Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
1

A/D
Vi xử lí
DIGITAL

D/A
Đối tượng
ĐK
Khối đo
phản hồi

CHƯƠNG 1. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNGCông nghiệp hóa - Hiện đại hoá là mục tiêu số một của đất nước ta hiện nay trên
con đường đi lên một cường quốc của khu vực và thế giới. Kỷ nguyên điện tử tin học
đang phát triên mạnh mẽ trên toàn thế giới, ứng dụng những thành tựu đó trong lĩnh
vực công nghiệp và đặc biệt là trong truyền động điện công nghiệp là hết sức quan
trọng, cầ
n thiết. Với khối lượng tình toán những bài toán công nghiệp là tương đối lớn,
ngày nay đây là một công việc nặng nề phức tạp. Ngày nay với những bộ vi xử lý, vi
điều khiển, tốc độ cao đã hoàn toàn thoả mãn những yêu cầu đặt ra với những đòi hỏi
trên. Và tạo ra một bước đột phá mới trong lĩnh vực điều khiển tự động, đó chính là lĩnh
vự

2

Đây là sơ đồ khối cơ bản mà bất kỳ một hệ thống điều khiển nào cũng không thể
thiếu được. Nhưng đứng trước những đòi hỏi của hệ thống xoay chiều ba pha, yêu cầu
chất lượng hệ thống mà các kỹ sư cần cân nhắc các phương án điều khiển, và tìm ra
một phương án t
ối ưu, thoả mãn bài toán kinh tế, với những yêu cầu mà hệ thống đòi
hỏi. Nhưng trên tất cả người kỹ sư cần đặt tính kỹ thuật và kinh tế lên hàng đầu.

Trong lĩnh vực truyền động điện mức chính xác của tốc độ động quyết định tất cả
chất lượng hệ thống.

Chính vì vậy, xây dựng các phương án điều khiể
n cho từng loại động cơ phù hợp
với hệ thống chúng ta cần đặt lên hàng đầu. Trong hệ truyền động điện xoay chiều động


Điều khiển tự động 2- K43
3
Và sự phát triển vũ boã của kỹ thuật vi điện tử, với giá thành ngày càng hạ, đã
cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại roto lồng
sóc.

Các phương án xây dựng sơ đồ điêù khiển hệ thống :

1.1 Điều chỉnh điện áp đặt vào Stato động cơ : Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ :

M =
sX
s
R
R
RU
nm
f
].)
'
.[(¦
'.)'.(3
2
2
11
2

ω
ωđiều này có nghĩa là động cơ có độ trượt định mức nhỏ, lúc đó tổn thất khi điều chỉnh
sẽ là : .
cdmr
MP =Δ
)1()(
0
0
0
ω
ω
ω
ω
ω
−
x

Giá trị cực đại của tổn thất công suất là :

dmocdmr
PMP ≈=Δ
ω
.
max

cocr
−
=−=Δ
1
.).(
0
ωω

Truyền động không đồng bộ điều chỉnh điện áp stato chỉ thích hợp nhất với các
loại tải có mô men là hàm tăng của tốc độ.

1.2.Điều chỉnh điện trở đặt vào roto động cơ : Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ :

sX
s
R
R
RU
M
nm
f
].)
'
.[(
'.)'.(3
2
2
Cách này có ưu điểm việc điều chỉnh giá trị điện trở là hết sức đơn giản nhưng nó
lại có những nhựơc điểm rất lớn : độ chính xác điều chỉnh thấp và gây ra tổn hao rất
lớn. Cách này không được ứng dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi độ chính xác
cũng như yêu cầu kinh tế cao.

Sử dụng mạ
ch chỉnh lưu - mạch xung điện trở :

Trong các này thay vì sử dụng biến trở điều chỉnh bằng tay như trên, người ta sử
dụng một mạch chỉnh lưu với các xung điện áp có độ rộng tay đổi theo thòi gian trong
từng chu kỳ (mạch băm xung) để thực hiện việc đóng mở điện trở
p
R
trong mạch roto.
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
5
Khi xung điện áp đóng (trong khoảng thời gian t
1
), điện trở R
p
sẽ được nối vào mạch
roto và tổng trở mạch roto sẽ là :

proto
RRR +=



Phương pháp điều chỉnh trên được gọi là “ phương pháp điều chỉnh xung điện trở
”.Nó có ưu điểm là điều chỉnh một cách chính xác, dễ dàng, tổn hao công suất ít khả
năng tự động hoá cao.Tuy vậy nó có mặt hạn chế là sơ đồ mạ
ch chỉnh lưu dễ bị ảnh
hưởng của hiễu bên ngoài.

1.3.Phương pháp điều chỉnh công suất trượt bằng hệ nối tầng điện dưới đồng bộ : Khi điều chỉnh tốc độ bằng hệ nối tầng thì vừa điều chỉnh bằng được công suất
trượt vừa điều chỉnh đựơc tốc độ động cơ.Nội dung chính của phương pháp điều chỉnh
này dựa trên nguyên lý điều chỉnh công suất trượt của động cơ. Nguyên lý này thường
áp dụng cho các truyền động công suất lớn vì khi đ
ó việc tiết kiện năng có ý nghĩa rất
lớn Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không lớn và mô men động cơ giảm khi tốc độ
thấp Do có sử dụng nghịch lưu phụ thuộc nên trong tính toán,thiết kế cần để ý tới giới
hạn hai đầu của góc điều khiển nghịch lưu
min
β
và
max
β
.

Ngoài ra, đối với các hệ thống công suất lớn vấn đề khởi động của động cơ rất
quan trọng.Trong thực tế thường sử dụng điện trở phụ bằng chất lỏng để khởi động
động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất
trượt.Vì vậy nên áp dụng hệ th
ống này cho các truyền động có số lần khởi động, dừng


Thường dùng cho truyền động nhiều động cơ.Đối với biến tần nguồn áp yêu cầu
chất lượng điện áp cao thường dùng trong các biến tần có điều chế độ rộng xung.

Biến tần có nghịch lưu độc lập nguồn dòng :

Thích hợp cho truyền động đảo chiều,công su
ất động cơ truyền động lớn.

Đối với động cơ roto lồng sóc, để thực hiện điều chỉnh tốc độ thường dùng
phương pháp biến đổi tần số kết hợp với việc biến đổi điện áp ( sử dụng các bộ biến
tần ). Chính vì vậy việc lựa chọn phương án thiết kế hệ điều chỉ
nh cho động cơ cần
phải nghiên cứu, phân tích tính toán ở đây chính là phương pháp điều chỉnh hệ biến
tần - động cơ roto lồng sóc.

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy toàn bộ nền công
nghiệp phát triển à biến đổi sâu sắc.Những mặt hạn chế trước đây đã được giải quyết
và hoàn thiện một cách toàn diện.Ngày nay khi nói t
ới xây dựng một hệ thống kỹ
thuật, bên cạnh các vấn đề về kinh tế, kỹ thuật thì vấn đề tối ưu hoá quá trình công
nghệ đóng một vai trò hêt sức quan trọng. Trong nhiều năm phát triển của khoa học kỹ
thuật nói chung và nghành truyền động nói riêng, những thành tựu đạt được là rất
lớn.Sự kết hợp ngày một hoàn hảo, sâu sắc giữa điện và điệ
n tử đã tạo nên những đột
phá mới vè công nghệ truyền động hiện đại.Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ các hệ
truyền động một chiều, sự xuất hiện các bộ biến tần đã khiến cho các hệ truyền động
xoay chiều phát triển ngày một mạnh và chiếm ưu thế hầu hết các hệ truyền động hiện
đại.


nhiều các thiết bị điều khiển công nghiệp tích hợp máy tính đã chứng minh điều đó.
Hiện nay, hầu hết các nhà sản xuất hệ thống điều khiển công nghiệp trên thế giới đều
tậ
p chung đi sâu vào xu hướng phát triển và xây dựng hệ thống, dựa trên nền tảng máy
tính. Và theo đó là sự phát triển của các công nghệ vi xử lý mà hạt nhân của nó chình
là các
μ
P.

Từ những phân tích trên, căn cứ vào thực tế của sự phát triển công nghệ nói
chung cũng như nghành truyền động nói riêng, trong đồ án này chúng em lựa chọn
phương án xây dựng bộ biến tần cho hệ truyền động điện xoay chiều ba pha.Việc điều
khiển tốc độ và mô men động cơ đòi hỏi phải được thiếtkế chính xác dáp ứng được
công nghệ cao và đi liền v
ới nó là chi phí sẽ tăng.

Việc sử dụng động cơ xoay chiều trong các lĩnh vực như :

Truyền động xe kéo, điều khiển công suất, các hệ thống thông gió - điều nhiệt
ngày một phổ biến. Sự gia tăng không ngừng những ứng dụng của động cơ xduay
chiều trong thực tế phần lờn bắt nguồn từ chính những đặc điểm nổi b
ật của nó :thiết
kế tin cậy, khả năng sinh mô men lớn, dải tốc độ hoạt động rất rộng.Mặc dù việc thiết
kế hệ điều khiển cho các động cơ xoay chiều là hết sức phức tạp và chi phí cao hơn so
với động cơ một chiều, nhưng nhờ sự phát triển mạnh của công nghệ điều khiển số và
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
8
kỹ thuật mạch điện tử tích hợp, đã làm giảm đáng kể mức độ phức tạp cũng như chi

Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
9 CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA *1. Sơ đồ ghép phối vào ra:

Vi xử lý
Đệm dữ
liệu
Giải mã
địa chỉ
Bộ đếm
xung &
mã hoá
Chốt dữ
liệu

D/A
Biến
tần
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
10

ο
90
,lặp lại (tương ứng
với số vạch khắc của máy) sau mỗi vòng quay. Số vạch khắc của máy thường nằm Biến
tần
Máy
tính
Biến tần
Động
cơ
Mã hoá
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
11
trong khoảng 512... 8192/1 vòng. Thông thường các máy phát còn kèm theo khả năng
xử lý xườn của các tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép tăng số lượng vạch /1vòng lên 4
lần.Các chuỗi xung được đưa tới các cửa vào của khâu đếm tiến, thông qua lượng
đếm được trong một chu kỳ nhất định ( ví dụ chu kỳ điều chỉnh tốc độ quay
n
T
) ta sẽ
tính được tốc độ quay
M
n
của động cơ. Tất cả những điều mô tả ở trên đều thuộc về
kiến thức cơ sở. Nếu tận dụng được khả năng nhân 4, ta có công thức sau :

n
: lượng vạch / 1vòng của máy phát (ICE: ỉncemental encorder)

Inc
n
: lượng vạch đếm được trong thời gian
n
T Khi đó thông qua công thức trên bộ vi xử lý sẽ tính được tốc độ quay của động cơ
xoay chiều ba pha.Tiếp đó bộ xử lý trung tâm sẽ so sánh với tốc độ đặt trước, tính toán
sai lệch. Sau đó đưa dữ liệu điều khiển biến tần thông qua bộ ADC gián tiếp điều khiển
tốc độ động cơ xoay chiều ba pha.

Cứ như vậy số liệ
u máy tính sẽ cập nhật theo từng chu kỳ của vòng lặp điều
khiển chính xác tốc độ động cơ do yêu cầu hệ thống đòi hỏi.

Card ghép nối máy tính điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha gián tiếp
qua biến tần ta cần dùng rãnh cắm 16 bit theo tiêu chuẩn rãnh cắm ISA (Industry
Standard Architecture ).Thông thường rãnh cắm ISA có 62 đường tín hiệu dụng cho
mục đích thông tin với một card cắm vào. Về cơ b
ản các đường tín hiệu nay được chia
thành các đường dẫn tín hiệu, đường dẫn địa chỉ và đường dẫn điều khiển.Vùng vào ra
của máy tính PC đã chiếm giữ 64Kbyte của bộ nhớ tổng cộng với dung lượng hàng
Mbyte trở lên Vì vậy vùng vào ra của một card mở rộng không được phép bao trùm lên
vùng địa chỉ voà / ra của máy tính.Địa chỉ quy định của một card mở rộng chỉ được
phép có địa chỉ n
ằm trong khoảng


Hướng trao đổi dữ liệu được xác định từ mức logic ở lối vào DIR, DIR=0
chuyển dữ liệu từ ngoại vi về máy tính. DIR =1 chuyển dữ liệu từ máy tính ra ngoại vi.

Việc chuyển hướng dữ liệu được quản lý tốt nhất, đơn giản nhất là bằng tín hiệu
/IOR, ta có thể nối trực tiếp với chân DIR.Qua đó đảm bảo rằng b
ộ đệm bus 74HC245
chỉ xắp xếp những dữ liệu trên bú dữ liệu của máy tính PC.

Vi mạch 74HC245 chỉ hoạt động khi chân G không tích cực ( G = 0), và ở trang
thái treo khi chân G tích cực ( G =1 ). Khi máy tính PC thực hiện việc truy nhập đọc
(/IOR=0 ), tín hiệu ở chân
4
Y
của vi mạch 74HC138 ở mức không tích cực, khi máy
tính đưa ra địa chỉ
FHH 31300 →
chân G của 74HC245 ở mức “ 0 “ và sẵn sàng làm
việc. Chân
4
Y
cũng được nối với chân G2B tín hiệu làm việc của chip 74HC138 khác
giải mã chọn
1
Y
là dịa chỉ bộ đếm vi mạch 8253, cùng với địa chỉ từ chân
0
A
,
1