- 1. VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2015 THIẾT KẾ , CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHỈNH PID CHO PHÉP ĐIỀU CHỈNH CÁC HỆ SỐ KHUYẾCH ĐẠI VÀ HẰNG SỐ THỜI GIAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHÒNG - 2018
- 2. VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2015 THIẾT KẾ , CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHỈNH PID CHO PHÉP ĐIỀU CHỈNH CÁC HỆ SỐ KHUYẾCH ĐẠI VÀ HẰNG SỐ THỜI GIAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên: Lã Mạnh Thắng Người hướng dẫn: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn HẢI PHÒNG - 2018
- 3. hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc ----o0o----- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Lã Mạnh Thắng – MSV : 1412102018 Lớp : ĐC1802- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài : Thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh loại PID cho phép điều chỉnh các hệ số khuyếch đại và hằng số thời gian
- 4. TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp..........................................................................:
- 5. HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ và tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Thân Ngọc Hoàn GS.TSKH Trường Đại học dân lập Hải Phòng Toàn bộ đề tài Người hướng dẫn thứ hai: Họ và tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Đề tài tốt nghiệp được giao ngày tháng năm 2018. Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày......tháng.......năm 2018 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Nguyễn Đăng Phương Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Cán bộ hướng dẫn Đ.T.T.N GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Hải Phòng, ngày........tháng........năm 2018 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ
- 6. TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp. .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... 2. Đánh giá chất lượng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lượng các bản vẽ..) .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... 3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn ( Điểm ghi bằng số và chữ) Ngày……tháng…….năm 2018 Cán bộ hướng dẫn chính (Ký và ghi rõ họ tên)
- 7. GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP 1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài. .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... 2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện ( Điểm ghi bằng số và chữ) Ngày……tháng…….năm 2018 Người chấm phản biện (Ký và ghi rõ họ tên)
- 8. ĐẦU………………………………………………8 CHƯƠNG 1: CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN…………………………………….9 1.1 Khái niệm…………………………………………………………9 1.2 Bộ điều khiển P………………………………………………….10 1.2.1 Hàm truyền ………………………………………………...10 1.2.2 Quy luật điều chỉnh P………………………………………11 1.3 Bộ điều khiển PI…………………………………………………13 1.3.1 Hàm truyền …………………………………………………13 1.3.2 Kỹ thuật điều chỉnh PI……………………………………...14 1.3.3 Quy luật điều chỉnh PI………………………………………15 1.4 Bộ điều khiển PID………………………………………………..18 1.4.1 Hàm truyền………………………………………………….18 1.4.2 Kỹ thuật điều khiển PID…………………………………….19 1.4.3 Quy luật điều chỉnh PID…………………………………….20 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...26 2.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều……………………………26 2.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều ……………………………26 2.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều…………………….29 2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều…………………33 2.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng……………………33 2.2.2 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng…………………….35 2.3 Giới thiệu một số hệ truyền động 1 chiều………………………….37
- 9. động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ)…………………………………………………………………………37 2.3.2 Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA – ĐC)……………….41 2.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ điện một chiều CL – ĐC …………………………………………………………………………...43 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU THUẬT TOÁN PID DÙNG PIC16F877A………………………55 3.1 Khái quát về mô hình…………………………………………………55 3.1.1 Giới thiệu sơ lược về các modul của mạch……………….........55 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch……………………………………….....56 3.1.3 Cách vận hành mạch…………………………………………...56 3.2 Giới thiệu các linh kiện, phần tử sử dụng trong mạch………….........57 3.2.1 Vi điều khiển PIC 16F8774……………………………………57 3.2.1.1 Khái quát về điều khiển PIC 16F8774………………..57 3.2.1.2 Tổ chức bộ nhớ………………………………………..62 3.2.1.3 Stack ………………………………………………….66 3.2.1.4 Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A………………………………………..………………………66 3.2.1.5Các vấn đề về Timer ()………………………………...69 3.2.1.6 Ngắt ngoài (External Interrupt)…………………………78 3.2.2 Mạch cầu h ( h-bridge circuit )…………………………………...81 3.2.3 LCD………………………………………………………...........82 3.3 Thiết kế mạch phần cứng , code chương trình và lưu đồ giải thuật…………………………………………………………………...........95 3.3.1Thiếtkếmạchphầncứng………………………………………………..95 3.3.2 Giới thiệu về chương trình viết code và biên dịch:…………..100 3.3.3 Lưu đồ giải thuật:………………………………………………101 3.3.4 Một số hình ảnh thực tế của Bộ điều khiển……………..........115
- 10. LIỆU THAM KHẢO………………………………………….....117
- 11. cơ một chiều được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn, vì vậy có rất nhiều đề tài thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều và được đề cập rất nhiều trên các sách báo , tạp trí và internet. Việc ứng dụng động cơ DC vào sản xuất cũng như nghiên cứu khoa học đã mang lại những thành tựu nhất định.Tuy nhiên để động cơ DC hoạt động tốt thì ta phải thiết kế cho nó một bộ điều khiển giúp cho động cơ hoạt động một cách linh hoạt. Hiện nay có rất nhiều bộ điều khiển có thể làm tốt việc đó, tuy nhiên cá nhân em nhận thấy bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt các yêu cầu của việc điều khiển động cơ DC, vì vậy em đã nhận đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển PID điều khiển động cơ điện một chiều” nhằm tìm hiểu kĩ hơn về bộ điều khiển đó. Nội dung đề tài bao gồm: CHƯƠNG 1: CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU THUẬT TOÁN PID DÙNG PIC16F877A Trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn. Em xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành. Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của đồ án cùng với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Lã Mạnh Thắng
- 12. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỆN 1.1. KHÁI NIỆM. Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng
- 13. điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống. Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết . Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn. Chú ý: Do sự đa dạng của lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng điều khiển, nhiều qui ước đặt tên cho các biến có liên quan cùng được sử dụng. 1.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN P [2] 1.2.1 Hàm truyền Một dạng của mạch sớm pha được gọi là bộ điều khiển tỷ lệ (proportional controller, hay P controller), vì phương trình của nó bao gồm thành phần tỷ lệ có dạng như sau: ura (t) KPuvào(t) (1.1) Hàm truyền của bộ điều khiển P có dạng: GP (s) (1.2) 1.2.2 Kỹ thuật điều chỉnh P Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỉ lệ được hình thành theo công thức: X = Kp.e (1.3) Trong đó: Kp là hệ số khuếch đại của quy luật. Theo tính chất của khâu
- 14. (hay khâu tỷ lệ) ta thấy tín hiệu ra của khâu luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào. Điều này nói lên ưu điểm của khâu khuếch đại là có độ tác động nhanh. Vì vậy, trong công nghiệp, quy luật tỉ lệ làm việc ổn định với mọi đối tượng. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của khâu tỉ lệ là khi sử dụng với các đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm giá trị sai lệch tĩnh thì phải tăng hệ số khuếch đại nhưng khi đó, tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và có thể làm hệ thống mất ổn định. Trong công nghiệp, quy luật tỉ lệ thường được dùng cho những hệ thống cho phép tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh, quy luật tỉ lệ thường được hình thành theo biểu thức: x (1.4) Trong đó x0 là điểm làm việc của hệ thống. Tác động điều khiển luôn giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị này khi xuất hiện sai lệch. Hình dưới mô tả quá trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau. Hình 1.1: Quá trình điều khiển với các hệ số P khác nhau. Hệ số KP càng cao thì sai số xác lập và quá điều khiển càng lớn. 1.2.3 Quy luật điều chỉnh P [2] Giả sử bài toán ở đây là điều khiển tốc độ động cơ với tín hiệu đặt tốc độ là r = 1000 vòng/phút, Kp = 15. Ta thử khảo sát xem sự biến thiên của tín hiệu ra của bộ điều khiển theo thời gian sẽ như thế nào.
- 15. thời điểm t = 0 tín hiệu ra của hệ thống y = 0. Khi đó, tín hiệu sai lệch sẽ là e = r – y = 1000. Đầu ra của bộ điều khiển là u = kp.e = 15.1000 = 1500. Tín hiệu này sẽ được đưa đến đầu vào của đối tượng cần điều khiển làm cho đầu ra y của nó bắt đầu tăng lên, dẫn đến e bắt đầu giảm. Trong một số trường hợp, do quán tính của hệ thống, khi sai lệch e = 0( nghĩ là đầu ra y đã bằng với giá trị đặt r ) làm cho u = Kp.e = 0 nhưng tốc độ động cơ tiếp tục gia tăng. Khi tốc độ vượt quá tốc độ đặt thig tín hiệu ra của bộ điều khiển lại lớn hơn 0, làm cho tốc độ lại tăng lên nhưng với quán tính nhỏ hơn. Sau một vài chu kì dao động như trên thì tốc độ động cơ sẽ ổn định ở một giá trị nào đó, phụ thuộc vào các tham số của hệ thống. a. Sai lệch tĩnh Đối với quy luật điều chỉnh P, khi tốc độ động cơ bằng với tốc độ đặt e = 0 thì tín hiệu điều khiển u = Kp.e cũng bằng 0 và, do đó, tốc độ động cơ sẽ bị kéo giảm xuống. Vì vậy, muốn u khác 0 thì e phải khác 0. Nghĩa là phải luôn có một sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đầu ra thực tế của tín hiệu điều khiển. Trong ví dụ trên, giả sử sau khi ổn định thì tốc độ động cơ đạt 970 vòng/phút thì sai lệch tĩnh sẽ là e = 1000 – 970 = 30 vòng/phút và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ là u = Kp.e = 15.30 = 450. b. Giảm sai lệch tĩnh Nếu tăng Kp lên 150 chẳng hạn thì sai lệch tĩnh e chỉ cần bằng 3 là có thể đủ để tạo ra một tín hiệu điều khiển bằng 450 để duy trì một mômen đủ lớn giữ cho động cơ quay. Rõ ràng, khi tăng Kp thì có thể làm giảm được sai lệch tĩnh. Tuy nhiên, nếu Kp tăng quá lớn thì hệ có thể bị dao động, không ổn định.
- 16. ĐIỀU KHIỂN PI [2] 1.3.1 Hàm truyền Một dạng của mạch chậm pha được gọi là bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân (proportional-integral controller, hay PI controller), vì phương trình của nó bao gồm hai thành phần, tỷ lệ và tích phân, có dạng như sau: t ura (t) KPuvào (t) KI uvào ( )d 0 (1.5) Hàm truyền của bộ điều khiển PI có dạng: GPI (s) KP (1.6) Tương tự như đối với bộ điều khiển PD, khi sử dụng mạch bù có hàm truyền GPI(s) này, chúng ta có thể điều chỉnh ảnh hưởng của mạch bù, qua đó điều chỉnh đáp ứng của hệ thống bằng cách thay đổi hai tham số KP và KI. Chúng ta có thể sử dụng mạch chậm pha như trong Hình 1.1 để làm bộ điều khiển PI. Khi đó, các phần tử của mạch phải được chọn sao cho α rất lớn để hàm truyền của mạch chậm pha có điểm cực gần bằng không. Hàm truyền của mạch chậm pha khi đó có thể xấp xỉ được như sau: Đó chính là dạng của hàm truyền của bộ điều khiển PI. KI s
- 17. của khâu hiệu chỉnh PI. Mạch sớm pha được sử dụng để tạo ra một góc sớm pha, nhờ đó có được dự trữ pha như mong muốn cho hệ thống. Việc sử dụng mạch sớm pha cũng có thể biểu diễn được trên mặt phẳng s như một phương pháp làm thay đổi quỹ tích nghiệm của phương trình đặc trưng. Còn mạch chậm pha, mặc dù có ảnh hưởng làm giảm tính ổn định của hệ thống, thường được sử dụng để cung cấp sự suy giảm nhằm làm giảm sai số ở trạng thái xác lập của hệ thống. 1.3.2 Kỹ thuật điều chỉnh PI [2] Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa triệt tiêu được sai lệch tĩnh( là sai lệch giữa giá trị mong muốn so với giá trị ra thực tế khi hệ thống ở trạng thái xác lập) người ta kết hợp quy luật tỉ lệ với quy luật tích phân để tạo ra quy luật tỉ lệ - tích phân. Tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức: Trong đó: Kp là hệ số khuyếch đại Ti là hằng số thời gian tích phân Hàm truyền của quy luật tỉ lệ tích phân có dạng:
- 18. tần : (1.11) Rõ ràng, về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn quy luật tỉ lệ nhưng nhanh hơn quy luật tích phân. Hình dưới mô tả các quá trình quá độ của hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật PI với các tham số Kp và Ti khác nhau Hình 1.3: Quá trình quá độ của hệ thống điều khiển sử dụng quy luật PI. - Đường 1 ứng với Kp nhỏ và Ti lớn. Tác động điều khiển nhỏ nên hệ thống không dao động. - Đường 2 ứng với Kp nhỏ và Ti nhỏ. Tác động điều khiển tương đối lớn và thiên về quy luật tích phân nên hệ thống có tác động chậm, dao động với tần số nhỏ và không tồn tại sai lệch tĩnh. arctg 1 Ti.
- 19. mô tả quá trình khi Kp lớn và Ti lớn. Tác động điều khiển tương đối lớn nhưng thiên về quy luật tỉ lệ nên hệ thống dao động với tần số lớn và tồn tại sai lệch tĩnh. - Đường 4 tương ứng với quá trình điều khiển khi Kp lớn và Ti nhỏ. Tác động điều khiển rất lớn. Quá trình điều khiển dao động mạnh, thời gian điều khiển kéo dài và không có sai lệch tĩnh. - Đường 5 được xem như là quá trình tối ưu khi Kp và Ti thích hợp với đối tượng điều khiển. Trong thực tế, quy luật điều khiển PI được sử dụng khá rộng rãi và đáp ứng được chất lượng cho hầu hết các quá trình công nghệ. Tuy nhiên, do có thành phần tích phân nên độ tác động của quy luật bị chậm đi. Vì vậy, nếu đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà hệ thống điều khiển lại đòi hỏi độ chính xác cao thì quy luật PI không đáp ứng được. 1.3.3 Quy luật điều chỉnh PI [2] Quy luật điều chỉnh P có ưu điểm là tác động nhanh. Tín hiệu điều khiển phụ thuộc trực tiếp vào sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực. Tuy nhiên, khi sai lệch bằng 0 thì tín hiệu điều khiển cũng mất nên luôn tồn tại sai lệch tĩnh như đã nói ở trên. Vậy làm thế nào để triệt tiêu sai lệch tĩnh? Câu trả lời là phải đưa ra tín hiệu điều khiển cho đến khi nào sai lệch tĩnh bằng 0 thì giữ nguyên giá trị điều khiển đó. Giả sử tại thời điểm k = 0 ui,0 = 0. Tại thời điểm k=1 thì ui,1= Kie1; uio = Kie1 tương tự như bộ điều khiển kiểu P. Tại thời điểm tiếp theo ui,2 = Kie2 + ui,1 và cứ như vậy tín hiệu điều khiển lần sau bằng tín hiệu điều khiển ở lần trước đó cộng đại số với tích giữa hệ số tích phân và sai lệch làm cho sai lệch e (dương hoặc âm) giảm dần (hệ ổn định).
- 20. thời điểm t = 0 ui,0= 0 thời điểm t = 1 mà y1 = 200 thì e1 = r - y1 = 1000 - 200 = 800 và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ là ui,1 = Kie1 + ui,0 = 0,25.800 + 0 = 200 Tín hiệu này sẽ được đưa đến đầu vào của đối tượng cần điều khiển làm cho đầu ra y của nó tiếp tục tăng, dẫn đến e bắt đầu giảm. Tại thời điểm t = 2 giả sử y2 = 500 thì e2 = r – y2 = 1000 – 500 = 500 và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ là ui,2 = Kie2 + ui,1 = 0,25.500 + 200 = 125 + 200 = 325 Tại thời điểm t = 3 giả sử y3 = 800 thì e3 = r – y3 = 1000 - 800 = 200 và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ là ui,3 = Kie3+ ui,2 = 0,25.200 + 325 = 50 + 325 = 375 (giá trị ui,2 = 325 của chu kỳ điều khiển trước được cộng thêm 50). Đầu ra y tiếp tục tăng. Tại thời điểm t = 4 giả sử y3 = 900 thì e4 = r – y4 = 1000 – 900 = 100 và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ là ui,4 = Kie4+ ui,3 = 0,25.100 + 375 = 25 + 375 = 400 (giá trị ui,3 = 375 của chu kỳ điều khiển trước được cộng thêm 25). Đầu ra y tiếp tục tăng. Tại thời điểm t = 5 giả sử đầu ra đã bám theo đầu vào, nghĩa là y5 = 1000 thì e5 = r – y5 = 1000 – 1000 = 0 và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ là ui,5 = Kie5+ ui,4 = 0,25.0 + 400 = 400 (tín hiệu ra của bộ điều khiển được giữ nguyên giá trị ui,4 = 400 của chu kỳ điều khiển trước). Tín hiệu đầu ra bộ điều khiển không thay đổi và tốc độ được giữ nguyên. Giả sử tại thời điểm t = 6 tốc độ y6 = 1100 thì e6 = r – y6 = 1000 – 1100 = -100 Tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ là ui,6 = Kie6+ ui,5 = 0,25.(-100) + 400 = 400 – 25 = 375 (tín hiệu ra của bộ điều khiển đã được bớt đi giá trị -25 so với chu kỳ
- 21. Tín hiệu đầu ra bộ điều khiển giảm làm cho tốc độ động cơ cũng giảm xuống. Như vậy, nếu tại thời điểm t = n đầu ra bám kịp tín hiệu đặt (sai lệch bằng 0) thì tín hiệu ra của bộ điều khiển ui,n cũng sẽ không đổi. Tại bất kỳ một thời điểm nào nếu sai lệch lại khác 0 thì tín hiệu ra của bộ điều khiển lại tiếp tục thay đổi nhằm kéo đầu ra bám theo tín hiệu đặt. Tác động chậm. Việc "thêm, bớt" nói trên làm cho ek nhỏ dần và giá trị "thêm, bớt" Kiek cũng nhỏ dần... Quá trình đó diễn ra liên tục cho đến khi đáp ứng đầu ra của hệ bằng với giá trị đặt hay ek = 0. Khi Ki càng lớn thì đáp ứng đầu ra càng nhanh đạt đến giá trị gần với giá trị mong muốn nhưng quá trình "thêm, bớt" để cho giá trị sai lệch tiến về 0 lại diễn ra càng châm, làm cho thời gian điều khiển kéo dài. Cần lưu ý ở đây là "chậm" tiến về giá trị đặt chứ còn tại thời điểm đầu thì đáp ứng của khâu I vẫn bám rất nhanh tới giá trị đặt nếu Ki lớn (cũng giống hệt như tác động điều chỉnh kiểu P). Như vậy, kết hợp tác động nhanh của khâu P và khả năng triệt tiêu sai lệnh tĩnh của khâu I ta sẽ có được một bộ điều khiển kiểu PI được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. 1.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID [2] 1.4.1 Hàm truyền Một dạng của mạch sớm-chậm pha được sử dụng rất phổ biến, nhất là trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, là bộ điều khiển tỷ lệ-vi tích phân (proportional-integral-derivative controller hay PID controller), hay còn gọi là bộ điều khiển ba phương thức (three-mode controller), được biểu diễn bằng phương trình vi phân có dạng như sau:
- 22. bộ điều khiển PID nói trên sẽ là: GPID(s) = = Kp + KDs + Error! Bookmark not defined. Thành phần tỷ lệ (KP) của bộ điều khiển PID có tác dụng làm tăng tốc độ của đáp ứng và làm giảm nhưng không làm triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập. Thành phần tích phân (KI) có thể làm triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu suất nhất thời theo chiều hướng không được mong muốn vì phần trăm quá mức của đáp ứng nhất thời sẽ tăng khi KI tăng. Ngược lại với KI, thành phần đạo hàm (KD) có tác dụng nâng cao tính ổn định của hệ thống và làm giảm phần trăm quá mức của đáp ứng nhất thời, nhờ đó cải thiện hiệu suất nhất thời của hệ thống vòng kín. Đặc biệt, người ta thường sử dụng các bộ điều khiển PID để điều khiển những quá trình quá phức tạp để có thể thiết lập được các mô hình toán học chính xác, thường là các quá trình phi tuyến và đa biến. Trong những trường hợp đó, với ba tham số KP, KI và KD của bộ điều khiển PID để điều chỉnh, chúng ta vẫn có thể hy vọng đạt được hiệu suất mong muốn cho hệ thống mà không cần thực hiện nhiều bước phân tích và thiết kế phức tạp. Hình 1.4: Mạch của khâu hiệu chỉnh PID. Trong nhiều trường hợp, chúng ta có thể cần một mạch bù có thể cung cấp cả góc sớm pha như của một mạch sớm pha và sự suy giảm về độ lớn như
- 23. z2 s p1 s p2 1 1s 1 2 s 1 1s 1 2 s K .e p K e.d t i K . de d dt Kp e 1 T e.d t T . de d i dt của một mạch chậm pha. Một mạch có đặc tính như vậy được gọi là mạch sớm-chậm pha (lead-lag network). Một mạch sớm-chậm pha sẽ có cả hai thành phần sớm pha và chậm pha, vì vậy hàm truyền của mạch sẽ có dạng như sau: Gc (s) K K1 (1.14) ở đó, |z1| < |p1| và |z2| > |p2|, hay > 1 và > 1. 1.4.2 Kĩ thuật điều khiển PID Kỹ thuật điều khiển PID (Tỉ lệ, tích phân, vi phân) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Dùng để điều khiển những quá trình phức tạp để thiết lập mô hình toán học chính xác, thường là các quá trình đa biến và phi tuyến. Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứng với sự sai lệch giữa tín hiệu đầu ra so với đáp ứng mong muốn. Tùy theo mức độ thì người ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, điều khiển PI, điều khiển PD hoặc điều khiển PID. Hình 1.5: Mô hình thuật toán PID. Để tăng tốc độ tác động của quy luật PI, trong thành phần của nó người ta ghép thêm thành phần vi phân và nhận được quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân. Tác động điều khiển được tính toán theo côngthức: x (1.15) Trong đó: Kp là hệ số khuếch đại
- 24. hằng số thời gian tích phân Td là hằng số thời gian vi phân Hàm truyền của quy luật tỉ lệ - vi tích phân có dạng: W p (1.16) Hàm truyền tần số của khâu PID: W j (1.17) Đặc tính pha tần: (1.18) Như vậy khi ω= 0 thì φ ω = - π/2 , còn khi ω = thì ω = 0 và khi ω = ∞ thì φ ω = π/2. Rõ ràng góc lệch pha của tín hiệu ra so với tín hiệu vào nằm trong khoảng từ − π /2 đến π /2, phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti, Td, và tần số của tín hiệu vào. Nghĩa là về tốc độ tác động, quy luật PID còn có thể nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ. Quy luật PID đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các quy trình công nghệ, nhưng việc hiệu chỉnh các tham số của nó rất phức tạp, đòi hỏi người sử dụng phải có một trình độ nhất định. Vì vậy, trong công nghiệp, quy luật PID chỉ sử dụng ở những nơi cần thiết, khi quy luật PI không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điều chỉnh. Để hiểu rõ hơn, ta có thể xem hình so sánh về sai lệch điều khiển giữa các quy luật: - Hình 1.6.c thể hiện sai lệch điều khiển của quy luật PI. So sánh với hình 2.4.b ta thấy khi kết hợp quy luật tích phân với quy luật tỉ lệ thì hệ có tác K p 1 1 T .p T . p d i K 1 j T . 1 p d T . i arctg i d Ti . T .T 2 1
- 25. có sai lệch tĩnh. - Hình 1.6.d thể hiện sai lệch điều khiển của quy luật PD. So với với quy luật PI (hình 1.6.c) ta thấy quy luật PD tác động nhanh hơn, nhưng không làm giảm sai lệch tĩnh. - Hình 1.6.e thể hiện sai lệch điều khiển của quy luật PID. Quy luật PID có tốc độ tác động nhanh và làm giảm sai lệch tĩnh. Hình 1.6: Minh họa sai lệch điều khiển với các luật điều chỉnh. 1.4.3 Quy luật điều chỉnh PID Rõ ràng việc phối hợp các đặc tính P, I, và D sẽ cho chúng ta khả năng thiết kế được một bộ điều khiển PID phù hợp với các đối tượng cần điều khiển khác nhau. a. Sử dụng bộ điều khiển PID.
- 26. cần được đặt ra là trong trường hợp nào thì nên dùng bộ điều khiển kiểu P, PI, PD hay PID? b. Với các đối tượng có đáp ứng nhanh. Giả sử một bộ điều khiển kiểu PD được dùng để điều khiển cho một đối tượng có đáp ứng nhanh như điều khiển dòng, điều khiển tốc độ động cơ... Nếu vì một lý do nào đó (như tải tăng chẳng hạn) làm cho đầu ra của hệ thống giảm nhanh về một giá trị nào đó thì do sai lệch sau đó gần như không đổi nên khâu D sẽ gần như không có tác dụng. Trong trường hợp này, nếu thay vì sử dụng bộ điều kiển kiểu PD ta sử dụng một bộ điều khiển kiểu PI thì tín hiệu ra của khâu vi phân sẽ liên tục được cộng dồn làm cho tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển ngày càng lớn và có thể đủ để thắng mức độ gia tăng của tải thì sẽ làm tốc độ động cơ tiếp tục tăng trở lại giá trị đặt. Vì vậy, đối với các đối tượng có đáp ứng nhanh thì sử dụng các bộ điều khiển kiểu PI (có đáp ứng chậm) hoặc PID là phù hợp. c. Với các đối tượng có đáp ứng chậm. Hiện tượng Windup. Giả sử một bộ điều khiển kiểu PI được dùng để điều khiển cho một đối tượng có đáp ứng chậm như điều khiển nhiệt độ chẳng hạn. Do đáp ứng chậm nên có thể xảy ra trường hợp sai lệch giữa giá trị đặt so với giá trị thực có thể diễn ra trong thời gian dài. Ví dụ nhiệt độ đặt là 85o C, nhiệt độ hiện tại của đối tượng là 35o C và giả sử phải gi nhiệt hết công suất thì phải sau 15 phút thì nhiệt độ mới đạt yêu cầu. Chú ý là tín hiệu ra của khâu I ui,k = Kiek + ui,k-1 được cộng dồn liên tục do chu kỳ điều khiển thường rất nhỏ (chỉ cỡ vài chục ms chẳng hạn). Kết quả là tín hiệu ra của khâu I cứ tăng lên mãi, vượt quá khả năng của mạch công suất nhưng do sai lệch vẫn còn lớn nên khâu I vẫn tiếp tục cộng dồn... Hiện tượng như vậy còn được gọi là Windup. Vì vậy, với bộ điều khiển có khâu I người ta có thể còn cần phải thiết kế
- 27. để chống lại hiện tượng này và được gọi là anti windup. Trong ví dụ này, nếu thay vì sử dụng bộ điều kiển kiểu PI ta sử dụng một bộ điều khiển kiểu PD thì tín hiệu ra của khâu D ud,k = Kd(ek – ek-1) sẽ có giá trị không lớn, phù hợp với mức độ gia tăng dần dần của nhiệt độ đầu ra. Như vậy, đối với các đối tượng có đáp ứng chậm thì sử dụng các bộ điều khiển kiểu PD (có đáp ứng nhanh) là phù hợp. Nói chung, dựa trên các phân tích ở trên có thể thấy rằng việc sử dụng một bộ điều khiển kiểu PID và chọn được các tham số phù hợp thì có thể đáp ứng được nhu cầu điều khiển cho nhiều loại đối tượng khác nhau. Kết luận: Các thành phần P, I, và D trong bộ điều khiển PID (số) có ý nghĩa rất cụ thể và rõ ràng. Trong bài toán điều khiển bám (theo giá trị đặt), thành phần tỷ lệ P phản ứng lại ngay với sai lệch, không cần "nhớ" đáp ứng trước đó như thế nào, nhờ vậy mà nó tạo ra đáp ứng nhanh và kịp thời. Thành phần tích phân I là thành phần "có nhớ", nó lưu lại giá trị điều khiển của vòng lặp trước sau đó điều chỉnh thêm vào hay bớt đi một lượng nào đó (do hệ số Ki và độ lớn của sai số quyết định) để tạo ra tín hiệu điều khiển cho vòng lặp tiếp theo cho đến khi sai lệch bằng 0. Thành phần D cũng là một thành phần "có nhớ", nó so sánh mức độ chênh lệch của sai lệch ở vòng lặp hiện tại và sai lệch được lưu ở vòng lặp trước đó để đưa ra tín hiệu điều khiển của riêng mình. Khi độ chênh giữa sai lệch của hai chu kỳ điều khiển kế tiếp càng lớn thì tín hiệu điều khiển ra của nó càng lớn (bản chất của đạo hàm). Còn nếu sai lệch của chu kỳ điều khiển hiện tại cũng giống như sai lệch ở chu kỳ điều khiển trước (nghĩa là sai lệch vẫn còn nhưng không thay đổi) thì tín hiệu điều khiển ra của nó bằng 0. Như vậy, ba thành phần P, I, và D trong một mạch vòng điều khiển cũng tương tự như 7 nốt nhạc trong một bản nhạc. Bằng cách phối hợp các thành phần đó với những tỷ lệ khác nhau chúng ta cũng có thể tạo ra một "bản nhạc"
- 28. các "giai điệu" khác nhau. Nếu phối hợp tốt sẽ tạo ra một bản nhạc như mong muốn và êm ái. Còn nếu phối hợp không khéo thì sẽ tạo ra một bản nhạc uốn éo, giật cục với giai điệu khó có thể biết trước được.
- 29. ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 CẤU TẠO PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU [4] 2.1.1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động. - Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có: +) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau. +) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau +) Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. +) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
- 30. phận khác: Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. - Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau. +) Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng. Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo. +) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây
- 31. sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. +) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit. +) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. 2.1.1.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều - Phân loại động cơ điện một chiều Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng: +) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ. +) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng. +) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng. +) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ,
- 32. song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng. - Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. +) Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao. +) Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ. 2.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều [4] 2.1.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các
- 33. dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư 2.1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập[2]. Hình 2.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư (2.1) Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng, V Eư: Sức điện động phần ứng, V
- 34. trở mạch phần ứng, Iư: Dòng điện của mạch phần ứng, A Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ rct: Điện trở tiếp xúc cuộn bù Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: Trong đó: P: Số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng ω: Tốc độ góc (rad/s) Ф: Từ thông kích từ dưới một cực từ P.N K = 2лa : Hệ số cấu tạo của động cơ Từ (2.1) và (2.2) ta có: K.Ф K.Ф Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi (2.3) Mđt = K. .Iư (2.4) Với I K.Ф : thay giá trị I vào (2.3) ta có U Ru Rf . M d t (2.5) K.Ф (K.Ф)2 Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ
- 35. điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M Uu Ru Rf .M (2.6) K.Ф (K.Ф)2 Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông Ф = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (2.3) và phương trình đặc tính cơ (2.6) là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 1.2 là những đường thẳng. Theo các đồ thị, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Hình 2.2: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi = 0 ta có: I U Ru Rf Inm (2.7) M = K. .Inm = Mnm (2.8) Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch. U K.Ф 0
- 36. PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Phương pháp thay đổi từ thông Ф Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 2.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng - Nguyên lý điều khiển: Giả thiết U= Uđm, Rư = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa ( Ф = Фmax) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Ф tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. Nên khi giảm Ф thì tốc độ khong tri lí tưởng ω0 tăng, còn độ cứng đặc tính cơ giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên Hình 2.3: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông - Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ
- 37. ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ. - Đặc điểm của phương pháp: +) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng. +) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch. +) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi. +) Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1. Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với +) Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ (1 ÷ 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp). Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển. 2.2.2 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng - Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa[3]. ~ LK Uđk Eư 1.
- 38. đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb - Eư = Iư(Rb +Rưđ) (2.9) (2.10) (2.11) - Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết E b K.d m Rb K. Rud .I dm u o Udk M min Mnm min M dm 1 Md m KM 1
- 39. tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp - Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được. Vì thế tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là không thoả mãn được. - Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng có đặc tính cơ trong toàn dải là như nhau, do đó độ sụt tốc tương
- 40. giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: - Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao. 2.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều (F - Đ) - Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA – ĐC) - Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ (CL - ĐC) 2.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ) - Cấu trúc hệ F - Đ và đặc tính cơ bản: Hệ thống máy phát - động cơ (F - Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điên một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha kéo quay[3]. Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: Đặc tính từ hoá là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải là sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng điện
- 41. F UF=UĐ Đ iKĐ M MS UKF tải. Các đặc tính này nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các phản ứng của dòng điện phần ứng … trong tính toán gần đúng có thể tuyến tính hoá các đặc tính này: Trong đó: KF: là hệ số kết cấu của máy phát C = F/ iKF là hệ số góc của đặc tính từhoá. Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng UKF thì: IKF =UKF/rKF Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng KF như vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính: EF = KF.UKF Uđk Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động máy phát động cơ Nếu đặt R = RưF + RưD thì có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F - Đ như sau: Uđk UKĐ
- 42. trên chứng tỏ rằng, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì giữ nguyên. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn. - Các chế độ làm việc của hệ F- Đ Hình 2.7: Các trạng thái làm việc của hệ F - Đ Trong hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ cơ bản như hình 2.6 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh được cả hai phía: Kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi dòng kích thích máy phát bằng không, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm
- 43. với mômen tải có tính chất thế năng … hệ F - Đ có đặc tính cơ ở cả bốn góc phần tư của mặt phẳng toạ độ +) Ở góc phần tư thứ I và thứ III tốc độ quay và mômen quay của động cơ luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều đối nhau và EF , . Công suất điện từ của máy phát và động cơ là: PF = EF.I > 0 PĐ = E.I < 0 Pcơ = M. > 0 Các biểu thức này nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn máy phát động cơ tải. +) Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ II và thứ IV, lúc này do nên EF , mặc dù E, EF mắc ngược nhau, nhưng dòng điện phần ứng lại chạy ngược từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ quay. Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là: PF = EF.I < 0 PĐ = E.I > 0 Pcơ = M. < 0 Chỉ do dòng điện đổi chiều mà các bất đẳng thức trên cho ta thấy năng lượng được chuyển vận theo chiều từ tải động cơ máy phát nguồn, máy phát F và động cơ Đ đổi chức năng cho nhau. Hãm tái sinh trong hệ F - Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, khi hãm để đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải có tính chất thế năng. - Đặc điểm của hệ F - Đ: +) Các chỉ tiêu chất lượng của hệ F - Đ về cơ bản tương tự các chỉ tiêu của hệ điều áp dùng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng chịu quá tải lớn, do vậy c o
- 44. hệ truyền đông F - Đ ở các máy khai thác trong công ngiệp mỏ. +) Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. 2.3.2 Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA – ĐC) Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều[3]. Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng ta thêm vào mạch một van đếm V0. Có thể sử dụng thyristor hoặc transistor công suất để thay cho khóa K ở trên. Khi đóng cắt khóa K, trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung vuông. Khi ở trạng thái dòng liên tục thì giá trị trung bình của điện áp ra sẽ là: Trong đó: t1 : Là thời gian khóa ở trạng thái đóng t2 : Là thời gian khóa ở trạng thái mở
- 45. gian thực hiện một chu kỳ đóng mở khóa t1 TC K : Là độ rộng của xung áp Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp ra Ud và Ud có thể thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung . Mặt khác, thời gian một chu kỳ đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ không thay đổi trong thời gian Tck. - Đặc tính điều chỉnh của hệ XA - ĐC .I (2.22) .M (2.23) Khi thay đổi ta được họ đường thẳng song song có độ cứng = const và tốc độ không tải lí tưởng thay đổi theo . Nếu nguồn vô cùng lớn thì ta có thể bỏ qua Rbđ, khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là: (K. )2 N b const (2.24) Tốc độ không tải lí tưởng phụ thuộc vào chỉ là giá trị giả định. Nó có thể tồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến đến 0. Vì vậy hai biểu thức trên chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục. Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn. Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói trên không còn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc. K. .U đm Rb K. Rb đ đm K. .U đm Rö (K. Rb đ đm )2 R
- 46. tính cơ của hệ - Nhận xét: +) Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC khi dòng điện gián đoạn đều có chung một giá trị không tải lí tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp = 0. +) Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít, hệ đơn giản chắc chắn. +) Độ cứng của đặc tính cơ lớn. +) Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ. Khi làm việc ở trạng thái dòng điện gián đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều. 2.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ điện một chiều(CL – ĐC ) - Sơ đồ nguyên lý: CL Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý của hệ chỉnh lưu - động cơ điện một chiều Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển - động cơ điện một chiều (CL - ĐC) có bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu có điều khiển, có sức điện động Ed phụ thuộc vào giá trị của xung điều khiển ( tức là phụ thuộc vào góc điều khiển hay góc mở Tiristor )[3]. - ĐC + ĐK KT
- 47. áp chỉnh lưu Ud ( hay Ed) là điện áp không tải ở đầu ra, có dạng đập mạch với số lần đập mạch là n trong một chu kì 2π của điện áp thứ cấp máy biến áp. +) Với sơ đồ chỉnh lưu tia: n = m, trong đó m là số pha +) Với sơ đồ hình cầu: n = 2.m, trong đó m là số pha Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp có dạng hình sin với biểu thức: Trong khoảng ϴ = (0 - 2π) thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại như chu kì ban đầu nên ta chỉ cần xét trong một chu kì T = 2π - Sơ đồ thay thế của hệ CL – ĐC E Hình 2.11: Sơ đồ thay thế của hệ chỉnh lưu - động cơ điện một chiều Khi van dẫn thì ta có phương trình cân bằng điện áp như sau: Suy ra: U2 m .sin d .R E L . did dt d .R L . did dt (2.26) (2.27) Trong đó: R = Rba + Rư + Rk L = Lba + Lư + Lk - Trạng thái dòng liên tục i
- 48. dòng liên tục, khi van này chưa khóa thì van kế tiếp đã mở, việc mở van kế tiếp là điều kiện cần để khóa van đang dẫn. Do vậy, điện áp của chỉnh lưu sẽ có dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp. Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu: +) Độ cứng của đặc tính cơ: Hình 2.12: Đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu - động cơ một chiều khi dòng liên tục Khi điện kháng trong mạch không đủ lớn, nếu sức điện động của động cơ đủ lớn thì dòng điện tải sẽ trở thành gián đoạn. Ở trạng thái này thì dòng qua van bất kì sẽ bằng 0 trước khi van kế tiếp mở. Do vậy trong một khoảng dẫn của van thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động nguồn: ed = U2
- 49. của hệ CL - ĐC khi dòng điện gián đọan: Hình 2.13: Đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu - động cơ khi dòng gián đoạn - Nhận xét: +) Ưu điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ có độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, vì vậy rất thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Mặt khác, việc dùng hệ chỉnh lưu - động cơ có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn. +) Nhược điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ có các van bán dẫn là các phần tử phi tuyến tính, do đó dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thất phụ trong máy điện một chiều.
- 50. CHẾ TẠO BỘ PID ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU DÙNG PIC16F877A MỞ ĐẦU 3.1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH Thực hiện chế tạo bộ điều khiển với ngôn ngữ lập trình C cho Pic 16F877A để điều khiển tốc độ cho động cơ DC có gắn encoder hồi tiếp tốc độ.Tốc độ được cài đặt và điều chỉnh trực tiếp với nút nhấn từ bàn phím và tốc độ tức thời hồi tiếp từ encoder được hiển thị trên màn hình LCD. Dưới đây là sơ đồ Driver PID cho động cơ DC. Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng 3.1.1 Giới thiệu sơ lược về các modul của mạch: -Yêu cầu đặt ra: Điều khiển tốc độ cho động cơ DC có gắn encoder hồi tiếp tốc độ.Tốc độ được cài đặt từ bàn phím và tốc độ tức thời hồi tiếp từ encoder được hiển thị trên màn hình LCD 16x2. -Tóm tắt hướng thực hiện đề tài: Sử dụng Pic 16F877A là vi điều khiển trung tâm. Dùng chương trình CCS lập trình C và biên dịch chương trình. Xây dựng khối bàn phím gồm 16 phím để nhập tốc độ và điều khiển động cơ DC: 10 phím từ 0 đến 9 để cài đặt tốc độ (vòng /phúc). 1 phím SET (hay ENTER) để lưu tốc độ cài đặt.
- 51. CLEAR để xóa tốc độ cài đặt. 1 phím SAVE để lưu tốc độ vào epprom. 3 phím điều điều khiển: quay thuận (FORWARD), quay nghich (REVERSE), dừng (STOP). Hiền thị tốc độ dùng màn hình LCD 16x2, lập trình ở chế độ 4 bit (sử dụng 4 chân để nhận dữ liệu từ Pic). Sử dụng mạch cầu H là IC L298N để đảo chiều động cơ. Sử dụng 2 kênh PWM của vi điều khiển Pic thay đổi giá trị áp trung bình đặt vào động cơ để điều khiển tốc độ. Đối tượng điểu khiển là động cơ DC 12V có gắn Encoder. Ngoài ra trên mạch còn có 1 phím nguồn (POWER) cấp điện từ adapter cho mạch và 1 phím RESET cho pic 16F877A. Để cấp nguồn cho mạch ta dùng adapter AC/DC (220V/12V) và khối nguồn sử dụng IC 7805 để ổn áp điện áp 5V cung cấp cho Pic. 3.1.2 Sơ đồ nguyên lí mạch b2 a7 b0 b1 a4 a5 a6 p0 p1 p2 p3 p0 p3 p1 p2 a7 a4 a5 a6 b0 b2 b1 CCP2 CCP1 RA0/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF-/CVREF 4 RA4/T0CKI/C1OUT 6 RA5/AN4/SS/C2OUT 7 RE0/AN5/RD 8 RE1/AN6/WR 9 RE2/AN7/CS 10 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RB7/PGD 40 RB6/PGC 39 RB5 38 RB4 37 RB3/PGM 36 RB2 35 RB1 34 RB0/INT 33 RD7/PSP7 30 RD6/PSP6 29 RD5/PSP5 28 RD4/PSP4 27 RD3/PSP3 22 RD2/PSP2 21 RC7/RX/DT 26 RC6/TX/CK 25 RC5/SDO 24 RC4/SDI/SDA 23 RA3/AN3/VREF+ 5 RC0/T1OSO/T1CKI 15 MCLR/Vpp/THV 1 U1 PIC16F877A C1 30pF C2 30pF X1 CRYSTAL R9 10k R1 5k R2 5k R3 5k R4 5k VCC VCC C3 10uF R5 2k2 CCP1 CCP2 CLK 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 (10) FW(16) RV(15) STOP (14) CLEAR (11) set (12) 13 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD1 16_X_2_LCD RV1 1K VI 1 VO 3 GND 2 U2 7805 3 2 1 J1 JACK C4 100uF C5 100nF C6 100uF C7 100nF D8 LED R26 1k +12V +5V 1 2 J2 TERMINAL2 IN1 5 IN2 7 ENA 6 OUT1 2 OUT2 3 ENB 11 OUT3 13 OUT4 14 IN3 10 IN4 12 SENSA 1 SENSB 15 GND 8 VS 4 VCC 9 U1 L298 +12V R1 0.5 R2 0.5 M1 M2 CLK 1 2 3 4 5 J3 SIL-100-05 +88.8 D1 1N4007 D2 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 +12V M1 M2 CLK RESET Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí mạch
- 52. hành mạch: Bước 1: Bật nguồn (nhấn nút POWER), chờ cho Pic và màn hình LCD khởi động, màn hình hiển thị: “CHỌN CHẾ ĐỘ:” Chương trính có 2 chế độ làm việc: chế độ1 là bám tốc độ đặt, có lưu tốc độ vào epprom; chế độ 2 là bám tốc độ có định thời gian để thay đổi chiều quay. Bước 2: Nhập tốc độ từ bàn phím các phím từ 0 đến 9.Nếu nhập sai ta nhấn phím CLEAR con trỏ trên LCD sẽ xóa hết các số đã nhập, ta phải nhập lại từ đầu.Sau khi nhập xong, nhấn phím ENTER để lưu tốc độ đặt, tốc độ đặt được tính theo đơn vị vòng/phút. Nếu là chế độ 2 thì ta phải nhập them thời gian, sau đó nhấn phím ENTER Bước 3: Để điều khiển động cơ ta nhấn phím: quay thuận (FORWARD), quay nghịch (REVERSE), dừng (STOP). Bước 4: Để nhập lại tốc độ ta nhấn phím CLEAR rồi tiến hành đăt tốc độ như bước 2. -Tốc độ tức thời của động cơ sẽ đươc cập nhật mỗi 0,5s và sẽ được so sánh với tốc độ đặt để đưa ra tính hiệu điều khiển, đồng thời cứ mỗi 0,5s tốc độ sẽ hiển thị trên màn hình LCD. 3.2 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 3.2.1 Vi điều khiển PIC16F8774 3.2.1.1 Khái quát về vi điều khiển PIC16F877A a/ Khái quát
- 53. tên viết tắt của “Programmable Intelligent computer” do hãng General Instrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ.Hãng Micrchip tiếp tục phát triển sản phầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau. - PIC16F877A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế. Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC có thể học tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình. - PIC 16F877A thuộc họ vi điều khiển 16Fxxx có các đặt tính sau: Ngôn ngữ lập trình đơn giản với 35 lệnh có độ dài 14 bit. Tất cả các câu lệnh thực hiện trong 1 chu kì lệnh ngoại trừ 1 số câu lệnh rẽ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh. Chu kì lệnh bằng 4 lần chu kì dao động của thạch anh. Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words, với khả năng ghi xoá khoảng 100 ngàn lần. Bộ nhớ Ram 368x8bytes. Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes. Khả năng ngắt (lên tới 14 nguồn cả ngắt trong và ngắt ngoài). Ngăn nhớ Stack được chia làm 8 mức. Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. Dải điện thế hoạt động rộng: 2.0V đến 5.5V. Nguồn sử dụng 25mA. Công suất tiêu thụ thấp: <0.6mA với 5V, 4MHz 20uA với nguồn 3V, 32 kHz. Có 3 timer: timer0, 8 bit chức năng định thời và bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước.Timer1, 16 bit chức năng bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ
- 54. hoạt chế độ Sleep.Timer2, 8 bit chức năng định thời và bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước và sau. Có 2 kênh Capture/ so sánh điện áp (Compare)/điều chế độ rộng xung PWM 10 bit / (CCP). Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. Cổng truyền thong nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ và I2 C (chủ/phụ).Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bit địa chỉ. Cổng phụ song song (PSP) với 8 bít mở rộng, với RD, WR và CS điều khiển. Do thời gian làm đồ án có hạn nên chúng em chỉ tập trung tìm hiểu các tính năng của PIC 16F877A có liên quan đến đề tài, dưới đây là 1 vài tính năng của PIC 16F877A được ứng dụng trong đồ án như: - Tổ chức bộ nhớ của PIC 16F877A. - Chức năng của các Port I/O. - Chức năng và cách thiết lập các tham số của 3 Timer 0,1,2. - Chức năng và cách thiết lập bộ điều chế độ rộng xung PWM. - Định nghĩa ngắt, các nguồn ngắt và tìm hiểu sâu về ngắt timer và ngắt ngoài là hai chức năng được sử dụng trong đề tài này.
- 55. chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A Sơ đồ chân Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lí PIC 16F877A
- 56. lý c/ Nhận xét Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý ở trên, ta rút ra các nhận xét ban đầu như sau : - PIC16F877A có tất cả 40 chân Hình 3.3: Sơ đồ chân của PIC 16F877A Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lí các Port của PIC 16F877A
- 57. trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chân thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển. - 5 port của PIC16F877A bao gồm : + PORT B: 8 chân + PORT D: 8 chân + PORT C: 8 chân + PORT A: 6 chân + PORT E: 3 chân 3.2.1.2 Tổ chức bộ nhớ: Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory). a/ Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1 word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang (từ page0 đến page 3) . Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14 bit). Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>). Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (Reset vector).Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ
- 58. 0004h (Interrupt vector). Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình. b/ Bộ nhớ dữ liệu: - Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được chia thành 4 bank. Mỗi bank có dụng lượng 128 byte. - Nếu như 2 bank bộ nhớ dữ liệu của 8051 phân chia riêng biệt : 128 byte đầu tiên thuộc bank1 là vùng Ram nội chỉ để chứa dữ liệu, 128 byte còn lại thuộc bank 2 là cùng các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR mà người dùng không được chứa dữ liệu khác, còn 4 bank bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được tổ chức theo cách khác. - Mỗi bank của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A bao gồm cả các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR nằm ở các các ô nhớ địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích dùng chung GPR nằm ở vùng địa chỉ còn lại của mỗi bank thanh ghi. Vùng ô nhớ các thanh ghi mục đích dùng chung này chính là nơi người dùng sẽ lưu dữ liệu trong quá trình viết chương trình. Tất cả các biến dữ liệu nên được khai báo chứa trong vùng địa chỉ này. - Trong cấu trúc bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A, các thanh ghi SFR nào mà thường xuyên được sử dụng (như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cả các bank để thuận tiện trong việc truy xuất. Sở dĩ như vậy là vì, để truy xuất một thanh ghi nào đó trong bộ nhớ của 16F877A ta cần phải khai báo đúng bank chứa thanh ghi đó, việc đặt các thanh ghi sử dụng thường xuyên giúp ta thuận tiên hơn rất nhiều trong quá trình truy xuất, làm giảm lệnh chương trình. Hình 3.5: Cấu trúc bộ nhớ chương trình PIC 16F877A
- 59. đồ 4 bank bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A ta rút ra các nhận xét như sau : -Bank0 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 00h đến 77h, trong đó các thanh ghi dùng chung để chứa dữ liệu của người dùng địa chỉ từ 20h đến 7Fh. Các thanh ghi PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE đều chứa ở bank0, do đó để truy xuất dữ liệu các thanh ghi này ta phải chuyển đến bank0. Ngoài ra một vài các thanh ghi thông dụng khác ( sẽ giới thiệu sau) cũng chứa ở bank - Bank1 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 80h đến FFh. Các thanh ghi dùng chung có địa chỉ từ A0h đến Efh. Các thanh ghi TRISA, TRISB, TRISC, TRISD, TRISE cũng được chứa ở bank1 - Tương tự ta có thể suy ra các nhận xét cho bank2 và bank3 dựa trên sơ đồ trên. Cũng quan sát trên sơ đồ, ta nhận thấy thanh ghi STATUS, FSR… có mặt trên cả 4 bank. Một điều quan trọng cần nhắc lại trong việc truy xuất dữ liệu của PIC16F877A là : phải khai báo đúng bank chứa thanh ghi đó.Nếu thanh ghi nào mà 4 bank đều chứa thì không cần phải chuyển bank. - Thanh ghi chức năng đặc biệt SFR: (Special Function Register) - Đây là các thanh ghi được sử dụng bởi CPU hoặc được dùng để thiết lập và điều khiển các khối chức năng được tích hợp bên trong vi điều khiển. Có thể phân thanh ghi SFR làm hai lọai: thanh ghi SFR liên quan đến các chức năng bên trong (CPU) và thanh ghi SRF dùng để thiết lập và điều khiển các khối chức năng bên ngoài (ví dụ như ADC, PWM, …). - Một số thanh ghi cức năng đặc biệt: Thanh ghi STATUS (03h, 83h, 103h, 183h):thanh ghi chứa kết quả thực hiện phép toán của khối ALU, trạng thái reset và các bit chọn bank cần truy xuất trong bộ nhớ dữ liệu.
- 60. OPTION_REG (81h, 181h): thanh ghi này cho phép đọc và ghi, cho phép điều khiển chức năng pull-up của các chân trong PORTB, xác lập các tham số về xung tác động, cạnh tác động của ngắt ngoại vi và bộ đếm Timer0. Thanh ghi INTCON (0Bh, 8Bh,10Bh, 18Bh): thanh ghi cho phép đọc và ,chứa các bít điều khiển và các cờ hiệu khi timer0 bị tràn, ngắt ngoại vi RB0/INT và ngắt interrput-on-change tại các chân của PORTB. Thanh ghi PIE1 (8Ch): chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của các khối chức năng ngoại vi Thanh ghi PIR1 (0Ch) chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE1. Thanh ghi PIE2 (8Dh): chứa các bit điều khiển các ngắt của các khối chức năng CCP2, SSP bus, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM. Thanh ghi PCON (8Eh): chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế độ reset của vi điều khiển. - Thanh ghi muc đích chung GPR: (General Purpose Register) Các thanh ghi này có thể được truy xuất trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua thanh ghi FSG (File Select Register).Đây là các thanh ghi dữ liệu thông thường, người sử dụng có thể tùy theo mục đích chương trình mà có thể dùng các thanh ghi này để chứa các biến số, hằng số, kết quả hoặc các tham số phục vụ cho chương trình. Hình 3.6: Cấu trúc thanh ghi chức năng chung của PIC 16F877A
- 61. không nằm trong bộ nhớ chương trình hay bộ nhớ dữ liệu mà là một vùng nhớ đặc biệt không cho phép đọc hay ghi. Khi lệnh CALL được thực hiện hay khi một ngắt xảy ra làm chương trình bị rẽ nhánh, giá trị của bộ đếm chương trình PC tự động được vi điều khiển cất vào trong stack. Khi một trong các lệnh RETURN, RETLW hat RETFIE được thực thi, giá trị PC sẽ tự động được lấy ra từ trong stack, vi điều khiển sẽ thực hiện tiếp chương trình theo đúng qui trình định trước. - Bộ nhớ Stack trong vi điều khiển PIC họ 16F87xA có khả năng chứa được 8 địa chỉ và hoạt động theo cơ chế xoay vòng. Nghia là giá trị cất vào bộ nhớ Stack lần thứ 9 sẽ ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần đầu tiên và giá trị cất vào bộ nhớ Stack lần thứ 10 sẽ ghi đè lên giá tri6 cất vào Stack lần thứ 2. - Cần chú ý là không có cờ hiệu nào cho biết trạng thái stack, do đó ta không biết được khi nào stack tràn. Bên cạnh đó tập lệnh của vi điều khiển dòng PIC cũng không có lệnh POP hay PUSH, các thao tác với bộ nhớ stack sẽ hoàn toàn được điều khiển bởi CPU. 3.2.1.4 Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A a/ PORTA: -PORTA (RPA) bao gồm 6 I/O pin.Đây là các chân “hai chiều” (bidirectional pin), nghĩa là có thể xuất và nhập được.Chức năng I/O này được điều khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h). Muốn xác lập chức năng của một chân trong PORTA là input, ta “set” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA và ngược lại, muốn xác lập chức năng của một chân trong PORTA là output, ta “clear” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA. Thao tác này hoàn toàn tương tự đối với các PORT và các thanh ghi
- 62. ứng TRIS (đối với PORTA là TRISA, đối với PORTB là TRISB, đối với PORTC là TRISC, đối với PORTD là TRISD vàđối với PORTE là TRISE). -Ngoài ra, PORTA còn có các chức năng quan trọng sau : Ngõ vào Analog của bộ ADC : thực hiện chức năng chuyển từ Analog sang Digital Ngõ vào điện thế so sánh Ngõ vào xung Clock của Timer0 trong kiến trúc phần cứng : thực hiện các nhiệm vụ đếm xung thông qua Timer0… Ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port) - Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTA bao gồm: PORTA (địa chỉ 05h) : chứa giá trị các pin trong PORTA. TRISA (địa chỉ 85h) : điều khiển xuất nhập. CMCON (địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh. CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp. ADCON1 (địa chỉ 9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC. b/ PORTB - PORTB (RPB) gồm 8 pin I/O. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB. - Bên cạnh đó một số chân của PORTB còn được sử dụng trong quá trình nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ nạp khác nhau. PORTB còn liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0. PORTB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình. - Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTB bao gồm: PORTB (địa chỉ 06h, 106h) : chứa giá trị các pin trong PORTB TRISB (địa chỉ 86h, 186h) : điều khiển xuất nhập
- 63. 81h, 181h): điều khiển ngắt ngoại vi và bộ Timer0. c/ PORTC PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên. Ngoài ra PORTC còn có các chức năng quan trọng sau : - Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng - Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sử dụng trong điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ v.v…. - Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART d/ PORTD -PORTD có 8 chân. Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và output của PORTD tương tự như trên.PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port). -Các thanh ghi liên quan đến PORTD bao gồm: Thanh ghi PORTD: chứa giá trị các pin trong PORTD. Thanh ghi TRISD: điều khiển xuất nhập. Thanh ghi TRISE: điều khiển xuất nhập PORTE và chuẩn giao tiếp PSP. e/ PORTE -PORTE có 3 chân.Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE.Các chân của PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP. -Các thanh ghi liên quan đến PORTE bao gồm: PORTE: chứa giá trị các chân trong PORTE. TRISE: điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn giao tiếp PSP. ADCON1: thanh ghi điều khiển khối ADC.
|
