Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều để điều khiển chuyển động máy công nghiệp

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lê Phúc Thảo Sinh ngày: 15 tháng 11 năm 1985 Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tạ

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Phúc Thảo

Sinh ngày: 15 tháng 11 năm 1985

Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề số 1 – Bộ quốc phòng

Tôi xin cam đoan đây là toàn bộ nội dung luận văn “Nghiên cứu khảo sát và

tí nh toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều để điều khiển chuyển động máy công nghiệp”, được thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp hướng dẫn Các

tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn Các số liệu nêu trong luận văn

là trung thực Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tôi xin cam đoan nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm./.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Lê Phúc Thảo

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo PGS.TS Võ Quang

Lạp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian nghiên cứu có hạn, nên có thể luận vẫn còn những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo

và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Lê Phúc Thảo

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VII

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI HỆ TRUYỀN ĐỘNG 2

1.1 Sơ đồ khối hệ truyền động 2

1.2 Chức năng và nhiệm vụ các khối trong sơ đồ 2

1.2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 2

1.2.2 Giới thiệu biến tần MB420 4

1.2.3 Giới thiệu về PLC S7-300 10

1.3 Các mạch vòng phản hồi 20

1.3.1 Mạch vòng phản hồi tốc độ (encoder) 20

1.3.2 Mạch vòng phản hồi âm dòng điện 21

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG 22

2.1 Xây dựng hệ điều khiền vecter 22

2.1.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha 22

2.1.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ … stator ( ,  ) 24

2.1.3 Quy đổi các đại lượng của động cơ 27

2.1.4 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ 29

2.1.5 Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ 33

2.1.6 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ 35

2.1.7 Cơ sở để xây dựng hệ điều khiển vecter 37

2.2 Xây dựng hệ điều khiển số biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha 42

2.3 Khảo sát ổn định hệ điều khiển số 45

2.3.1 Xây dựng hàm số truyền kín của các mạch vòng phản hồi 45

2.3.2 xây dựng lý thuyết khảo sát ổn định theo tiêu chuẩn hệ số 49

2.4 Quá trì nh khảo sát cụ thể 51

2.4.1 Khảo sát ổn định mạch vòng dòng điện 51

2.4.2 Quá trì nh khảo sát ổn định mạch vòng tốc độ 57

2.5 Khảo sát chất lượng hệ truyền động 60

a Sử dụng phần mềm Matlap simulink 60

1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 60

2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 62

b Sử dụng phần mềm Pascal 65

1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 65

2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 69

CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM 73

3.1 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm 73

3.2 Nguyên lý làm việc 75

3.3 Thí nghiệm 75

3.3.1 Bài thí nghiệm 1 (khâu P) 76

3.3.2 Bài thí nghiệm 2 (khâu PI) 76

3.4 So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với tính toán 77

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300 CHO THANG MÁY 79

4.1 Công dụng của thang máy 79

4.1.1 Tì nh hì nh sử dụng thang máy ở Việt Nam 79

4.1.2 Phân loại và kí hiệu thang máy 80

4.1.3 Cấu tạo của thang máy 83

4.2 Chế độ làm việc của tải và yêu cầu của hệ truyền động điện dùng trong thang máy 85

4.2.2 Các yêu cầu về truyền động điện 87

4.2.3 Các yêu cầu về năng suất, dừng chí nh xác, tiết kiệm năng lượng và AT 88

4.2.4 Sơ đồ mạch điện và nguyên lý làm việc 93

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ

Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ được lấy từ Encoder

Ki , Kp : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện

Ku : Hệ số khuếch đại của bộ biến tần

WKI : Hàm số truyền kín của mạch vòng dòng điện

CT, C0T : Ma trận quy đổi

W1(P) : Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2-2 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định

Hình 2-3 Hệ tọa độ cố định trên stator (, ) về hệ tọa độ cố định trên

Hình 2-4 Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định

stator ( ,  ) và hệ tọa độ cố định rotor (x, y) 27

Hình 2-5 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định

stator ( ,  ) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 29

Hình 2-8 Định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor

Hình 2-9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ

Hình 2-10 Sơ đồ cấu trúc chi tiết hệ thống TĐĐ sử dụng biến tần và

Hình 2-11 Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động

Hình 2-12 Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ truyền động điện sử dụng

Hình 2-13 Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ điện sử dụng biến tần và

Hình 2-26a Đáp ứng dòng điện với k p = 0,25; k i = 50; T= 0,5T u = 0,002 62

Hình 4-3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường s, tốc độ

v, gia tốc a và độ giật  theo thời gian 87

Hình 4-5 a) Sơ đồ xác định độ chí nh xác khi dừng buồng thang; b)

Sự phụ thuộc của độ dừng chính xác ∆S của buồng thang vào trị số tốc độ và gia tốc

91

LỜI MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu của luận văn

Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đang được sử dụng phổ biến, song hệ biến tần này được điều khiển bằng máy tính hoặc PLC là một hệ thống truyền động mới thông minh và hiện đại

Ở phòng thí nghiệm của Nhà trường có bộ biến tần động cơ điện xoay chiều này, được điều khiển bằng PLC S7 -300 Để nắm được nguyên lý hoạt động của

hệ truyền động, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vào truyền động trong máy sản

xuất nên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khảo sát và tí nh toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều để điều khiển chuyển động máy công nghiệp”

Kết quả đề tài sẽ làm tài liệu quý giúp cho nghiên cứu học tập đồng thời có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để vận hành, sửa chữa những thiết bị ngoài thực

tế

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tính toán khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều được điều khiển bằng PID S7-300 đây là một hệ thống điều khiển số Việc tính toán khảo sát dựa trên kết quả mô phỏng giúp chúng ta kiểm nghiệm so sánh với kết quả thí nghiệm

- Tiến hành thí nghiệm và kiểm nghiệm các chế độ làm việc của hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều được điều khiển bởi bộ PID S7-300 cụ thể là: Xác định được chất lượng của hệ thống với các bộ điều khiển được ứng dụng là khâu P và khâu PI trong mạch vòng tốc độ để so sánh với lý thuyết tính toán, đồng thời thông qua thí nghiệm giúp cho việc nắm sâu sắc hơn về nguyên lý làm việc của hệ thống này và hiểu được quá trình vận hành điều khiển hệ thống

- Từ kết quả lý thuyết và thực nghiệm chúng ta khẳng định ứng dụng của hệ truyền động này là khả thi, từ đó đề xuất ứng dụng cho một số máy trong công nghiệp

- Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Võ Quang Nạp ở luận văn này sau khi nghiên cứu tôi chọn ứng dụng kết quả để điều khiển chuển động co một thang máy

3 Nội dung luận văn

Nội dung luận văn gồm 3 chương:

Chương I: Xây dựng sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển PID S7-300

Chương II Khảo sát tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều

Chương III Thí nghiệm

Chương IV Ứng dụng

Chương 1 Xây dựng sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều điều khiển PID S7-300

1.1 Sơ đồ khối hệ truyền động

Encoder Động cơ 3 pha

Tín hiệu xung Encoder chuyển đổi sang tốc độ động cơ

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống

1.2 Chức năng nhiệm vụ của các khối trong sơ đồ

1.2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc

Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha trong sơ đồ là đối tượng điều khiển của hệ truyền động Động cơ này được điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi tần số của điện áp ra biến tần, công thức tính momen của động cơ này được thể hiện như sau:

2

1

2 1 2 1

1

2 1

) ( 8

3

2 2

.

2

3

f

U L

p L f f

p U

2 n

M mm

Hình 1.2: Đường đặc tính của động cơ KĐB

- Phương pháp 2: Tăng tần số nhưng giữ nguyên điện áp ta được đạc tính như (hình 1.3)

Phương pháp này rất thích hợp trong quá trình điều chỉnh tốc độ của máy sản xuất Momen biến thiên công suất là hằng số với phương pháp điều chỉnh tốc

độ này tạo ra khả năng ứng dụng của động cơ này rất lớn, đặc biệt nó dùng trong

hệ thống tự động truyền động điện biến tần động cơ điện xoay chiều được ổn định tốc độ thì hệ thống này không kém gì hệ truyền động tự động Vì vậy hệ truyền động này được sử dụng phổ biến trong hệ thống máy công nghiệp

1.2.2 Giới thiệu biến tần MB420

Biến tần ở nước ta hiện có rất nhiều loại do các công ty của nước ngoài cung cấp như Siemen, Mishubishi … dưới đây là hình ảnh của biến tần MB420 cảu hãng Simen

Sơ đồ mạch động lực của biến tần (hình 1.5), quá trình khống chế các van từ

V1 đến V6, điện áp pha, dòng điện qua van, qua đi ốt và dòng điện qua phụ tải được thể hiện như trên (hình 1.6) Với việc khống chế theo phương pháp bình thường thì điện áp ra là không đạt hình Sin Và để điều khiển biến tần có thể điều chỉnh theo 3 phương pháp sua:

- Phương Pháp khinh điển

- Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM – puls with modulation)

- Phương pháp điều khiển vecter không gian (Space vecter modulation – SVM)

Trong 3 phương pháp trên thì phương pháp điều khiển vecter không gian có nhiều ưu điểm vì vậy trong hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều người ta thường dùng phương pháp này Dưới đây là nội dung của phương pháp điều khiển vecter không gian

Hì nh 1.6: Giản đồ khống chế các van và dòng, áp của các phần

tử trong sơ đồ biến tần 3 pha

a) Khái niện về điều khiển vector không gian

Trước hết ta cần đưa các khái niện về vector không gian Một hệ thống điện

áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector gồm ba thành phần điện áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector gồm ba thành phần: u = (ua, ub, uc) hoặc I = (ia, ib, ic) chách biều diễn này không thuânh tiện vì mỗi vector biểu diễn bởi ba tọa độ, hay nói cách khác cần một hệ trục tọa độ gồm ba trục cơ bản để mô tả các vector Park đã đưa ra phép biến đổi gọi là phép biến đổi Park, cho phép biến đổi tọa độ ba trục bất kỳ về tọa độ hai trục, thuận tiện cho việc biểu diễn vector theo cách con người có thể nhìn nhận một cách thông thường

Phép biến đổi của Park dù một hệ thống ba pha bất kỳ, điện hay dòng điện biểu diễn qua một vector trên mặt phẳng tọa độ 0 như sau:

3

c B

1 3 2

j e

b) Trạng thái của van và các vector chuẩn

Trong sơ đồ nghịch lưu áp ba pha như hình 1.5,các van điều khiển phải tuân theo những quy luật nhất định, đó là không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào, không được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra

Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vòa vì sé sinh ra dòng lớn, phá hủy van Khi van điều khiển không nối một pha đầu a nào đó với thanh dẫn (+) hoặc (-) của nguồn một chiều, dòng có thề vẫn phải chạy qua các diode, dẫn điện

áp ra phụ thuộc vào tải, nghịc lưu không còn là nghịc lưu áp như mong muốn

Do những quy luật trên chỉ có 8 trạng thái van được phép, như được biểu diễn trong bảng dưới đây:

c) Tổng hợp vectơ không gian từ các vectơ biên

Một vectơ không gian bất kì, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó, có thể được tổng hợp từ hai vectơ biên Trên hình 1.7, giả sử vectơ không gian U

nằm trong góc phần tư thứ I, có thể được thể được tổng hợp từ hai vectơ biên U 2, 

Hì nh 1.7: Vectơ không gian và vectơ biên chuẩn

Độ dài vectơ phải, trái được tính như sau:

|U 2 |

Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định bởi giá trị của các điện áp

một chiều đầu vào |U p | = E

3

2 , ký hiệu |U p | = U i

3

2 Độ dài của vector U là

vector ra mong muốn, ký hiệu là |U | = U0

Từ đó suy ra biểu thức tính toán các giá trị thời gian điều chế như sau:

p  là hệ số biến điệu, 0 q  1, có thể viết thành biểu thức tính toán

thời gian như sau: tp = Ts q 0 )

Để phép biến điệu thực hiện được, các thời gian phải, trái phải thỏa mãn điều kiện:

tp + tt  Ts

Khoảng thời gian còn lại trong chu kỳ cắt mẫu, t0 = Ts –(tp + tt), phải áp dụng vector không Điều kiện trên nói lên rằng vector điện áp ra phải nằm trong vòng tròn tiếp xúc với các cạnh của lục giác đều như biểu diễn trên hình 1.7

1.2.3 Giới thiệu về PLC S7-300

1 Các module của PLC S7-300

Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, bộ điều khiển PLC được thiết

kế không bị cứng hóa về cấu hình chúng được chia nhỏ thành các module Số các module được sử dụng nhiều hay ít phụ thuộc vào bài toán

a Module CPU: Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module khác nhau và

chúng thường được đặt tên the bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, CPU314, CPU315

Những module cùng sử dụng một loại vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated funtion module)

b Module mở rộng: Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính + PS (Power supply): Module nguồn nuôi: PS power có 3 loại: 2A, 5A, 10A

+ SM (Signal module): Module mở rộng tín hiệu vào/ra bao gồm

 DI (Digital input) Module mở rộng các cổng vào số

 DO (Digital output) Module mở rộng các cổng ra số

 DI/DO (Digital input/ Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số

K p

K i T(Z+1) 2(Z-1)

K(Z-1) T.Z

E(iT) EZ

Ci(T)

Ci(Z)

Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID

 AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự

 AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự chúng chính

là những bộ chuyển đổi số tương tự

 AI/AO: (Analog input/Analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự

+ IM (Intuface module): Module ghép nối

+ FM (Function module) Module có chức năng điều khiển riêng

+ CP (Communication module): Module phụa vụ truyền thông tin trên mạng giữa các PLC với nhau hoạc giữa PLC với máy tính

2 Cấu trúc bộ nhớ của CPU

* Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình chia làm ba miền:

 OB (Organiration block): Miền chứa chương trình tổ chức

 FC(Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi data với trương trình đã gọi nó

 FB (Function block):Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm

và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Các data này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng gọi là (BD- Data block)

* Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng

Vùng này được phân chia thành 7 miền khác nhau bao gồm:

 I (Process image input): Miền bộ đệm các data cổng vào số

 Q(Process image output): Miền bộ đệm các data cổng ra số

 M: Miền các cờ

 T(Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian

 C(Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm

 PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O external input)

 PQ: Miền địa chỉ cổng ra cuả các module tương tự (I/O external output)

Vùng chứa các khối dữ liệu được chia làm 2 loại:

 DB (Data block) Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối

 Local data bock: Miền dữ liệu địa phương

3 Vòng quét chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu kì lặp, mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển từ các cổng vào số tới bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OBL (Block end)

Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của

bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn tuyền thông nội bộ và kiểm lỗi

Hì nh 1.9 : Vòng quét chương trình

Thời gian cần thiết để thiết lập PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời vòng quét (scan timer) Thời gian vòng quét không cố định, như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Vậy thời gian vòng quét quyết định thời gian thực hiện chương trình điều khiển trong PLC

4 Cấu trúc chương trình

Chương trình cho S7-300 được lưu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng cho chương trình có thể lập với hai dạng cấu trúc khác nhau

* Lập trình tuyến tính: Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một bộ nhớ Loại hình cấu trúc này hợp với những bài toán tự động nhớ, không phức tạp Khối được chọn phải là khối OB1, là khối PLC luôn quét và thực hiện các lệnh trong nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và lại quay lại lệnh đầu tiên

* Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và những phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau Loại hình cấu trúc này phù hợp với nhừng bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản sau:

 Loại khối OB (Organization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển

Truyền thông và kiểm tra nội bộ

Truyền thông và kiểm tra nội bộ

Truyền thông và kiểm tra nội bộ

Truyền thông và kiểm tra nội bộ

 Loại khối PB (Program block): Khối chương trình với chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến hình)

 Loại khối FB (Function block): Là loại khối đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác

 Loại DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình Các tham số của khối do người dùng tự đặt Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối OB, các nhóm OB này được phân biệt với nhau bằng

các lệnh từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên

5 Ngôn ngữ lâp trì nh của S7-300

các đối tượng khác nhau.PLC có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là:

- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, kí hiệu là STL (Statement list)

- Ngôn ngữ “hình thang” kí hiệu là LAD (Ladder logic)

- Ngôn ngữ “hình khối” kí hiệu là FBD(Funtion block diagram)

Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng STL nhưng ngược lại thì không Trong STL có nhiều lệnh mà trong LAD hoặc FBD không có Cũng chính vì lí do đó nên trong luận văn này em chọn STL làm ngôn ngữ lập trình

* Các lệnh và biểu diễn số trong chương trình

Ngôn ngữ PLC S7-300 được trang bị những công cụ toán học mạnh giúp cho những ứng dụng và phát triển chương trình điều khiển mềm dẻo và dễ dàng

Do điều kiện về thời gian nên phạm vi luận văn chỉ đưa ra những lệnh có liên quan đến chương trình điều khiển

a Biểu diễn số thực

Do dữ liệu sử dụng là số thực nên ở đây chỉ đưa ra cách biểu diễn số thực trong các ô nhớ Số thực phẩy động luôn bược biểu diễn thành dãy 32 bits Dạng cấu trúc dấu phẩy động như sau:

- Bit s là bit dấu (s = 0 số dương, s = 1 số âm)

- Phần e chỉ số mũ

- Phần f: phần hệ số F = b0.2-1+ b1.2-2+ b2.2-3+ …+ b22.22-23

- uk = (-1)s2e-127.(1+f)

b Thanh ghi trạng thái và cấu trúc lệnh

- Cấu trúc lệnh

- Thanh ghi trạng thái

Khi thực hiện lệnh CPU sẽ ghi lại trạng thái phép tính trung gian cũng như kết quả vào một thanh ghi đặc biệt 16 bits gọi là thanh ghi trạng thái, nhưng chỉ

+ RLO: Kết quả tức thời của phép tính logic vừa thực hiện

+ STA: Bit trạng thái này luôn có giá trị logic tiếp điểm được chỉ định trong lệnh

+ OR: Ghi lại giá trị phép tính logic hoặc cuối cùng được thực hiện để giúp cho việc thực hiện phép tính và sau đó

+ OS: Ghi lại giá trị bit bị tràn ra ngoài giá trị bảng ô nhớ

+ CC0 và CC1: Hai bit báo trạng thái kết quả phép tính với số nguyên, số thực, phép dịch chuyển hoặc phép tính logic trong ACCU

Khi thực hiện lệnh toán học như cộng, trừ, nhân, chia với số thực, số nguyên

c Các lệnh logic tiếp điểm

- Lệnh gán

Cú pháp = <toán hạng>

Toán hạng là địa chỉ bit I,Q,M, L,D

Lệnh gán giá trị logic của RLOtới ô nhớ có địa chỉ trong toán hạng

Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D,T,C

Nếu FC = 0 lệnh sẽ gán giá trị logic của toán hạng vào RLO Ngược lại FC =

1 nó thực hiện phép tính và giữa RLO với toán hạng và ghi kết quả vào RLO Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D,T,C

Nếu FC = 0 lệnh sẽ gán giá trị logic nghịch đảo của toán hạng vào RLO Khi

FC = 1 nó thực hiện phép tính nghịch đảo giữa RLO với giá trị nghịch đảo của toán hạng và ghi kết quả vào RLO

Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D,T,C

Nếu FC = 0 lệnh sẽ gán giá trị logic của toán hạng vào RLO Khi FC=1 nó thực hiện phép tính hoặc giữa RLO với toán hạng và ghi kết quả vào RLO Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D,T,C

Nếu FC = 0 lệnh sẽ gán giá trị logic của toán hạng vào RLO Khi FC=1 nó thực hiện phép tính hoặc giữa RLO với giá trị nghịch đảo của toán hạng và ghi kết quả vào RLO

Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D

Nếu RL0 = 1, lệnh sẽ gán 1 vào ô nhớ có địa chỉ toán hạng

Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

Toán hạng là dữ liệu kiểu BOOL hoặc địa chỉ bit I,Q,M, L,D

Nếu RLD = 1 lệnh sẽ gán giá trị 0 vào ô nhớ có địa chỉ toán hạng

Lệnh tác động vào thanh ghi trạng thái như sau:

Mọi phép tính trên số thực, số nguyên, các phép tín với mảng nhìu bit đều thực hiện trên hai thanh ghi này

- Lệnh đọc vào ACCU

Cú pháp: L <Toán hạng>

Toán hạng là số nguyên, số thực, nhị ohaan hoặc địa chỉ

Ví dụ: Toán hạng là địa chỉ một từ kép: ID, QM, MD, DBD, DID trong khoảng từ 0-65534

Lệnh này có tác dụng chuyển nội dung của ACCU1 vào ô nhớ có địa chỉ là toán hạng, nội dung cũ của ACCU2 không thay đổi, lệnh không sửa đổi thanh ghi trạng thái

- Lệnh dịch trái thanh ghi ACCU1

Cú pháp: SLD <Toán hạng>

Lệnh có thể có hoặc không có toán hạng nếu có toán hạng thì toán hạng là số nguyên không dấu trong khoảng 0-32, Số bít dịch chỉ trong toán hạng Tại mỗi lần dịch bít thứ 31 bị đẩy ra Accu1 và ghi vào CC1 còn bít đầu được ghi 0

- Lệnh làm việc với số thực:

Tất cả các lệnh này đều tác động đến thanh ghi trạng thái như sau:

- Lệnh trừ: -R

Lệnh không có toán hạng, thực hiện cộng hai số thực phẩy động nằm trong hai thanh ghi Accu2 số thực phẩy động trong Accu1 kết quả được ghi vào Accu1 Nội dung thanh ghi Accu2 không thay đổi

- Lệnh nhân: *R

Lệnh không có toán hạng, thực hiện nhân hai số thực phẩy động nằm trong hai thanh ghi Accu1 và Accu2 kết quả được ghi vào Accu1 Nội dung thanh ghi Accu2 không thay đổi

- Lệnh chia: /R

Lệnh không có toán hạng, thực hiện chia hai số thực phẩy động nằm trong hai thanh ghi Accu1 và Accu2 kết quả được ghi vào Accu1 Nội dung thanh ghi Accu2 không thay đổi

e Các lệnh điều khiển chương trình

Bộ thời gian là bộ tạo thời gian trễ t mong muốn giữa tian shieeuj logic đầu vào U(t) và tín hiệu logic đầu ra y(t) S7-300 có 5 loại Timer khác nhau

* Với các chức năng như vậy thì trong luận văn này tôi sử dụng PLC S7-300 vào các ứng dụng sau:

- Sử dụng các Module DI/DO để tạo ra các bộ điều khiển số hình 1.8

- Sử dụng các bộ Timer để tạo ra xung điều khiển

- Sử dụng ngôn ngữ lập trinh để tạo ra các bài toán tự động khống chiế theo yêu cầu mong muốn

1.3 Các mạch vòng phản hồi

1.3.1 Mạch vòng phản hồi tốc độ (encoder)

Đề ổn định tốc độ ta có thể sử dụng máy phát tốc hoạc Encoder để lấy tín hiệu, trong hệ thống này ta dùng Encoder và dưới đây là nguyên lý làm việc của

Encoder

Nguyên lý làm việc Encoder: Khi có một tia sáng phát ra từ một Lead xuyên qua khe hở của một đĩa kim loại Tia sáng đó kích thích các photon (được gọi là các sensor ánh sáng) các sensor này sẽ phản xạ lại một chùm ánh sáng, sinh ra một sóng hình sin, sóng này biến đổi thành sóng vuông hoặc các xung truyền đi Các xung tín hiệu này sau khi truyền đến bộ đếm hoặc bộ điều khiển chúng sẽ cho tín hiệu để có các chức năng mong muốn

Trên hình 1.10 biểu diễn sơ đồ phát xung một Encoder quang tăng dần với 3 rãnh Trên rãnh chỉ có một lỗ, hai rãnh còn lại có một chuỗi các lỗ cách đều nhau tạo thành vòng tròn quanh đĩa mã Khi đĩa quay trên một bộ đếm độ rọng xung clock có hướng: Trường hợp nếu khoảng bằng ½ bề rộng của xung phát ra thì quay thuận, ngược lại nếu xung phát ra từ rãnh trong nhanh hơn pha xung clock rãnh ngoài một khoảng ½ bề rộng thì quay ngược lại

Hình 1.10: Biểu đồ xung Encodor tương đối tăng dần

Chức năng cơ bản của mạch xử lý tín hiệu số Encodor tăng dần là xác định

hướng quay và số xung phát ra để xác định góc dịch chuyển của đĩa mã Số xung

phát ra tín hiệu số, do đó bộ chuyển đổi A/D là không cần thiết cho Encodor loại

này

Tạo mã số nhị phân cho mỗi vị trí mã đĩa Encodor tuyệt đối có 6 đến 20

track, mỗi track tạo ra một bít nhị phân theo mã mà nó tạo nên bởi các lỗ trên

đĩa mã hóa

Với Encodor 8 track sẽ có đến 256 đơn vị vị trí trên đĩa mã hóa, số nhị phân

đại diện cho từng đơn vị vị trí trên đĩa mã quan hệ với số bit của Encodor tạo lên

độ phân giải của Encodor theo công thức sau:

Số vị trí được mã hóa = 2N, độ phân dải = 1/2N

Với N là số rãnh bằng số bít của cảm biến

Số nhị phân được sử dụng cho Encodor có thể được mã hóa theo các loại mã

phổ biến sau: Mã nhị phân tự nhiên, mã Gray và BCD Trong đó mã Gray được

dùng nhiều nhất vì bộ đếm dùng trong mạch xử lý tín hiệu của cảm biến chỉ có

một bít thay đổi mỗi lần số đếm tăng lên một

Ngu n

Hình 1.11: Encodor tuyệt đối 8 bít

Ưu điểm của Encodor số: Cho độ phân giải cao (trên 20 bít binary) độ tin cậy chính xác cao hơn nhiều so với bộ cảm biến tương tự

* Với nguyên lý và các ưu nhược điểm như vậy Encoder sẽ được sử dụng để tạo ra mạch vòng phản hồi âm tốc độ và đo mạch phản hồi vị trí

1.3.2 Mạch vòng phản hồi âm dòng điện

Với hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều thì những thiết bị của

nó được phép nối thành tổ hợp vì vậy mạch vòng phản hồi dòng điện đã được

tích hợp trong khối nên trong sơ đồ hệ thống này không thể hiện, với sơ đồ khối của hệ thống như đã giới thiệu ta có thể xây dựng hệ điều khiển theo 3 phương

án sau:

- Điều khiển hệ chuyển động vô hướng

- Hệ điều khiển trực tiếp mômen

- Hệ điều khiển vecter

Trong nội dung luận văn này tôi chọn hệ điều khiển vecter để nghiên cứu hệ truyền động biến tần động cơ điệu xoay chiều không đồng bộ ba pha để điều khiển chuyển động cho máy công nghiệp, trong chương tiếp theo sẽ tính toán hệ điều khiển này

Chương 2 Khảo sát tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều

2.1 Xây dựng hệ điều khiền vecter (còn gọi là hệ điều khiển định hướng theo từ trường roto lồng sóc)

Quá trình xây dựng hệ điều khiền vecter được thực hiện như sau:

2.1.1 Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian

Ta xét đông cơ có số đôi cực p = 1, trên Stator có của ba cuộn dây bó trí lệch nhau 1200 Dây quấn rotor của động cơ không đồng ba pha rotor lồng sóc thực chất là dây quấn nhiều pha, nhưng ta có thể quy về dây quấn 3 pha (hình 2.1)

B

Y b

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn có dạng:

dt

d i

u u

s

i i

r

i i

0 0

0 0

0 0

R R

0 0

0 0

0 0

R R

10

L L

L

L L

L

L L

L

L

ms ms

ms ms

ms ms

20

L L

L

L L

L

L L

L L

mr mr

mr mr

mr mr

) 3

2 cos(

) 3

2 cos(

) 3

2 cos(

) cos(

) 3

2 cos(

) 3

2 cos(

) 3

2 cos(

) cos(

* )

m

m s

r

s

L L

L L

) (

) ( 0

ma trận rút gọn là:

m s

s

r

s

pL p pL

pL pL

R

u

u

) (

) ( 0

Hình 2.2 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator (,)

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ta quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stator ( ,  ) với quy ước là trục O trùng với trục Oa Một cách trực quan ta có thể coi hệ tọa độ cô định trên stator ( ,  ) bao gồm hai cuộn dây stator nằm trên hai trục ( ,  )

Việc quy đổi các vector dòng điện và điện áp được thực hiện theo công thức:

i i i

i

i

2 / 1 2

/ 1 0

6 / 1 6

/ 1 3

/ 2

u u u

u

u

2 / 1 2

/ 1 0

6 / 1 6

/ 1 3

/ 2

/ 1 0

6 / 1 6

/ 1 3

/ 2

/ 1

2 / 1 6

/ 1

0 3

/ 2

/ 1

2 / 1 6 / 1

0 3

/ 2

m

T S

T S

C L

C

L

C L

C

L

C R

C

R

1 0

1

1 1

1

1 1

1

).

( )

(

.

.

C R C R

1 1 2

1 1

2

.

.

0

0

R

R R

0

0

L

L L

sin cos

)

Hì nh 2.3 Hệ tọa độ cố định trên stator ( ,  ) về hệ tọa độ cố định trên rotor (x, y)

Ta có hệ phương trình cân bằng điện áp như sau:

y

x m

x

y x

m

y x

m

i L p R i

i L

p

u

i L p R i

i L

p

u

i i

L p i L p R

u

i i

L p i L p R

u

2 2 2

1 1

2

2 2 2

1 1

2

2 2

1 1 1

1

2 2

1 1 1

1

).

(

) cos

sin (

.

).

(

) sin

.(cos

) cos

.(sin

).

(

) sin

.(cos

).

(

2 2

1 1

1 1

cos sin

.

0

sin cos

.

cos sin

.

0

sin cos

0

.

L p R L

p L

p

L p R L

p L

p

L p L

p L p R

L p L

p L

p R

m m

m m

m m

i i i i

(2-12)

2.1.3 Quy đổi các đại lượng của động cơ KĐB ba pha từ hệ tọa độ cố định trên rotor (x, y) về hệ tọa độ cố định trên stator ( ,  )

Từ mô hình mạch của động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ cố định stator ( ,  ), ta nhận thấy từng cặp (u1  , u1  ); (u2x,u2y ); (i1  , i1  );(i2x,i2y ) có thể xem như tọa độ của các vector không gian u1,u2,i1,i2

C đ nh trên stator (Quay ng rotor)

Hì nh 2.4 Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định stator ( ,  )

và hệ tọa độ cố định rotor (x, y)

Bây giờ ta thực hiện quy đổi vector dòng điện của dây quấn rotor từ hệ tọa độ cố định trên rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định trên stator ( ,  ) Ta có:

i i

i

2 2 2

2

cos sin

sin cos

sin cos

2 2

2

cos sin

sin cos

i

i C i

i i

i y

sin (

) cos

sin (

.

) sin

.(cos

) sin

.(cos

).

(

).

(

2 2

2 2

2 1

1 2

2 2

2 2

2 1

1 2

2 1

1 1

1

2 1

1 1

L p i R i

i L

p

u

i i

L p i R i

i L

p

u

i L p i L p R

u

i L p i L p R

u

y m

y

x m

x

m m

u C

u

u

2

2 2 2

2 2 1

1 2

2 2 2

2 2

1 1

2

2 1

1 1

1

2 1

1 1

1

).

(

.

.

.

) ).

(

.

.

).

(

).

(

i L p R i

L i

L p i L u

i L i

L p R i

L i

L p

u

i L p i L p R u

i L p i L p R u

m m

m m

m m

2 2

2

2 2

2 2

1 1

1 1

sin

.

0

0

0

0

i i i i

L p R L

L p L

p

L L

p R L

L p

L p L

p R

L p L

p R

m

m m

(2-19)

2.1.4 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ tọa độ cố định trên startor (,) về hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

Thực hiện quy đổi các vector từ hệ tọa độ cố định trên stator ( ,  ) về hệ tọa

độ tựa theo từ thông rotor (d,q) quay đồng bộ với từ trường quay Trong đó trục

Od trùng với phương từ thông rotor 2 và hợp với trục O một góc 1  1t.

Ta có công thức quy đổi:

1 1

2

2

1 1 1 1

1 1

1

1

cos sin

sin cos

cos sin

sin cos

i

i i

i

i

i i

1 1

3

cos sin

sin cos

i

i i

i

i

i i

i

2 2

1 1

1 1

2

2

1 1

1 1

1 1

1

1

cos sin

sin cos

cos sin

sin cos

1 1

3 1 3

cos sin

sin cos

1

u

u C u

2

u

u C u

s q m d

m q

q s d q

m s d m d

q m d

m d

q q

q m d

m q

d d

i L p R i

L i

L p i

L u

i L i

L p R i

L i

L p u

i L p i

L i

L p R i

L u

i L i

L p i

L i

L p R u

2 2 2

2 2 1

1 2

1 2 2

2 2

1 1

2

2 2

1 1

1 1

1 1 1 1

2 2

1 1 1 1

1 1

1

).

(

.

.

).

(

.

.

.

).

(

.

.

.

).

(

s m

m s

s m

s m

m m

m m

L p R L

L p L

L L

p R L

L p

L p L

L p R L

L L

p L

L p R

2 2

2

2 2

2

1 1

1 1

1

1 1

1 1

.

.

.