Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển cho hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (317.06 KB, 27 trang )
1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
CHO HỆ ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Ngành:
TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã số:
Học viên: ĐỖ MẠNH TUẤN
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ QUANG LẠP
THÁI NGUYÊN, NĂM 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
MỤC LỤC
Số trang
Trang bìa
1
Mục lục
2
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
5
Lời mở đầu
7
Chƣơng I: Vi điều khiển và ứng dụng vi điều khiển
trong truyền động điện
9
1.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển
9
1.1.1 Khái niệm về vi điều khiển
9
1.1.2 Lịch sử phát triển của bộ vi điều khiển
10
1.1.3 Tổng quan về các hệ thống vi điều khiển
12
1.1.4
Phần mềm của vi điều khiển
1.2 Các họ vi điều khiển thông dụng
16
18
1.2.1 Vi điều khiển trong máy tính
18
1.2.2 Các vi điều khiển sử dụng trong công nghiệp
18
1.2.3 Giới thiệu họ vi điều khiển MCS-51 (AT89C52)
19
1.2.3.1 Sơ lƣợc về phần cứng của AT89C52
19
1.2.3.2 Cấu trúc bên trong của AT89C52
20
1.2.3.3 Sơ đồ chân và chức năng AT89C52
21
1.2.3.4 Tổ chức bộ nhớ
23
1.2.3.5 Các thanh ghi chức năng đặc biệt
27
1.2.3.6 Bộ nhớ ngoài
34
1.2.3.7 Lệnh Reset
38
1.2.3.8 Tập lệnh của AT 89C52
39
1.3 Ứng dụng vi điều khiển trong truyền động điện
42
1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện
42
1.3.2 Điều khiển số truyền động điện
43
1.3.3 Ƣu điểm của điều khiển số
45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
Chƣơng II: Phân tích và chọn phƣơng án hệ truyền động
với việc ứng dụng vi điều khiển
2.1 Hệ thống Thyistor- động cơ một chiều (T-Đ)
46
46
2.1.1 Hệ T-D tƣơng tự
46
2.1.2 Hệ thống T-D điều khiển số
48
2.2 Hệ truyền động chế độ rộng xung động cơ điện
một chiều (PWM-D)
49
2.2.1 Bộ biến đổi PWM không đảo chiều
49
2.2.2 Bộ biến đổi PWM đảo chiều
50
2.2.3 Đặc tính cơ mạch vòng hở của HT động PWM-D
53
2.2.4 Sơ đồ khối hệ kín PWM-D tƣơng tự
55
2.2.5 Sơ đồ khối hệ kín PWM-D số.
56
2.3 Hệ điều khiển véc tơ biến tần động cơ KĐB 3 pha.
56
2.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động tƣơng tự cho
động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần
56
2.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động số cho động cơ
không đồng bộ sử dụng biến tần
58
Chƣơng III: Phân tích tổng hợp hệ truyền động số PWM-D
60
3.1 Sơ đồ khối của hệ truyền động số PWM-D .
60
3.1.1 Mạch tạo xung điều khiển
.
3.1.2 Thiết kế các bộ điều khiển số
62
64
3.1.2.1 Thuật toán điều khiển tỷ lệ
64
3.1.2.2 Thuật toán điều khiển tích phân I
64
3.1.2.3 Thuật toán điều khiển vi phân D
65
3.1.2.4 Thuật toán điều khiển PID
66
3.1.3 Khối biến đổi tƣơng tự- số và số -tƣơng tự
68
3.1.3.1 Khối biến đổi tƣơng tự -số (A/D)
68
3.1.3.2 Khối biến đổi số - tƣơng tự (D/A)
71
3.1.4 Cảm biến vị trí tốc độ (Encoder)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
72
4
3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số
75
3.2.1 Tổng hợp hệ thống
76
3.2.2 Xác định tính ổn định hệ thống
81
3.2.3 Chất lƣợng của hệ truyền động
84
3.3 Tính toán và khảo sát cho hệ truyền động PWM-D
87
3.3.1 Xét ổn định mạch vòng dòng điện
87
3.3.2 Xét ổn định mạch vòng tốc độ
89
3.3.3 Chất lƣợng của hệ truyền động
92
3.3.2.1 Khảo sát chất lƣợng dùng chƣơng trình pascal
92
3.3.2.2 Khảo sát chất lƣợng hệ thống bằng
phần mềm Matlab Simulink
95
Kết quả luận án và hƣớng phát triển của đề tài
101
Tài liệu tham khảo
102
Phụ lục
103
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
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.
Ucđ : Điện áp chủ đạo.
Uđk : Điện áp điều khiển.
Urc : Điện áp răng cƣa.
USS : Điện áp so sánh.
USX : Điện áp sửa xung.
Uđb : 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.
Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ.
T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lƣợng tử).
MS1 : Tín hiệu phản hồi âm tốc độ.
MS2 : Tín hiệu phản hồi âm dòng điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM).
H(S) : Khâu lƣu giữ 0.
Ud : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM.
Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ.
Ki , Kp : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
LỜI MỞ ĐẦU
Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nƣớc.Tự động hoá là
yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại; nói đến tự động
hoá thì kỹ thuật số là một công cụ hỗ trợ đắc lực và không thể thiếu trong
nhiều lĩnh vực của nền khoa học, kỹ thuật ngày nay. Đặc biệt trong truyền
động điện, đo lƣờng và điều khiển. Việc nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển
vào trong hệ thống truyền động điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nói
chung ngày càng phổ biến. Ví dụ trong các dây truyền lắp ráp các sản phẩm
kỹ thuật cao, trong ngƣời máy, các cơ cấu ăn dao máy mài, máy gọt kim loại,
máy doa, hệ thống nâng hạ cần trục…
Do tính chất ƣu việt của công nghệ số so với phƣơng pháp điều khiển
tƣơng tự truyền thống nhƣ:
- Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự
động;
- Dễ dàng tự động hoá;
- Độ chính xác cao;
- Có khả năng chống nhiễu tốt.
Đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, rễ ràng thay đổi về các
tham số, cấu trúc phần mềm hệ thống vi điều khiển đƣợc thiết kế chế tạo tin
cậy đảm bảo phù hợp từng hệ diều khiển tự động.
Nói chung ở nƣớc ta phần lớn các bộ điều khiển số động cơ điện một
chiều chất lƣợng cao thƣờng đều từ nƣớc ngoài. Với công nghệ và áp dụng vi
điều khiển ta có thể hoàn toàn chế tạo ra các bộ điều khiển hoàn chỉnh có
chức năng tƣơng đƣơng. Do đó để tận dụng và khai thác tiềm năng của các
bộ vi điều khiển nên em chọn hƣớng nghiên cứu “Nghiên cứu, ứng dụng vi
điều khiển cho hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
kích từ độc lập”
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi sai
sót và có nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm. Em rất mong nhận đƣợc
những ý kiến đóng góp, sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp.
Em xin đƣợc bày tỏ biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã
hƣớng dẫn tận tình và chỉ bảo cặn kẽ để em hoàn thành luận văn này. Xin
đƣợc gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy cô Khoa sau đại học, Khoa điện và
các bạn đồng nghiệp lớp TĐH K11 trƣờng ĐHKT công nghiệp Thái Nguyên.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2010
Tác giả luận văn
Đỗ Mạnh Tuấn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
CHƢƠNG I
VI ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN TRONG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển
1.1.1 Khái niệm về vi điều khiển
Bộ vi điều khiển viết tắt là µC (Microcontroller) là mạch tích hợp, trên một
chíp có thể lập trình đƣợc, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống.
Phần cứng chỉ đóng vai trò thứ yếu, phần mềm (chƣơng trình) đóng vai trò
chủ đạo đối với các chức năng cần thực hiện. Nhờ vậy vi điều khiển có sự mềm dẻo
hóa trong các chức năng của mình. Ngày nay vi điều khiển có tốc độ tính toán rất
cao và khả năng xử lý rất lớn.
Vi điều khiển có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và
xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng chính của Vi điều khiển chính
là xử lý dữ liệu, chẳng hạn nhƣ cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v.
Vi điều khiển hoạt động cần có chƣơng trình kèm theo, các chƣơng trình này
điều khiển các mạch logic và từ đó vi điều khiển xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu
cầu. Chƣơng trình là tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh đƣợc lƣu
trữ trong bộ nhớ, công việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã
lệnh và thực hiện lệnh sau khi đã giải mã.
Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn trong truyền
động điện nhƣ điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình .... đòi hỏi phải kết
hợp vi điều khiển với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài đƣợc gọi là các thiết bị
I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi. Bản thân các vi điều khiển khi
đứng một mình không có nhiều hiệu quả sử dụng, nhƣng khi là một phần của một
máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của Vi điều khiển là rất lớn. Vi điều khiển kết hợp
với các thiết bị khác đƣợc sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý
một lƣợng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ nhanh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
1.1.2 Lịch sử phát triển của bộ vi điều khiển
Bộ vi điều khiển đƣợc phát triển từ bộ vi xử lý, các nhà chế tạo tích hợp một
ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất
đƣợc gọi là Microcontroller- Vi điều khiển, mức độ tích hợp của các linh kiện bán
dẫn trong một chíp ngày càng cao.
Một số vi xử lý ra đời: Vi mạch MSI ( Medium Size Integration) có độ tích
hợp trung bình cỡ 103 tranzito trong một chíp. Vi mạch LSI ( large Size Integration)
có độ tích hợp cao cỡ 104 tranzito trong một chíp. Vi mạch VLSI (Very LSI) có độ
tích hợp cao cỡ 105 tranzito trong một chíp. Năm 1971 bộ vi xử lý Intel 4004 loại 4
bít ra đời chứa 2250 tranzito. Năm 1975 Intel chế tạo bộ vi xứ lý 8 bít 8080 và
8085. Cùng khoảng thời gian này xuất hiện bộ vi xử lý 6800 của Motorola với 5000
tranzito, bộ vi xử lý Zilog Z80, Signetics 6520. Năm 1978 xuất hiện loại Intel 8086
là loại vi xử lý 16 bít với 29000 tranzito, Motorola 68000 tích hợp 70000 tranzito,
AP 432 chứa 120000 tranzito. Bộ vi xử lý 32 bít của Hewlet Packard có khoảng
450000 tranzito. từ năm 1974 đến 1984 số tranzito tích hợp trong một chíp tăng
khoảng 100 lần.
Năm 1983 Intel đƣa ra bộ vi xử lý 80286 dùng trong máy vi tính họ AT (
Advanced Technology). Bộ vi xử lý 80286 sử dụng I/O 16 bít và có24 đƣờng địa
chỉ và không gian nhớ địa chỉ thực 16MB. Năm 1987 Intel đƣa ra bộ vi xử lý 80386
32 bít. Năm 1989 xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cải tiến của Intel 80386 với bộ
nhớ ẩn và mạch tính phép toán đại số dấu phẩy động.
Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển
động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình .... đòi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch
điện giao tiếp với bên ngoài đƣợc gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là
các thiết bị ngoại vi. Bản thân các vi xử lý khi đứng một mình không có nhiều hiệu
quả sử dụng, nhƣng khi là một phần của một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của Vi
xử lý là rất lớn. Vi xử lý kết hợp với các thiết bị khác đƣợc sử trong các hệ thống
lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lƣợng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
