Điều khiển hệ truyền động động cơ điện một chiều bằng card arduino để ứng dụng cho điều khiển chuyển động máy công nghiệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN





ĐÀO ANH QUÂN




ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU BẰNG CARD ARDUINO ĐỂ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU
KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG MÁY CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Võ Quang Lạp




Thái Nguyên, 2014

- i -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đào Anh Quân
Sinh ngày: 16 tháng 10 năm 1987
Học viên lớp cao học khóa K15 – Tự động hóa – Trƣờng Đại học kỹ
thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trƣờng Đại học Hùng Vƣơng Phú Thọ
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận trong luận văn chƣa
từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn
trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn



Đào Anh Quân

- ii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm
rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, các phòng ban, các thầy cô giáo và đồng
nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Võ Quang
Lạp đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm Thí
nghiệm, phòng thí nghiệm Khoa Điện tử - Trƣờng Đại Học Kỹ thuật công

nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí
nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trƣờng Đại học
Hùng Vƣơng Phú Thọ đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận
văn.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế
nên có thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý
kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc
hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế.

Học viên

- iii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT v
vii
ix
ix
ix
ix
x
CHƢƠNG 1:
1
1.1. Ƣu điểm của hệ điều khiển số 1
3
3
– 4
5
– 6
9
– 12
– 12
1.3.1. Sơ – 12
13
CHƢƠNG 2: –
) 26

26
26
30
30
) 31
31
31
31
35
36

- iv -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

-Đ 36
36
37
39
2.6.1. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng dòng điện 39
2.6.2. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng tốc độ 42
44
2.7.1. Xây dựng sơ đồ thí nghiệm 44
2.7.2. Phần cứng của thiết bị thí nghiệm 45
2.7.3. Thiết kế PID cho mô hình trong phòng thí nghiệm 48
2.7.4. Các kết quả thí nghiệm 49
CHƢƠNG 3:
51
51
51
51

53
3.1.4. Phân loại và ký hiệu thang máy 53
55
3.1.6. Chức năng của một số bộ phận trong thang máy 56
3.2. Các yêu cầu đối với thang máy 62
3.2.1. Yêu cầu về an toàn trong điều khiển thang máy 62
3.2.2. Dừng chính xác buồng thang 65
3.2.3 Ảnh hƣởng của tốc độ, gia tốc và độ giật đối với hệ truyền động thang
máy 68
3.3. Các chế độ làm việc của thang máy 70
3.3.1. Sơ đồ khối hệ truyến động số - xung áp động cơ điện một chiều điều
khiển bởi card arduino 70
3.3.2. Điều chỉnh tốc độ 71
71
71
nh 72
–
77
75



- v -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT
ACV: Nguồn xoay chiều.
DCV: Nguồn một chiều.
A/D: Chuyển đổi tƣơng tự số.
D/A: Chuyển đổi số tƣơng tự.

DC: Động cơ điện một chiều.
P: Bộ điều chỉnh tỷ lệ.
I: Bộ điều chỉnh tích phân.
D: Bộ điều chỉnh vi phân.
PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân.
CPU: Bộ xử lý trung tâm.
µC : Bộ vi điều khiển.
PWM : Phƣơng pháp điều chê độ rộng xung điện áp.
βI : Phản hồi âm dòng điện.
γn : Phản hồi tốc độ.
U
cđ
: Điện áp chủ đạo.
U
đk
: Điện áp điều khiển.
U
rc
: Điện áp răng cƣa.
U
SS
: Điện áp so sánh.
U
SX
: Điện áp sửa xung.
U
đb
: Điện áp đồng bộ.
FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo.
SRC : Khối tạo xung răng cƣa.

SS : Khối so sánh.
TXPCX : Khối tạo xung và phân chia xung.
U
ω
: Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ.
T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lƣợng tử).
M
S1
: Tín hiệu phản hồi âm tốc độ.

- vi -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

M
S2
: Tín hiệu phản hồi âm dòng điện.
T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM).
H(S) : Khâu lƣu giữ 0.
U
d
: Điện áp ra của bộ biến đổi PWM.
U
c
: Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
K
ω
: Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ.
K
i
, K

p
: Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện.
CLPWM

























- vii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3
3
Hình 1.3. Ký hiệu bộ cắt mẫu 4
8
8
8
9
Hình 1.8. Tính ổn định của hệ điều khiển xung – số 11
i
12
1.10. – 13
1.11. Card Arduino Uno 13
Hình 1.12. Mạch điện bộ biến đổi PWM có đảo chiều dạng H kiểu đi ốt 16
Hình 1.13. Đồ thị dòng áp của hệ truyền động đảo chiều dùng bộ biến đổi
PWM dạng H kiểu Diốt 17
1.14 18
1.15. Encoder tƣơng đối 19
1.16. một số loại encoder thông dụng 20
Hình 1.17. Đặc tính truyền đạt A/D 21
Hình 1.18. Sơ đồ khối A/D 21
Hình 1.19. Đồ thị biến đổi điện áp tín hiệu tƣơng tự đầu vào 23
Hình 1.20. Sơ đồ khối quá trình biến đổi từ số về tƣơng tự 24
Hình 1.21. Đồ thị biến đổi D/A 25
Hình 2.1. Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển I 27
Hình 2.2. Đồ thị đặc tính của khâu điều khiển D 27
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID tƣơng tự 28
Hình 2.4. Đồ thị đặc tính của bộ khâu điều khiển PID 29

Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID số 30
-Đ 31
Hình 2.8. Đáp ứng dòng điện với k
p
= 0.25; k
i
= 42 ;T = 0,5Tu= 0,002 41
Hình 2.9. Đáp ứng dòng điện với: k
p
=0.25; k
i
= 50 ;T = 0,5Tu = 0,0065 41
Hình 2.10. Cấu trúc mạch vòng tốc độ số. 43
Hình 2.12: Đáp ứng tốc độ với T= 0.002;k
p
= 0.25; k
i
= 50; k = 0.00058. 44
Hình 2.13. Sơ đồ khối của hệ truyền động xung áp động cơ điện một chiều
đƣợc điều khiển bởi card arduino 45
Hình 2.14. Phần cứng của thiết bị thí nghiệm 45
Hình 2.15. Sơ đồ khối hình thí nghiệm 46
Hình 2.16. Giới thiệu IC L298N 47
Hình 2.17. Giới thiệu IC SN74HC08N 47
Hình 2.18. Card arduino 48

- viii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

tlab - simulink 49

Hình 2.20. Cấu hình đầu ra điều khiển động cơ 49
Hình 2.21: Cấu hình thời gian thực 50
Hình 2.22. Đáp ứng đầu ra khi không có tải 50
Hình 2.23. Đáp ứng đầu ra khi có tải 50
Hình 3.1. Kết cấu cơ khí của thang máy 56
3.2. Cảm biến vị trí kiểu cơ khí 59
3.3. Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng 60
3.4. Cảm biến quang 60
Hình 3.5. Cảm biến điện dung 61
Hình 3.6. Cảm biến điện cảm 61
62
Hình 3.9. Phanh bảo hiểm kiểu kìm 63
Hình 3.10. Nguyên lý làm việc của bộ hạn chế tốc độ 64
Hình 3.11. Dừng chính xác buồng thang 66
, tốc độ v, gia
tốc a và độ giật theo thời gian. 70
Hình 3.13. Sơ đồ khối hệ T-Đ số - xung áp động cơ điện một chiều điều khiển
bởi card arduino cho truyền động thang máy 70
71
Hình 3.15 72
72
73
73
M theo VOC 75
76
76
d, q 77
78
3.23 78
79

o VOC 79
VOC 79
80
80

- ix -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu




:
.
–
.

-
.
-
.
-
.


- x -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

-
-
- y

-
, thông qua t
.


- 1 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 1



1.1. Ƣu điểm của hệ điều khiển số

–
).
ôi.
.

.

, trong kh
.

.

.

- 2 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

.


-

:


.

.
.

).
- Đơn g

.

.

- 3 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



. C
nhƣ hình 1.1

Hình 1.1.




(hình 1.2).


T
2T 3T
nT
X(0)
X(T)
X(2T)
X(3T)
X(nT)
0
nT
t
X(t)

Hình 1.2. Q
Y(t)
A/D
Vi xử
lý
D/A
Đối tƣợng
điều khiển

Khối đo
Phản hồi
u(t)
X(t)

- 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ký hiệu bộ cắt mẫu nhƣ hình 1.3

Hình 1.3. Ký hiệu bộ cắt mẫu
–

(nT) tr 1.2
(i = 0, 1, 2,…, n).
(i).

.
- :

f(i) f(i ) f(i)1
(1-3)
- :
f(i) f(i ) f(i) f(i ) f(i ) f(i) f(i ) f(i ) f(i)
2
1 2 1 2 2 1
(1-4)
-

k

k k 1 k 1 k j
j0
k!
f(i) f(i 1) f(i) ( 1) f(i j)
j!(k j)!
(1-5)
sau:

nn
n
nn
d y d y
a a a .y(t) u(t)
dt dt
1
01
1
(1-6)

:

(n) (n )
n
A y(i) A y(i) A y(i) u(i)
1
01
(1-7)
(1-5) (1-7)
:

n
A y(i n) a y(i n ) a y(i) u(i)
01
1
(1-8)
.
Bộ cắt mẫu
X(t)
X(nT)
X(t)
X(nT)
nT
a)
b)

- 5 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

–
:

x(t) A.X(t) B.u(t)
y(t) C.X(t) D.u(t)
&
(1-9)
đây:

dd
dd
x(i ) A .x(i) B .u(i)

y(i) C x(i) D u(i)
1
(1-10)

ng quan

– .

(iT) nhƣ sau:

i
f(iT) f(t). (t iT)
0
(1-11)
(t iT)

*
(p):

* pt
pt
i
pt
i
F (p) f(iT).e
f(t). (t iT) .e .dt
f(t). (t iT).e .dt
0
0
0

0
0


* ipT
i
F (p) f(iT).e
0
(1-12)
: z = e
pT

(1-13)
:
pj

(1-13) :

p ln Z
T
1

:

TT
Z e cos( T) je sin( T)
(1-14)
(1-12)
p lnZ
T

1


- 6 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


*i
i
F (p lnZ) F(Z) f(iT).Z
T
0
1
(1-15)
Vậy:

i
i
F(Z) f(iT).Z
0
(1-16)
F(Z) l (iT)
F(Z) = Z{f(i)} (1-17)

(i+1)
Z{f(i)} = F(Z (1-18)
Z{f(i+1)} = Z.F(Z) – Zf(0) (1-19)
:
m
m m j

j
Z f i m Z .F Z f(i).Z
1
0
(1-20)


Z{a.f (i) b.f (i) a.F (z) b.F (Z)
1 2 1 2
(1-21)


z
i
F(i ) f( ) limF(Z) limf(i)
0
00
(1-22)


iz
Limf(i) Lim(Z ).F(z)1
(1-23)
)

f(i) f(i ) f (i)1
(1-24)

Z{ f(i)} (Z ).F(Z) Z.f( )10
(1-25)

:

z{ f(i)} (z ) .F(z) z.(z ).f( ) z. f( )
22
1 1 0 0
(1-26)


f(i) f(i) f(i )
Z{ f(i)} Z{f(i)} Z{f(i )}
F(Z) Z .F(Z)
( Z ).F(Z)
1
1
1
1
1
(1-27)
–

sau:

- 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

nm
a y(i n) a y(i n ) a .y(i) b u(i m) b .u(i m ) b u(i)
0 1 0 1
11

Z{f(i+m)} = Z
m
(1-28) :

n n m m
nm
(a z a z a )Y(z) (b .z b z b ).u(z)
11
0 1 0 1
(1-29)
–


mm
m
nn
n
Y(Z) b Z b Z b
W(Z) .
u(Z) a Z a Z a
1
01
1
01
(1-30)
:

dd
x(i ) A x(i) B u(i)1
(1-31)

(1-31):

dd
Z.X(Z) ZX( ) A .X(Z) B .u(Z)0
(1-32)
Hay:

d d d
X(Z) (Z.I A ) .B .U(Z) (Z.I A ) .Z.X( )
11
0
(1-33)
Bi :
y(i) = C
d
.x(i) (1-34)
:

d d d
Y(z)
W(Z) C (Z.I A ) .B
u(Z)
1
(1-35)
.

–
.

(t)

.

*
(t)
.

(1-28)

- 8 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

n
sơ đ 1.5


LG LT
(p).
LTQĐ
(p):
W
LTQD
(p) = W
LG
(p).W
LT
(p)
1.5 1.6
( )

Hình 1.

W
LG
.
–
nhƣ 1.6


1.7
PTX
Lý tƣởng
PLT
Qui đổi
U(t)
U
*
y(t)
W
LTQĐ
(P)
U
U
*
K
y(t)
Hold
Circuit
(LG)
W
LT
(P)

W
FH
(P)
U(t)
e(t)
e(iT)
(-)
f(t)
y(t)

- 9 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.7
:

-pT
LG
1- e
W (p) =
p
(1-36)
:

LG LT
LG LT FH
Y(z) = Z{W (p).W (p)}.E(z)
F(z) = Z{W (p).W (p).W (p)}.E(z)
(1-37)

:

F(z) = Z{f(iT)}
E(z) = Z{e(iT)}
e(iT) = u(iT)-f(iT)
(1-38)
:
E(z) = u(z) – F(z) (1-39)
- (1-39 :

LG LT FH
E(z) 1
=
u(z) 1+ Z{W (p).W (p).W (p)}
(1-40)
k
:

LG LT
k
LG LT FH
Z{W (p).W (p)}
Y(z)
W (z) = =
u(z) 1+ Z{W (p).W (p).W (p)}
(1-41)


–
:

U
1
(t)
t
iT
-T
0
T
2T
3T
4T
5T

- 10 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


0 1 n 0
a y(i + n)+a y(i+n -1)+ +a y(i) = b u(i)
(1-42)
:

k
Y(z)
W (z) =
u(z)


k
Y(z)= W (z).u(z)

(1-43)
(1-43) :

n n-1
0 1 n-1 n
a Z +a Z + +a Z+a = 0
(1-44)
:
pT (α+ jω)T αT jωT
Z = e = e = e .e


αT
Z= e (cosωT + jsinωT)
(1-45)
(1-45)
(cosωT + jsinωT)
:

αT
Z = e
(1-46)
(1-46) :

α > 0, Z >1
α = 0, Z =1
α < 0, Z <1
(1-47)

(1-47)

ω

Z >1

Z =1
1.
Z <1

i
ph - (1) – (8)Tƣơn
1.8



- 11 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.8. Tính ổn định của hệ điều khiển xung – số
–
i
(1-44)
.

:

v +1
Z=
v -1
(1-48)

i
1.9
i
t
1.10 .
1
:

OP = v
1
;
11
OQ = v +1;OR = v -1

:
OR > OQ
1
v +1 OQ
Z = - <1
v -1
OR

(7)
(8)
(3) (2)

(4)
(5)
(8)
(1)
(6)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
J
+
Vòng tròn đơn vị

- 12 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.9. C
i

1
Z <1
1
1
.
–

(W
ik
(W
nk
.
.
–
arduino
1.3.1. Sơ đồ k –
arduino
–
card arduino



-1
1
V
1
-1
V
1

V
1
+1
V
2
-1

V
2

V
2
+1
-1
1
-1
1
V
3
-1
V
3
+1
+
j

- 13 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


–
1.3.2. thiết bị trong sơ đồ

. Arduino là một bo mạch vi xử lý
đƣợc dùng để lập trình tƣơng tác với các thiết bị phần cứng nhƣ cảm biến,
động cơ, đèn hoặc các thiết b
mềm.

1.11. Card Arduino Uno
. Arduino Uno là
sử dụng chip Atmega328. Nó có 14 chân digital I/O, 6 chân đầu vào (input)
analog, thạch anh dao động 16Mhz. Một số thông số kỹ thuật nhƣ sau:









Card

(Card Arduino)
(PWM)
D/A


Encoder



- 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Chip
ATmega328

Điện áp cấp nguồn
5V
Điện áp đầu vào (input) (kiến nghị )
7-12V
Điện áp đầu vào(giới hạn)
6-20V
Số chân Digital I/O
14 (có 6 chân điều chế độ rộng xung PWM)
Số chân Analog(Input )
6
DC Current per I/O Pin
40 mA
DC Current for 3.3 V Pin
50 mA
Flash Memory
32KB(ATmega328) với 0.5KB
sử dụng bootloader
SRAM
2 KB (ATmega328)
EEPROM
1 KB (ATmega328)
Xung nhịp
16 MHz

- USB (1)
Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thông qua cáp
USB chúng ta
có th
.
- Nguồn (2 và 3 )

) hoặc có thể sử dụng 2
chân Vin và GND để cấp nguồn cho Arduino.
-
5
volt. Và nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tƣợng nóng và làm
hỏng bo mạch
Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy
nguồn ra từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino. Lƣu ý: không đƣợc
cấp nguồn vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino. GND: chân mass.
- Chip Atmega328: Chip Atmega328 Có 32K bộ nhớ flash trong đó 0.5k sử
dụng cho bootloader (ngoài ra còn có 2K SRAM, 1K EEPROM)