như ở ví dụ tiếp theo Kết quả cuối cùng luôn có một sai số offset mà hiệu chỉnh tích phân không thể triệt tiêu được

Một cách giải quyết sai số offset này là tăng chiều dài word của máy tính Một word 16 bit có độ phân giải 1/65.536, có thể biểu diễn khoảng sai số từ -32.768 đến 32.767 điều này sẽ giảm sai số offset còn khoảng 3% khoảng full-scale

Một cách khác là cộng một phần không dùng đến của tổng các sai số với sai

xuất hiện hai lần liên tục sẽ không tính được integral mode change vì mẫu bé hơn 1000 Tuy nhiên, mẫu đầu tiên được giữ lại, tổng sẽ là 1800 sẽ tính integral mode change của 1800/1000 =1 dư 800 Số dư 800 được giữ lại và sẽ cộng với sai số ở lần lấy mẫu kế tiếp Mỗi lần số dư tích lũy cộng với sai số hiện tại lớn hơn 1000, một số tăng khác sẽ cộng với integral mode change

Hiệu chỉnh vi phân (dirivative mode)

Hiệu chỉnh vi phân được tính ở phương trình 4.1 cũng có thể cho kết quả không thoả mãn Một tín iệu biến đổi chậm, ví dụ, kết quả trong hiệu chỉnh

vi phân “jumpy” Điều này sẽ xuất hiện thế nào và điều gì được làm để nhuyễn hoá hiệu chỉnh vi phân.

Hiệu chỉnh vi phân được tính theo phương trình (4-1)

1 est PD

1

100

Bảng 1 chỉ hệ số vi phân được tính từ biến điều khiển giảm tại mức

Để phỏng đoán tốt hơn là dùng các mẫu trước để cải tiến sự phỏng đoán

2

2 150 est est

mẫu để để tính giá trị trung bình Ta có thể mở rộng nhiều mẫu trước Một

en-5

= 5 t

est

∆