Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
1
LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước phát triển nhảy
vọt, đặc biệt là sự ra đời của máy tính đã tạo cho xã hội một bước phát triển mới,
nó ảnh hưởng đến hầu hết các vấn đề của xã hội và trong công nghiệp cũng vậy.
Hoà cùng với sự phát triển đó, ngày càng nhiều nhà sản xuất đã ứng dụng các các
họ vi xử lý có tính năng mạ
nh vào trong công nghiệp, trong việc điều khiển và xử lý
dữ liệu. Những hạn chế của kỹ thuật tương tự như sự trôi thông số, sự làm việc cố
định dài hạn, những khó khăn của việc thực hiện chức năng điều khiển phức tạp đã
thúc đẩy việc chuyển nhanh công nghệ số. Ngoài ra điều khiển số còn cho phép tiết
kiệ
m linh kiện phần cứng, cho phép têu chuẩn hoá. Với cùng một bộ vi xử lý, một
cấu trúc phần cứng có thể dùng cho mọi ứng dụng, chỉ cần thay mội dung ô nhớ.
Tuy nhiên kỹ thuật số có những nhược điểm như xử lý các tín hiệu rời rạc , đồng
thời tín hiệu tương tự có ưu điểm mà kỹ thuật số không có được như tác động
nhanh và liên tục. Vì vậy ngày nay xu h
ướng trong điều khiển là phối hợp điều khển
số và điều khiển tương tự.

Để nắm vững được những kiến thức đã học thì việc nghiên cứu là cần thiết đối
với sinh viên. Đồ án môn học Điều khiển số đã giúp cho em biết thêm dược rất
nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm.

Nhân
đây em cũng xin cảm ơn rất nhiều đến thầy giáo Phạm Công Ngô đã tận
tình hướng dẫn và chỉ bảo em để làm bài này. CHƯƠNG 1. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Công 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
c điều khiển số. Mô hình cơ bản của hệ thống điêù khiển số là : 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
cơ thường được sử dụng gồm hai loại chính là : động cơ đồng bộ và động cơ không
đồng bộ, trong đó động cơ không đồng bộ được ứng dụng nhiều nhất, còn động cơ
đồng bộ ít sử dụng,nó ch
ỉ thường dùng trong một số ứng dụng đặc biệt.

Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ còn chia ra làm hai loại : động cơ
xoay chiều không đồng bộ roto dây quấn và động cơ xoay chiều không đồng bộ roto
lồng sóc. Trước đây trong các hệ truyền động điện xoay chiều, người thiết kế thường
sử dụng động cơ xoay chiều roto dây quấn do những yêu cầu vượt trội c
ủa nó trong các
yêu cầu về điều chỉnh tốc độ.Tuy nhiên ngày nay loại roto lồng sóc chiếm ưu thế tuyệt
đối trên thị trường. Vì lý do đơn giản dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ.

M =
sX
s
R
R
RU
nm
f
].)
'
.[(¦
'.)'.(3
2
2
11
2
2
1
++
ω

Ta có :

Với tần số và tốc độ động cơ không đổi thì mô men của động cơ không đổi thì
mô men của roto
r
M
tỷ lệ với bình phương điện áp stato.
Nếu phương trình đặc tính cơ của phụ tải có dạng :

0
ω
ω
ω
ω
ω
−
x

Giá trị cực đại của tổn thất công suất là :

dmocdmr
PMP ≈=Δ
ω
.
max

Như vậy ta có :

)1()(
00max
ω
ω
ω
ω
−=
Δ
Δ
x
r

Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ :

sX
s
R
R
RU
M
nm
f
].)
'
.[(
'.)'.(3
2
2
11
2
2
1
++
=
ω

Từ phương trình trên ta thấy khi giữ giá trị điện áp, tần số của động cơ không đổi
nếu thay đổi điện trở mạch roto (điện trở
2
'R
)thì đặc tính cơ của động cơ cũng biến đổi
theo.

p
R
trong mạch roto.
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
6
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
+
=

Sau khoảng thời gian t
1
xung điện áp mở (trong khoảng thời gian t
2
), điện trở
p
R
được gắt ra khỏi mạch roto. Điện trở tổng lúc đó chính bằng điện trở của mạch roto
roto
R .
Như vậy ta có một chu kỳ T=t

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
may và đảo chiều ít.

1.4. Phương pháp điều chỉnh tần số động cơ : Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các hệ thống điều
chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về giải điều chỉnh và tính chất động
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
7
học chỉ có thẻ thực hiện được với các bộ biến tần. Các hệ này sử dụng động cơ không

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.

Hiện nay trong các hệ
truyền động xoay chiều, việc ứng dụng các thiết bị biến tần
kết hợp với động cơ roto lồng sóc đã tạo nên bước đột phá cho cả hai yếu tố kỹ thuật
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
8
và kinh tế.Hầu hết các hệ thống truyền động xoay chiều hiện nay đều sử dụng động cơ
roto lồng sóc đi liền với các bộ biến tần bởi các ưu thế vượt trội của nó so với các hệ
khác.

Đối với yêu cầu xây dựng bộ biến tần cho các hệ điều khiển truyền động điện,
trên thực tế có rất nhiều g
ải pháp khác nhau.Nhưng nhìn chung ta có thể xếp các bộ

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
9
kỹ thuật mạch điện tử tích hợp, đã làm giảm đáng kể mức độ phức tạp cũng như chi
phí của quá trình thết kế, xây dựng phần cứng các hệ điều khiển. Chính vì vậy mà động
cơ điện xoay chiều ngày càng đựoc ứng dụng nhiều hơn trong các hệ thống điều khiển
tốc độ.

Tuy vậy bên cạnh nhữ
ng cải tiến trên, tính phức tạp của hệ thống vẫn còn là một
cản trở lớn cho các hệ điều khiển tốc độ sử dụng động cơ xoay chiều.Do trong hệ
thống này có quá nhiều chức năng phải thực hiện :

Hệ thống phải biến đổi tín hiệu một chiều từ nguồn thành tín hiệu xoay chiều,
phải thực hiện điề
u khiển đồng thời cả hai tham số : điện áp – tần số của các tín hiệu
xoay chiều đó. Mặc dù công nghệ điều khiển đã chuyển phần lớn các chức năng dó cho
phần mềm thực hiện nhưng các thiêt bị phần cứng điện tử vẫn giữ vai trò chủ đạo và

Điều khiển tự động 2- K43
10 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: Sơ đồ nguyên lý :
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
11
Sơ đồ mạch card điều khiển máy tính(see the figure).

Nguyên lý làm việc card ghép nối máy tính điều khiển :
Bộ vi xử lý có nhiệm vụ tính toán các thông số theo các thuật toán của các kỹ sư
thiết kế đã lập trình. Đầu tiên ta đặt chế độ định trước cho động cơ làm việc bằng cách

Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
12
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 : nICE
Inc
M
Tn
n
n
4
.60
=
⎥
⎦
⎤
⎢

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
FHH 31300 →
. Các đường dẫn địa chỉ được sử dụng
trong vùng này là
90
AA → .Thông thường thì các địa chỉ mà dưới địa chỉ này máy tính
có thể trao đổi với card mở rộng có thể đặt chính trên card.Bây giờ nhiệm vụ của tấm
bản mạch ( card ) được gài vào là so sánh các đường dẫn địa chỉ ở máy tính với địa chỉ
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
13
đã được thiết lập xem có thống nhất không và thông báo sự đánh giá ở một bộ điều
khiển logic.Chỉ khi sự thống nhất một cách chính xác mới có thể tiến hành sự trao đổi
thông tin với máy tính.Thông thường một card mở rộng có nhiều khối chức năng, bộ
biến đổi A/D, D/A, khối xuất nhập dữ liệu số, các khối này được trao đổi dưới những
địa chỉ khác nhau
điều khiển từ máy tính.

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
A
từ
máy tính chọn các bộ đếm và các chế độ hoạt động. Chân
0
Y kết hợp với tín hiệu từ
chân
0
A ,
1
A
(
0
A =0,
1
A
=0) qua vi mạch OR 3 đầu vào 74HC4075 và ở đầu ra chia làm
hai phần việc : một phần chọn bộ biến đổi DAC, một phần kết hợp với tín hiệu /IOW
thông qua mạch NOR 74HC022 đầu vào để kích hoạt chốt dữ liệu 74HC373.Chip
74HC373 chốt dữ liệu dùng cho bộ biến đổi DAC. Khi viết lên thiết bị ngoại vi ở địa

còn qua các điện trở tiếp theo sẽ bằng: 5,0.
.2 R
U
I
ref
=
; etc Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
15

Sơ đồ tương đương là :
Cách đấu điện trở R-2R ở bộ biến đổi D/A ref
U
: điện thế chuẩn của OP


N
URIU
refa
−=−=trong các bộ biến đổi ADC chuyên dụng thì điện trở phản hồi được tích hợp ngay trên
chip của vi mạch. Ngược lại chỉ trong một số ít bộ biến đổi ADC bộ khuyếch đại thuật
toán được cùng tích hợp trên chip nên sau đó phải lắp thêm ở ngoài.

Trong mạch điện này, giá trị tuyệt đối của R là không quan trọng, và giá tri của
R có thể dao động trong khoảng rộng. Khi chú ý tới độ chính xác củ
a quá trình biến
đổi thì ta thấy chỉ có việc tạo cặp của các điện trở đóng một vai rò quyết định. Ngày
nay, với trình độ phát triển của công nghệ cao thì yêu cầu này có thể thực hiện với độ
chính xác cao.

Chân
1
Y
low kết hợp với
10
, AA bộ đém 8253 được hoạt động.Vì yêu cầu của
quá trình công nghệ là phải tính được tốc độ quay của động cơ phản hồi về thì ta mới
thực hiên được thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển mói có nghĩa. Chính vì
vậy mà ta cần đến bộ đếm 8253 để đếm số xung mà ENCORDER chuyển về trong
một thời gian mở cổng được xác định chính xác. Thời gian m
ở cổng có thể được thực
hiện theo chế độ 1.ở đây tín hiệu lối ra giữ nguyên ở mức low đối với n chu kỳ giữ

Đầu ra của DAC và đầu vào từ ENCORDER được nối qua một bộ ghép nối
quang.Bộ ghép nối quang chứa trong vi mạch CNY-74-4. Khi nối qua mth điện trở 1K
lên mức high sẽ có một dòng đ
iện qua diot phát quang được tích hợp trên vi
mạch.Dòng điện thông qua ánh sáng sẽ tác động lên dòng gốc (BASE) của tranzitor
quang đặt đối diện và tăng dòng cực góp đi qua điện trở 4.7K nối với mass.Cần chú ý
mas này không đồng nhất với mass của môdun bus được nối với các vi mạch của
card.

Vì thế không có sự liên kết về điện giữa hệ thống bus với mức điện áp ở cực góp
củ
a một tranzitor quang.

Để trao đổi, kết nối dữ liệu với bên ngoài ta dùng cổng truyền thông RS232.Ta
không dùng hết tất cả các chân được chế tạo, mà chỉ dùng 3 chân :
- chân 2 truyền dữ liệu từ ADC 0808 tới bộ biến tần điều
khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha.
- chân 3 nhận dữ liệu từ ENCORDER
- chân 7 lấy mass từ thiết bị bên ngoài.

*Mạch khuy
ếch đại công suất dùng cho biến tần nguồn áp : Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
18

Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp.

.
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
19

Các khoá S là các khoá bán dẫn ở truyền động công suất nhỏ thường dùng
tranzitor. Việc khoá (ngắt) các van được thực hiện bằng mạch đặc biệt như là dùng tụ
điện hiện nay là dùng các xung điều khiển được điều khiển bằng vi điều khiển. Giá trị
điện áp động cơ được điều chỉnh huặc bởi biên độ điện áp một chiều – bằng ch
ỉnh lưu
điều khiển huặc bằng bộ băm xung áp.Điện áp cũng có thể được điều chỉnh bằng điều
chỉnh thời gian đóng các khoá S.huặc là bằng điều chế độ rộng xung áp bằng chính
nghịch lưu. Phương pháp sau được sử dụng rộng rãi nhất là ở các truyền động công
suất nhỏ, do có ưu điểm nổi bật là v
ừa điều chỉnh được điện áp, vừa làm “sin
hoá”điện áp đặt vào động cơ.Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp, phương
pháp điều chế độ rộng xung có thể làm triệt tiêu các sóng hài bậc cao.
Sơ đồ mô phỏng : )(t
U

)(t
Y (-)

⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−
+
⎭
⎬

⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
++
−
+
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
++
−
=
)11.0)(1002.0.(
6.65
.
1
1
)11.0)(1002.0.(
6.65
.
1
pppz
z
pppz
z

−
=
11.0
75.48
102.0
95.1390
.
1
1
11.0
75.48
102.0
95.1390
.
1
pppz
z
pppz
z
w
ξ
ξ
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝

7788.0
.5.97
1
.3901
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
w1002.0
65
=p

11.0
6
+p

−
−
=
95.0
5.487
7788.0
5.97
1
390
11
95.0
5.487
7788.0
5.97
1
390
1
zzz
z
zzz
z
w
()
(
)
()( )( )()( )
5054.1.808.2.195.0.7788.0.1

=
zz
z
wTừ hàm truyền hệ thống ta có phương trình trạng thái : []
[]
[]
[]
[]
k
k
k
k
k
U
X
X
X
X
.
1
0
.
0792.1245.2
10

⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
+
[]
[]
[]
[]
[]
k
k
k
k
U
X
X
Y .
0
0
.808.25054.1
2
1
⎥
⎦
Ta có phương trình đặc tính như sau : 0245.2.0792.1
2
=++ zz Ta tìm nghiệm của phương trình bậc hai nay :
Bài tập lớn Điều khiển số

Điều khiển tự động 2- K43
22

2
.79.20792.1
1
j
z
+
−
=
2
.79.20792.1
2


Sơ kiện đầu bằng không [ ] [ ] [] [ ] []
KKKKK
UUYYY .5054.1.808.2.245.2.0792.1
112
+
+
−
−=
+++

Kết quả MATLAB: » g=tf(390,[0.002 0.1 1 0])

Transfer function:
390

0.002 s^3 + 0.1 s^2 + s

Quá trình quá độ hệ thống :

A
mp

Điều khiển tự động 2- K43
24

/***************************************************/
/* QUA DO HE THONG DIEU KHIEN DONG CO DIEN XOAY CHIEU BA PHA */
/***************************************************************/
#include<graphics.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<conio.h>
main()

{
int d,g,n;
float t,u ;
float y[640]; cout<<(" Vao chu ky trich mau T=");
cin>>(&t);
d=DETECT;

} CHƯƠNG 4: TỔNG HỢP HỆ THỐNG

1:Chọn miền thông số PID dựa theo định lý NIVOL-ZIGLER :


ZOH
Biến tần Động cơ
ENCORDER
Bộ đếm