Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
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

phản hồi 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 phươ
ng án tối 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

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
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

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

Như vậy ta có :

)1()(
00max
ω
ω
ω
ω
−=

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
11
2
2
1
++
=
ω

Từ phương trình trên ta thấy khi giữ giá trị điện áp, tần số của động cơ không đổi

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

Quách Kỳ Lân
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


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
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

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.

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
8
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

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
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
9
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
kỹ thuật mạch điệ
n 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 những cải tiến trên, tính phức tạp của h

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
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 :


Chốt dữ
liệu

D/A
Biến
tần
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
11


cơ
Mã hoá
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
12

Vì vậy ở trong phần thiết kế hệ thống này chúng ta sử dụng máy phát xung
ENCORDER. Máy phát xung ENCORRDER hoạt động trên nguyên tắc từ huặc quang
học đều cấp ra hai chuỗi tín hiệu digital lệch pha nhau một góc
ο
90
,lặp lại (tương ứng
với số vạch khắc của máy) sau mỗi vòng quay. Số vạch khắc của máy thường nằm
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 k
ỳ 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
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
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
13
vùng địa chỉ voà / ra của máy tính.Địa chỉ quy định của một card mở rộng chỉ được
phép có địa chỉ nằm trong khoảng
FHH 31300 →

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 bộ 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 th
ực 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
A
từ
máy tính chọn các bộ đếm và các chế độ hoạt động. Chân
0
Y kết hợp với tín hiệu từ

thể xem như là một bộ chia điện áp.Bộ này có đặc tính là mỗi điểm nút được đáu bằng
một điện trở R. Nhờ vậy mà mỗi điểm nút dòng điện đi qua được chia theo tỷ lệ 1:1,
đối với bit cao nhất đi qua điện tr
ở được tính bằng biểu thức : R
U
I
ref
.2
=còn qua các điện trở tiếp theo sẽ bằng: 5,0.
.2 R
U
I
ref
=
; etc Bài tập lớn Điều khiển số


R
NU
I
ref
.256
.
= Ở đây N là giá trị của byte dữ liệu ( kề sát lối ra ). Khi ta nối chân ra OUT1 với
nối vào không đảo của một bộ khuyếch đại thuật toán có điện trở R được đấu như điện
trở phản hồi thì điện áp lối ra được tính như sau: 256

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


Tần số đếm được là :

Số đếm2-hiện mức2

=
in
f
ref
f

số đếm0.số đếm 1

Để tạo xung chuẩn cho 8253 hoạt động ta dùng bộ doa động thạch anh. Mạch
điện có hai tụ 22pF bộ cộng hưởng thạch anh, 2 vi mạch hoạt động tốc độ cao
74HC04.

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.


D1 D6.

Các khoá nghịch lưu đóng cắt theo thứ tự nhất định theo sự điều khiển đặt trước,
tạo thành điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ chấp hành. Góc dẫn của các khoá
là
ο
180
, S1, S3, S5 và S2, S4, S6 bắt đầu dẫn lệch nhau một góc
ο
120
.Do đó điện áp
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
19
ra của nghịch lưu cũng lệch nhau vè thời gian là
ο
120
Điện áp dây của nghịch lưu có
dạng xung chữ nhật với độ rộng là
ο
120
.

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 – bằ
ng chỉnh lưu
)(t
U

)(t
YBiến tần Động cơ
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
20
(-) Sơ đồ mô phỏng : )(t
U

)(t
Y


ww
z
z
w
dcbt
dcbt
.
.
1
1
.
.
1
ξ
ξ
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
++
−
+
⎭
⎬
⎫

⎩
⎨
⎧
+
−
+
+
−
+
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
+
−
+
+
−
=
11.0
75.48
102.0
95.1390
.
1
1
11.0
75.48

⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
−
+
−
−
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
−
+
−
−
=
95.0
.5.487
7788.0
.5.97
1
.3901

⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
−
+
−
−+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
−
+
−
−
=
95.0
5.487
7788.0
5.97
1
390
()()
)5054.1.808.2(95.0.7788.0
5054.1.808.2
++−−
+
=
zzz
z
wVậy hàm truyền hệ thống có dạng như sau : 245.2.0792.1
5054.1.808.2
2
++
+
=
zz
z
wTừ hàm truyền hệ thống ta có phương trình trạng thái :
⎡
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
+
⎣
⎡
=
• Xét ổn định hệ thống Từ hàm truyền : 245.2.0792.1
5054.1.808.2
2
++
+
=
zz
z
wBài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
22
Ta có phương trình đặc tính như sau :



1
2,1
>z
⇒ Hệ thống không ổn định
Quá trình quá độ hệ thống :

[]
[]
z
z
x
Y
zz
z
w =
++
+
=
245.2.0792.1
5054.1.808.2
2

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

Điều khiển tự động 2- K43
23
z^3 - 2.768 z^2 + 2.547 z - 0.7788

Sampling time: 0.005
» f=feedback(g1,1)

Transfer function:

0.003818 z^2 + 0.01436 z + 0.00337

z^3 - 2.764 z^2 + 2.561 z - 0.7754

Sampling time: 0.005

» step(f,10)
8
x 10
63
From: U(1)
To:
Y(1
)
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
24

/***************************************************/
/* QUA DO HE THONG DIEU KHIEN DONG CO DIEN XOAY CHIEU BA PHA */

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
25
setcolor(6);
moveto(4,476);
u=1;
y[0]=0;
y[1]=0;
for(k=2;k<=636;k++)
{y[k]=(-1.0792*y[k-1]-2.245*y[k]+4.3134u);
lineto(k,478-(int)(10*y[k];
}
getch;
closegraph();
return(0);
}

ZOH
Biến tần Động cơ
ENCORDER
Bộ đếm