Đang tải...

CLB Điện tử - Viễn thông Thực hành với hệ thống điều khiển tốc độ động cơ dc công suất nhỏ

Thảo luận trong 'Câu lạc bộ các ngành kỹ thuật' bắt đầu bởi otohui, 15/5/10.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. otohui
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    24/3/09
    Số km:
    2,567
    Được đổ xăng:
    74
    Mã lực:
    381
    Xăng dự trữ:
    350 lít xăng
    THỰC HÀNH VỚI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC CÔNG SUẤT NHỎ

    • Tóm tắt:
    Thiết bị thực hành điều khiển tốc độ động cơ DC công suất nhỏ được thiết kế cho thực hành và nghiên cứu học tập. Có 2 vấn đề mà học viên thực hành sẽ phải tìm hiểu với thiết bị này là phương pháp điều khiển PID đơn giản và PID cải tiến và đánh giá độ đáp ứng khi tải thay đổi ( dùng phanh từ).

    • Giới thiệu:
    Điều khiển tốc độ động cơ trong công nghiệp điều khiển và giám sát nó là rất quan trọng. Thiết bị thực hành của chúng ta chỉ điều khiển cho các động cơ DC nhỏ, song về mặt ý tưởng thì nó cũng giống như điều khiển động cơ DC lớn trong công nghiệp. Động cơ DC được dùng rất rộng cho các ứng dụng điều khiển tốc độ dễ dàng hơn. Hệ thống điều khiển vòng kín giúp cho động cơ được điều khiển với tốc độ yêu cầu một cách ổn định.

    • Nguyên lý làm việc của thiết bị:
    Hình 1 là sơ đồ khối của hệ thống điều khiển. Hệ thống được điều khiển bằng vi điều khiển MC. MC đo tốc độ của động cơ DC thông qua cảm biến Encoder dạng quang, sau đó tín hiệu này được đi qua bộ F/V để biến đổi tần số thành điện áp tương ứng, sau đó điện áp này được chuyển qua bộ ADC để vào vi điều khiển MC. Vi điều khiển sẽ hiển thị tốc độ của động cơ, đồng thời truyền dữ liệu tốc độ đó tới máy tính PC. Sau khi đo được tốc độ thì MC sẽ so sánh chúng với điểm đặt tốc độ cần điều khiển, sự sai khác giữa 2 tín hiệu này được gọi là lỗi hay là sai số (error), chúng sẽ được dùng vào tín toán cho điều khiển dạng PID (tỉ lệ + tích phân + vi phân) đơn giản hay PID cải tiến. Thành phần tỷ lệ đáp ứng tức thì sự sai số giữa tín hiệu phản hối và tín hiệu điểm đặt. Thành phần tích phân hay còn gọi là hệ số reset tự động từ các phần sai số tổng hợp tới khi loại trừ được các lỗi còn dư lại. Thành phần vi phân làm ổn định hệ điều khiển và cho phép bộ điều khiển bộ điều khiển đáp ứng sự thay đổi tức thời hay các lỗi nhất thời. Như vậy các đáp ứng dạng sóng sẽ không suất hiện khi ta dùng PID. Lối ra của các phép toán đó là giá trị số, chúng sẽ được đưa thẳng tới bộ biến đổi D/A. Lối ra của DAC sẽ đưa qua bộ đệm công suất để đưa ra động cơ DC. Lối ra DAC thay đổi liên tục cho đến khi nó đạt được tốc độ như mong muốn.
    [​IMG]
    Hình 1.1 : Sơ đồ khối điều khiển ​
    Phần cứng bao gồm:
    - Bộ điều khiển bằng vi điều khiển MC
    - Bộ encoder quang và bộ chuyển đổi F/V
    - Bộ biến đổi D/A
    - Bộ đệm công suất
    - Động cơ DC 15V/3W
    [​IMG]
    Hình 1.2 : Sơ đồ mạch điều khiển ​
    Bộ encoder quang và bộ chuyển đổi F/V: Bộ encoder với độ phân giải 12 xung/vòng. IC LM2907 là bộ chuyển đổi F/V với lối vào xung TTL lối ra sẽ la điện áp tương ứng.
    [​IMG]
    Hình 2 : sơ đồ kết nối LM2907 ​
    Bộ điều khiển bằng vi điều khiển MC: Bộ này có một bộ đo ADC 10bít/ 30ksps, một cổng COM để kết nối với máy tính PC, lối ra 12 bít số.
    Bộ chuyển đổi D/A: Bộ chuyển đổi D/A được dùng là bộ DAC 12bít AD7541.
    Bộ đệm công suất: Điện áp từ bộ chuyển đổi D/A không thể điều khiển trực tiếp động cơ DC được. Do vậy phải thông qua mạch Darlington để có đủ công suất cho điều khiển động cơ.

    • Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển:
    Đáp ứng của bộ chuyển đổi F/V được tính theo công thức. Fin=Vout*M1+M2 Với Fin là tần số từ bộ encoder quang đưa tới, Vout là điện áp lối ra F/V, M1=20, M2=0.05
    Công thức để tính tốc độ RPM (vòng trên phút):
    Speed = (Fin * 60giây)*1/p
    Speed = (Fin * 5)
    Với p là số xung cho 1 vòng quay. Với thiết bị này thì p=12 Tốc độ đo được sẽ được so sánh với điểm đặt (1000 rpm). Sai số được tính = điểm đặt tốc độ – giá trị tốc độ đo được. Sau đó tính toán PID theo công thức sau:
    [​IMG]
    Công thức (ii) là một công thức PID chuẩn khác, chúng có thể được sửa chữa để có được công thức PID cải tiến hơn bằng cách sử dụng quy tắc hinh thang và phương pháp nội suy mà ta có công thức dưới đây::
    [​IMG]
    Giá trị hiện thời của lối ra PID là Vn được tính toán bằng các giá trị trước của lối ra PID là Vn-1, sai số hiện thời En, giá trị sai số trước đó En-1, sai số trước đó 2 đến 4 lần là En-2, En-3, En-4, chu kỳ thời gian T và các hằng số Kp, Ki, Kd.
    [​IMG]
    Hình 3: Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển MC ​

    • Kết quả thực hành:
    Thực hành đánh giá độ ổn định của tốc độ khí động cơ DC có tải thay đổi.
    Đánh giá về tốc độ đạt được:
    Nhìn vào hình đồ thị dưới là đáp ứng của động cơ DC đối với bộ điều khiển PID đơn giản và bộ điều khiển PID cải tiến. Để đạt được tốc độ 1000rpm thì mất 30 giây đối với PID đơn giản và mất 20 giây đối với PID cải tiến
    [​IMG]
    Hình 4: Đường cong thời gian đạt tốc độ điểm đặt ​
    Đánh giá khi tải thay đổi:
    Với thiết bị thực hành này tải thay đổi là một phanh từ. Một đĩa aluminum được gắn vào đầu của động cơ DC và phanh từ sẽ gây ra lực cản động cơ quay. Khi động cơ chạy ở tốc độ 1000 rpm thì ta sẽ thấy rõ sự khác biệt giữa PID đơn giản và PID cải tiến. Khi tải được kích hoạt thì tốc độ đột ngột giảm xuống là 720 rpm và 700 rpm và khi tải được ngừng kích hoạt thì tốc độ bị vọt nên 1220 rpm và 1300 rpm với bộ điều khiển PID đơn giản và PID cải tiến với thời gian đáp ứng là 10 giây và 20 giây cho từng bộ điều khiển trên. Như vậy PID cải tiến có thời gian đáp ứng tốt hơn, mức vọt nên và giảm đột ngột là nhỏ hơn.
    [​IMG]
    Hình 4: Đường cong đáp ứng thời gian khi tải thay đổi ​
    Viết chương trình điều khiển cho bộ điều khiển MC :
    ( Xem phần phụ lục chương trình điều khiển ).

    Tác giả: Nguyễn Văn Tiến (Email:herrtien@yahoo.com)
    còn tiếp…
     
    Đã được đổ xăng bởi doankimthuan.

Chia sẻ trang này