Tài liệu Bài tập lớn Điều khiển số 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây công pdf

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
1
LỜI NÓI ĐẦU

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

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

Nhân
đây em cũng xin cảm ơn rất nhiều đến thầy giáo Phạm Công Ngô đã tận

tình hướng dẫn và chỉ bảo em để làm bài này.















Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
2

A/D
Vi xử lí
DIGITAL

D/A
Đối tượng
ĐK
Khối đo

phản hồi





CHƯƠNG 1. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Công nghiệp hóa - Hiện đại hoá là mục tiêu số một của đất nước ta hiện nay trên
con đường đi lên một cường quốc của khu vực và thế giới. Kỷ nguyên điện tử tin học
đang phát triên mạnh mẽ trên toàn thế giới, ứng dụng những thành tựu đó trong lĩnh
vực công nghiệp và đặc biệt là trong truyền động điện công nghiệp là hết sức quan
trọng, cầ
n thiết. Với khối lượng tình toán những bài toán công nghiệp là tương đối lớn,
ngày nay đây là một công việc nặng nề phức tạp. Ngày nay với những bộ vi xử lý, vi
điều khiển, tốc độ cao đã hoàn toàn thoả mãn những yêu cầu đặt ra với những đòi hỏi
trên. Và tạo ra một bước đột phá mới trong lĩnh vực điều khiển tự động, đó chính là lĩnh
vự
c điều khiển số. Mô hình cơ bản của hệ thống điêù khiển số là :

A/D : (Analog / Digital ) bộ biến đổi tương tự số
D/A : (Digital / Analog) bộ biến đổi số tương tự


Tín hiệu vào ra của đối tượng điều khiển là tín hiệu liên tục, còn tín hiệu vào
ra máy tính là tín hiệu số. Trên cơ sở sơ đồ khối hệ thố
ng điều khiển số đó chúng ta sẽ
xây dựng sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều ba pha như sau:


Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
3

Đây là sơ đồ khối cơ bản mà bất kỳ một hệ thống điều khiển nào cũng không thể
thiếu được. Nhưng đứng trước những đòi hỏi của hệ thống xoay chiều ba pha, yêu cầu
chất lượng hệ thống mà các kỹ sư cần cân nhắc các phương án điều khiển, và tìm ra
một phươ
ng án tối ưu, thoả mãn bài toán kinh tế, với những yêu cầu mà hệ thống đòi
hỏi. Nhưng trên tất cả người kỹ sư cần đặt tính kỹ thuật và kinh tế lên hàng đầu.

Trong lĩnh vực truyền động điện mức chính xác của tốc độ động quyết định tất cả
chất lượng hệ thống.

Chính vì vậy, xây dựng các phương án điều khiể
n cho từng loại động cơ phù hợp
với hệ thống chúng ta cần đặt lên hàng đầu. Trong hệ truyền động điện xoay chiều động
cơ thường được sử dụng gồm hai loại chính là : động cơ đồng bộ và động cơ không
đồng bộ, trong đó động cơ không đồng bộ được ứng dụng nhiều nhất, còn động cơ
đồng bộ ít sử dụng,nó ch
ỉ thường dùng trong một số ứng dụng đặc biệt.

Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ còn chia ra làm hai loại : động cơ
xoay chiều không đồng bộ roto dây quấn và động cơ xoay chiều không đồng bộ roto
lồng sóc. Trước đây trong các hệ truyền động điện xoay chiều, người thiết kế thường
sử dụng động cơ xoay chiều roto dây quấn do những yêu cầu vượt trội c
ủa nó trong các
yêu cầu về điều chỉnh tốc độ.Tuy nhiên ngày nay loại roto lồng sóc chiếm ưu thế tuyệt

đối trên thị trường. Vì lý do đơn giản dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ.





PC
Cổng ra
Khuếch
đại nguồn
Đối
tượng
Cổng vào
Tiền
khuếch
đ
ạ
i
Cảm biến
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
4
Và sự phát triển vũ boã của kỹ thuật vi điện tử, với giá thành ngày càng hạ, đã
cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại roto lồng
sóc.

Các phương án xây dựng sơ đồ điêù khiển hệ thống :

1.1 Điều chỉnh điện áp đặt vào Stato động cơ :


Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ :

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

Ta có :

Với tần số và tốc độ động cơ không đổi thì mô men của động cơ không đổi thì
mô men của roto

r
M
tỷ lệ với bình phương điện áp stato.
Nếu phương trình đặc tính cơ của phụ tải có dạng :


c
M =
cdm
M
x
cdm
)(
ω
ω
=
x
cdm
M )(
0
ω
ω


điều này có nghĩa là động cơ có độ trượt định mức nhỏ, lúc đó tổn thất khi điều chỉnh
sẽ là :


.
cdmr

MP =Δ
)1()(
0
0
0
ω
ω
ω
ω
ω
−
x

Giá trị cực đại của tổn thất công suất là :

dmocdmr
PMP ≈=Δ
ω
.
max

Như vậy ta có :

)1()(
00max
ω
ω
ω
ω
−=

Δ
Δ
x
r
r
P
P


Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
5
Việc điều chỉnh điện áp stato là không thể triệt để do mọi đặc tính điều chỉnh đều
đi qua điểm không tải lý tưởng, tổn thất công suất trượt động cơ tăng lên nếu tốc độ
quay của roto :

s
s
PMP
cocr
−
=−=Δ
1
.).(
0
ωω

Truyền động không đồng bộ điều chỉnh điện áp stato chỉ thích hợp nhất với các

loại tải có mô men là hàm tăng của tốc độ.

1.2.Điều chỉnh điện trở đặt vào roto động cơ :


Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ :

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

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

nếu thay đổi điện trở mạch roto (điện trở
2
'R
)thì đặc tính cơ của động cơ cũng biến đổi
theo.

Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch roto, thực hiện các quá trình điều chỉnh
thông số mạch điện roto của động cơ, giá trị của điện trở tổng mạch roto gồm có

proto
RRR
+
=

Khi tăng giá trị của điện trở tổng R, hệ số trượt tới hạn
'
th
s tăng còn mô men tới
hạn của động cơ vẫn giữ không đổi. Việc thay đổi giá trị tổng trở của roto được thực
hiện theo phương pháp :

Sử dụng biến trở điều chỉnh đơn giản bằng tay trong mạch roto :


Cách này có ưu điểm việc điều chỉnh giá trị điện trở là hết sức đơn giản nhưng nó
lại có những nhựơc điểm rất lớn : độ chính xác điều chỉnh thấp và gây ra tổn hao rất
lớn. Cách này không được ứng dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi độ chính xác
cũng như yêu cầu kinh tế cao.

Sử dụng mạ

ch chỉnh lưu - mạch xung điện trở :

Trong các này thay vì sử dụng biến trở điều chỉnh bằng tay như trên, người ta sử
dụng một mạch chỉnh lưu với các xung điện áp có độ rộng tay đổi theo thòi gian trong
từng chu kỳ (mạch băm xung) để thực hiện việc đóng mở điện trở
p
R
trong mạch roto.
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
6
Khi xung điện áp đóng (trong khoảng thời gian t
1
), điện trở R
p
sẽ được nối vào mạch
roto và tổng trở mạch roto sẽ là :

proto
RRR
+
=

Sau khoảng thời gian t
1
xung điện áp mở (trong khoảng thời gian t
2
), điện trở

p
R
được gắt ra khỏi mạch roto. Điện trở tổng lúc đó chính bằng điện trở của mạch roto
roto
R .
Như vậy ta có một chu kỳ T=t
1
+t
2
giá trị tổng trở trung bình của roto sẽ là :

21
1
tt
t
RR
rototr
+
+=

Từ biểu thức trên ta thấy khi thay đổi độ rộng xung (thay đổi t
1
),điện trở của
mạch roto sẽ thay đổi và tốc độ động cơ cũng biến đổi theo.

Phương pháp điều chỉnh trên được gọi là “ phương pháp điều chỉnh xung điện trở
”.Nó có ưu điểm là điều chỉnh một cách chính xác, dễ dàng, tổn hao công suất ít khả
năng tự động hoá cao.Tuy vậy nó có mặt hạn chế là sơ đồ mạ
ch chỉnh lưu dễ bị ảnh
hưởng của hiễu bên ngoài.

1.3.Phương pháp điều chỉnh công suất trượt bằng hệ nối tầng điện dưới đồng bộ :


Khi điều chỉnh tốc độ bằng hệ nối tầng thì vừa điều chỉnh bằng được công suất
trượt vừa điều chỉnh đựơc tốc độ động cơ.Nội dung chính của phương pháp điều chỉnh
này dựa trên nguyên lý điều chỉnh công suất trượt của động cơ. Nguyên lý này thường
áp dụng cho các truyền động công suất lớn vì khi đ
ó việc tiết kiện năng có ý nghĩa rất
lớn Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không lớn và mô men động cơ giảm khi tốc độ
thấp Do có sử dụng nghịch lưu phụ thuộc nên trong tính toán,thiết kế cần để ý tới giới
hạn hai đầu của góc điều khiển nghịch lưu
min
β
và
max
β
.

Ngoài ra, đối với các hệ thống công suất lớn vấn đề khởi động của động cơ rất
quan trọng.Trong thực tế thường sử dụng điện trở phụ bằng chất lỏng để khởi động
động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất
trượt.Vì vậy nên áp dụng hệ th
ống này cho các truyền động có số lần khởi động, dừng
may và đảo chiều ít.

1.4. Phương pháp điều chỉnh tần số động cơ :


Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các hệ thống điều

chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về giải điều chỉnh và tính chất động
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
7
học chỉ có thẻ thực hiện được với các bộ biến tần. Các hệ này sử dụng động cơ không
đồng bộ chủ yếu là roto lồng sóc.Nhược điểm là hệ thống điều khiển phức tạp.

Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật kinh tế mà ta có thể xác định được cấu trúc cơ bản của
hệ điều khiển biến tần - độ
ng cơ, theo đó có thể chia ra thành các bộ biến đổi sau

*Biến tần trực tiếp :

Là biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số lưới f
1
: f=(0÷5) f
1
. Loại này
thường dùng cho truyền động có công suất lớn.

Biến tần gián tiếp nguồn áp :

Thường dùng cho truyền động nhiều động cơ.Đối với biến tần nguồn áp yêu cầu
chất lượng điện áp cao thường dùng trong các biến tần có điều chế độ rộng xung.

Biến tần có nghịch lưu độc lập nguồn dòng :

Thích hợp cho truyền động đảo chiều,công su

ất động cơ truyền động lớn.

Đối với động cơ roto lồng sóc, để thực hiện điều chỉnh tốc độ thường dùng
phương pháp biến đổi tần số kết hợp với việc biến đổi điện áp ( sử dụng các bộ biến
tần ). Chính vì vậy việc lựa chọn phương án thiết kế hệ điều chỉ
nh cho động cơ cần
phải nghiên cứu, phân tích tính toán ở đây chính là phương pháp điều chỉnh hệ biến
tần - động cơ roto lồng sóc.

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy toàn bộ nền công
nghiệp phát triển à biến đổi sâu sắc.Những mặt hạn chế trước đây đã được giải quyết
và hoàn thiện một cách toàn diện.Ngày nay khi nói t
ới xây dựng một hệ thống kỹ
thuật, bên cạnh các vấn đề về kinh tế, kỹ thuật thì vấn đề tối ưu hoá quá trình công
nghệ đóng một vai trò hêt sức quan trọng. Trong nhiều năm phát triển của khoa học kỹ
thuật nói chung và nghành truyền động nói riêng, những thành tựu đạt được là rất
lớn.Sự kết hợp ngày một hoàn hảo, sâu sắc giữa điện và điệ
n tử đã tạo nên những đột
phá mới vè công nghệ truyền động hiện đại.Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ các hệ
truyền động một chiều, sự xuất hiện các bộ biến tần đã khiến cho các hệ truyền động
xoay chiều phát triển ngày một mạnh và chiếm ưu thế hầu hết các hệ truyền động hiện
đại.

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
8
Hiện nay trong các hệ truyền động xoay chiều, việc ứng dụng các thiết bị biến tần
kết hợp với động cơ roto lồng sóc đã tạo nên bước đột phá cho cả hai yếu tố kỹ thuật

và kinh tế.Hầu hết các hệ thống truyền động xoay chiều hiện nay đều sử dụng động cơ
roto lồng sóc đi liền với các bộ biến tần bở
i các ưu thế vượt trội của nó so với các hệ
khác.

Đối với yêu cầu xây dựng bộ biến tần cho các hệ điều khiển truyền động điện,
trên thực tế có rất nhiều gải pháp khác nhau.Nhưng nhìn chung ta có thể xếp các bộ
biên tần vào hai nhóm chính :nhóm các bộ biến tần điều khỉên bằng tín hiệu tương tự
(Analog Control) và nhóm các bộ biến tần điều khi
ển bằng tín hiệu số (Digital
Control).

Đối với nhóm thứ nhất bộ biến tần được xây dựng dựa trên nền tảng kỹ thuật
vững chắc sẵn có của công nghệ điện, điện tử - điện tử công suất và các phương pháp
điều khiển tương tự. Nhóm này được phát triển và ứng dụng hầu hết các hệ truyền
động trước đây và m
ột số ít hiện nay.Còn nhóm thứ hai đây là hướng phát triển mới
nhằm khai thác các thế mạnh của công nghệ vi điện tử, và đặt nền tảng cho hướng
phát triển mới.

Ngày nay việc xây dựng và phát triển công nghệ thông tin vào quá trình sản xuất
là một xu thế tất yếu. Nó chính là nền tảng công nghệ tương lai của toàn bộ nền công
nghiệp nói chung cũng như các nghành công nghệ cao nói riêng.Sự xuất hiện ngày một
nhi
ều các thiết bị điều khiển công nghiệp tích hợp máy tính đã chứng minh điều đó.
Hiện nay, hầu hết các nhà sản xuất hệ thống điều khiển công nghiệp trên thế giới đều
tập chung đi sâu vào xu hướng phát triển và xây dựng hệ thống, dựa trên nền tảng máy
tính. Và theo đó là sự phát triển của các công nghệ vi xử lý mà hạt nhân của nó chình
là các
μ

P.

Từ những phân tích trên, căn cứ vào thực tế của sự phát triển công nghệ nói
chung cũng như nghành truyền động nói riêng, trong đồ án này chúng em lựa chọn
phương án xây dựng bộ biến tần cho hệ truyền động điện xoay chiều ba pha.Việc điều
khiển tốc độ và mô men động cơ đòi hỏi phải được thiếtkế chính xác dáp ứng được
công nghệ cao và đi liền v
ới nó là chi phí sẽ tăng.

Việc sử dụng động cơ xoay chiều trong các lĩnh vực như :

Truyền động xe kéo, điều khiển công suất, các hệ thống thông gió - điều nhiệt
ngày một phổ biến. Sự gia tăng không ngừng những ứng dụng của động cơ xduay
chiều trong thực tế phần lờn bắt nguồn từ chính những đặc điểm nổi b
ật của nó :thiết
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
9
kế tin cậy, khả năng sinh mô men lớn, dải tốc độ hoạt động rất rộng.Mặc dù việc thiết
kế hệ điều khiển cho các động cơ xoay chiều là hết sức phức tạp và chi phí cao hơn so
với động cơ một chiều, nhưng nhờ sự phát triển mạnh của công nghệ điều khiển số và
kỹ thuật mạch điệ
n tử tích hợp, đã làm giảm đáng kể mức độ phức tạp cũng như chi
phí của quá trình thết kế, xây dựng phần cứng các hệ điều khiển. Chính vì vậy mà động
cơ điện xoay chiều ngày càng đựoc ứng dụng nhiều hơn trong các hệ thống điều khiển
tốc độ.

Tuy vậy bên cạnh những cải tiến trên, tính phức tạp của h

ệ thống vẫn còn là một
cản trở lớn cho các hệ điều khiển tốc độ sử dụng động cơ xoay chiều.Do trong hệ
thống này có quá nhiều chức năng phải thực hiện :

Hệ thống phải biến đổi tín hiệu một chiều từ nguồn thành tín hiệu xoay chiều,
phải thực hiện điều khiển đồng thời cả hai tham số :
điện áp – tần số của các tín hiệu
xoay chiều đó. Mặc dù công nghệ điều khiển đã chuyển phần lớn các chức năng dó cho
phần mềm thực hiện nhưng các thiêt bị phần cứng điện tử vẫn giữ vai trò chủ đạo và
chúng giải quyết được tất cả những giới hạn mà phần mềm không giải quyết được.
Trong thực tế
đối với động cơ điện xoay chiều có hai phương pháp điều khiển tốc độ
cơ bản : phương pháp điều khiển vectơ và phương pháp điều khiển vectơ không gian.
Phương pháp điều khiển véc tơ không gian được sử dụng xây dựng các thuật toán trong
các bộ biến tần.

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
10












CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA


*1. Sơ đồ ghép phối vào ra:


Sơ đồ nguyên lý :

Vi xử lý
Đệm dữ
liệu
Giải mã
địa chỉ
Bộ đếm
xung &
mã hoá

Chốt dữ
liệu

D/A
Biến
tần
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
11

Sơ đồ mạch card điều khiển máy tính(see the figure).

Nguyên lý làm việc card ghép nối máy tính điều khiển :
Bộ vi xử lý có nhiệm vụ tính toán các thông số theo các thuật toán của các kỹ sư
thiết kế đã lập trình. Đầu tiên ta đặt chế độ định trước cho động cơ làm việc bằng cách
đặt tốc độ quay của roto.Bộ vi xử
lý sẽ tính toán với tốc độ ta đặt trứơc, vi xử lý thông
qua bọ biến đổi D/A mà đưa ra một điện áp nào đó vào bộ biến tần.

Và bộ biến tần sẽ khởi động quay roto động cơ.Khi động cơ bắt đầu làm việc bộ
đo tốc độ quay của động cơ cũng làm việc và nghi nhận tốc độ quay của động cơ và
phản hồi v
ề bộ vi xử lý trung tâm.Để đo tốc độ quay ta có thể sử dụng một trong ba
khả năng : máy phát tốc, maý phat xung, máy đo góc tuyệt đối.Trong đó, máy phát tốc
đã dần đi vào dĩ vãng, do dộ chính xác thấp, lại đòi hỏi phần biến đổi ADC có độ
chính xác cao để số hoá tín hiệu đo.


Biến
tần
Máy
tính
Biến tần
Động

cơ
Mã hoá
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
12

Vì vậy ở trong phần thiết kế hệ thống này chúng ta sử dụng máy phát xung
ENCORDER. Máy phát xung ENCORRDER hoạt động trên nguyên tắc từ huặc quang
học đều cấp ra hai chuỗi tín hiệu digital lệch pha nhau một góc
ο
90
,lặp lại (tương ứng
với số vạch khắc của máy) sau mỗi vòng quay. Số vạch khắc của máy thường nằm
trong khoảng 512 8192/1 vòng. Thông thường các máy phát còn kèm theo khả năng
xử lý xườn của các tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép tăng số lượng vạch /1vòng lên 4
lần.Các chuỗi xung được đưa tới các cửa vào của khâu đếm tiến, thông qua lượng
đếm được trong một chu kỳ nhất định ( ví dụ chu k
ỳ điều chỉnh tốc độ quay
n
T ) ta sẽ
tính được tốc độ quay
M
n
của động cơ. Tất cả những điều mô tả ở trên đều thuộc về
kiến thức cơ sở. Nếu tận dụng được khả năng nhân 4, ta có công thức sau :


nICE

Inc
M
Tn
n
n
4
.60
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
min
vßng


Trong đó :


n
T
: chu kỳ điều chỉnh tốc độ quay, ở đây đồng thời là chu kỳ
đếm xung (đo bằng giây)

ICE
n
: lượng vạch / 1vòng của máy phát (ICE: ỉncemental encorder)

Inc
n : lượng vạch đếm được trong thời gian
n
T

Khi đó thông qua công thức trên bộ vi xử lý sẽ tính được tốc độ quay của động cơ
xoay chiều ba pha.Tiếp đó bộ xử lý trung tâm sẽ so sánh với tốc độ đặt trước, tính toán
sai lệch. Sau đó đưa dữ liệu điều khiển biến tần thông qua bộ ADC gián tiếp điều khiển
tốc độ động cơ xoay chiều ba pha.

Cứ như vậy số liệ
u máy tính sẽ cập nhật theo từng chu kỳ của vòng lặp điều
khiển chính xác tốc độ động cơ do yêu cầu hệ thống đòi hỏi.

Card ghép nối máy tính điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha gián tiếp
qua biến tần ta cần dùng rãnh cắm 16 bit theo tiêu chuẩn rãnh cắm ISA (Industry
Standard Architecture ).Thông thường rãnh cắm ISA có 62 đường tín hiệu dụng cho
mục đích thông tin với một card cắm vào. Về cơ b
ản các đường tín hiệu nay được chia
thành các đường dẫn tín hiệu, đường dẫn địa chỉ và đường dẫn điều khiển.Vùng vào ra
của máy tính PC đã chiếm giữ 64Kbyte của bộ nhớ tổng cộng với dung lượng hàng
Mbyte trở lên Vì vậy vùng vào ra của một card mở rộng không được phép bao trùm lên
Bài tập lớn Điều khiển số

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

. Các đường dẫn địa chỉ được sử dụng
trong vùng này là
90
AA → .Thông thường thì các địa chỉ mà dưới địa chỉ này máy tính
có thể trao đổi với card mở rộng có thể đặt chính trên card.Bây giờ nhiệm vụ của tấm
bản mạch ( card ) được gài vào là so sánh các đường dẫn địa chỉ ở máy tính với địa chỉ
đã được thiết lập xem có thống nhất không và thông báo sự đánh giá ở một bộ điều
khiển logic.Chỉ khi sự thống nhất một cách chính xác mớ
i có thể tiến hành sự trao đổi
thông tin với máy tính.Thông thường một card mở rộng có nhiều khối chức năng, bộ
biến đổi A/D, D/A, khối xuất nhập dữ liệu số, các khối này được trao đổi dưới những
địa chỉ khác nhau điều khiển từ máy tính.

Mạch logic bộ giải mã chứa linh kiện hai vi mạch 74HC138.Vi mạch74HC138
chứa một bộ giải mã 1 trong 8 với 3 tín hiệu lựa chọ
n chip. Nhờ một con số nhị phân, ở
linh khiện này ta có thể chọn đúng lối ra từ trong số tám lối ra. Khi lối ra được chọn sẽ
nhận mức tín hiệu LOW ( “ 0 ” ) trong khi các lối khác vẫn nhận mức logic HIGH
( “ 1” ).Bộ giải mã logic đảm nhiệm đồng thời sự điều khiển bộ đệm bus hai chiều
74HC245. Bộ đệm 74HC245 nối đường dữ liệu với dãnh cắm máy tính PC với các
đường dẫn c
ủa card mở rộng.Sự ghép nối này là rất quan trọng, nhờ vậy các tín hiệu
trên đường dẫn dữ liệu không bị ảnh hưởng quá mạnh.Vi mạch 74HC245 chứa 8 bộ
đệm với các lối ra ba trạng thái ( tristate ) để trao đổi thông tin giữa các đường dẫn bus
dữ liệu theo hai hướng vào máy tính và ra ngoại vi.

Hướng trao đổi dữ liệu được xác định từ mức logic ở lối vào DIR, DIR=0
chuyển dữ liệu từ ngoạ
i vi về máy tính. DIR =1 chuyển dữ liệu từ máy tính ra ngoại vi.

Việc chuyển hướng dữ liệu được quản lý tốt nhất, đơn giản nhất là bằng tín hiệu
/IOR, ta có thể nối trực tiếp với chân DIR.Qua đó đảm bảo rằng bộ đệm bus 74HC245
chỉ xắp xếp những dữ liệu trên bú dữ liệu của máy tính PC.

Vi mạch 74HC245 chỉ hoạt động khi chân G không tích cực ( G = 0), và ở trang
thái treo khi chân G tích cực ( G =1 ). Khi máy tính PC th
ực hiện việc truy nhập đọc
(/IOR=0 ), tín hiệu ở chân
4
Y
của vi mạch 74HC138 ở mức không tích cực, khi máy
tính đưa ra địa chỉ
FHH 31300 →
chân G của 74HC245 ở mức “ 0 “ và sẵn sàng làm
việc. Chân
4
Y
cũng được nối với chân G2B tín hiệu làm việc của chip 74HC138 khác
giải mã chọn
1
Y
là dịa chỉ bộ đếm vi mạch 8253, cùng với địa chỉ từ chân
0
A ,
1
A
từ
máy tính chọn các bộ đếm và các chế độ hoạt động. Chân
0
Y kết hợp với tín hiệu từ

chân
0
A ,
1
A
(
0
A =0,
1
A
=0) qua vi mạch OR 3 đầu vào 74HC4075 và ở đầu ra chia làm
hai phần việc : một phần chọn bộ biến đổi DAC, một phần kết hợp với tín hiệu /IOW
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
14
thông qua mạch NOR 74HC022 đầu vào để kích hoạt chốt dữ liệu 74HC373.Chip
74HC373 chốt dữ liệu dùng cho bộ biến đổi DAC. Khi viết lên thiết bị ngoại vi ở địa
chỉ cơ bản thì chân G ( 74HC245 ) ở mức low và kích hoạt bộ đệm 74HC245 bộ này
đẩy dữ liệu theo hướng lên thiết bị ngoại vi và cần đến bộ chốt dữ liệu 74HC373.

Vi mạch 74HC373 có chứa 8 mạch D-flip-flop, các mạch này lưu giữ vào linh
kiệ
n các dữ liệu kề sát ở rãnh cắm PC được cho phép chốt bằng sự tích cực ở lối vào
CLK. Dữ liệu này được dùng cho bộ biến đổi DAC (địa chỉ 310H).

Phương pháp biến đổi được dùng rộng rãi nhất ở các bộ biến đổi D/A là sử dụng
các mạng điện trở R-2R.Sự sắp xếp khá đặc biệt của các mạng điện trở đã mang lại
những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp khác. Phần chính của mạng điện trở có

thể xem như là một bộ chia điện áp.Bộ này có đặc tính là mỗi điểm nút được đáu bằng
một điện trở R. Nhờ vậy mà mỗi điểm nút dòng điện đi qua được chia theo tỷ lệ 1:1,
đối với bit cao nhất đi qua điện tr
ở được tính bằng biểu thức :


R
U
I
ref
.2
=


còn qua các điện trở tiếp theo sẽ bằng:


5,0.
.2 R
U
I
ref
=
; etc





Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
15

Sơ đồ tương đương là :



Cách đấu điện trở R-2R ở bộ biến đổi D/A


ref
U
: điện thế chuẩn của OP

R: điện trở

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
16
Một bộ chuyển đổi qua lại sẽ xác định liệu dòng điện sẽ đi xuống mass hay là đi
qua điểm lấy tổng của mạch. Mức high đặt ở chuyển mạch sao cho dòng điện đi qua
điểm lấy tổng và do vậy đóng góp một phần vaò dòng điện tổng cộng.

Dòng điện tổng cộng ở lối ra OUT 1 sau đó được tính theo biể
u thức :

R
NU
I
ref
.256
.
=


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


256

N
URIU
refa
−=−=


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

Trong mạch điện này, giá trị tuyệt đối của R là không quan trọng, và giá tri của
R có thể dao động trong khoảng rộng. Khi chú ý tới độ chính xác củ
a quá trình biến

đổi thì ta thấy chỉ có việc tạo cặp của các điện trở đóng một vai rò quyết định. Ngày
nay, với trình độ phát triển của công nghệ cao thì yêu cầu này có thể thực hiện với độ
chính xác cao.

Chân
1
Y
low kết hợp với
10
, AA bộ đém 8253 được hoạt động.Vì yêu cầu của
quá trình công nghệ là phải tính được tốc độ quay của động cơ phản hồi về thì ta mới
thực hiên được thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển mói có nghĩa. Chính vì
vậy mà ta cần đến bộ đếm 8253 để đếm số xung mà ENCORDER chuyển về trong
một thời gian mở cổng được xác định chính xác. Thời gian m
ở cổng có thể được thực
hiện theo chế độ 1.ở đây tín hiệu lối ra giữ nguyên ở mức low đối với n chu kỳ giữ
nhịp (n = giá trị bắt đầu ).Khi ta dẫn tín hiệu này đến lối vào GATE của một bộ đếm
khavs hoạt động ở chế độ 2 thì bộ đếm này sẽ đếm các xung ở lối vào trong thời gian
T ( tức bộ đếm tần 16 bit).

Bộ
đếm 0 chia tần số so sánh từ một bộ phát dao động dùng bộ cộng hưởng có
tần số 1MHz thành các gía trị nhỏ hơn.Bọ dếm 1 tạo ra các thời gian mở cổng khác
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
17
nhau. Bộ đếm 2 hoạt động ở chế độ 2 sẽ đếm số xung ở lối vào của ENCORDER trong
thời gian T.

Tần số đếm được là :

Số đếm2-hiện mức2

=
in
f
ref
f

số đếm0.số đếm 1

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

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

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

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

*Mạch khuy
ếch đại công suất dùng cho biến tần nguồn áp :


Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
18

Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp.





Sơ đồ nguyên lý mạch lực của biến tần nguồn áp bao gồm 4 khối chức năng
chính.

Nguồn điện một chiều, mạch lọc, nghịch lưu độc lập nguồn áp động cơ không
đồng bộ nguồn một chiều và mạch lọc tạo ra điện áp mọt chiều có giá trị điều khi
ển
được, nghịch lưu gồm 6 khoá bán dẫn S1 S6 và cần 6 van không điều khiển

D1 D6.

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

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

Các khoá S là các khoá bán dẫn ở truyền động công suất nhỏ thường dùng
tranzitor. Việc khoá (ngắt) các van được thực hiện bằng mạch đặc biệt như là dùng tụ
điện hiện nay là dùng các xung điều khiển được điều khiển bằng vi điều khiển. Giá trị
điện áp động cơ được điều chỉnh huặc bởi biên độ điện áp một chiều – bằ
ng chỉnh lưu

điều khiển huặc bằng bộ băm xung áp.Điện áp cũng có thể được điều chỉnh bằng điều
chỉnh thời gian đóng các khoá S.huặc là bằng điều chế độ rộng xung áp bằng chính
nghịch lưu. Phương pháp sau được sử dụng rộng rãi nhất là ở các truyền động công
suất nhỏ, do có ưu điểm nổi bậ
t là vừa điều chỉnh được điện áp, vừa làm “sin
hoá”điện áp đặt vào động cơ.Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp, phương
pháp điều chế độ rộng xung có thể làm triệt tiêu các sóng hài bậc cao.
















CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN SỐ


1: Sơ đồ mô hình toán học :

)(t
U

)(t
Y


Biến tần Động cơ
Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
20
(-)





Sơ đồ mô phỏng :


)(t
U

)(t
Y

(-)







⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−
+
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
−
=
p
ww
z
z
p

ww
z
z
w
dcbt
dcbt
.
.
1
1
.
.
1
ξ
ξ



⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
++
−
+
⎭
⎬
⎫

⎩
⎨
⎧
++
−
=
)11.0)(1002.0.(
6.65
.
1
1
)11.0)(1002.0.(
6.65
.
1
pppz
z
pppz
z
w
ξ
ξ





⎭
⎬
⎫

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

102.0
95.1390
.
1
pppz
z
pppz
z
w
ξ
ξ


ENCORDER
1002.0
65
=p

11.0
6
+p

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
21

⎟
⎠

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

1
95.0
5.487
7788.0
.5.97
1
.3901
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
w



()
()
⎟

⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
−
+
−
−+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
−
+
−
−
=
95.0
5.487
7788.0
5.97
1
390

11
95.0
5.487
7788.0
5.97
1
390
1
zzz
z
zzz
z
w



()
(
)
()( )( )()( )
5054.1.808.2.195.0.7788.0.1
5054.1.808.2.1
+−+−−−
+
−
=
zzzzz
zz
w

()()
)5054.1.808.2(95.0.7788.0
5054.1.808.2
++−−
+
=
zzz
z
w


Vậy hàm truyền hệ thống có dạng như sau :


245.2.0792.1
5054.1.808.2
2
++
+
=
zz
z
w


Từ hàm truyền hệ thống ta có phương trình trạng thái :

[]
[]
[]
[]
[]
k
k
k
k
k
U
X
X
X
X
.
1
0
.
0792.1245.2
10
2
1
12
11
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣

⎡
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
+

[]
[]
[]
[]
[]
k
k
k
k
U
X
X
Y .
0
0
.808.25054.1
2
1
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎦
⎤
⎢

⎣
⎡
=



• Xét ổn định hệ thống


Từ hàm truyền :


245.2.0792.1
5054.1.808.2
2
++
+
=
zz
z
w


Bài tập lớn Điều khiển số

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

0245.2.0792.1
2
=++ zz


Ta tìm nghiệm của phương trình bậc hai nay :

2
.79.20792.1
1
j
z
+
−
=



2
.79.20792.1
2
j
z
+
−
=


Vậy rõ ràng độ lớn :

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

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

Sơ kiện đầu bằng không


[ ] [ ] [] [ ] []
KKKKK
UUYYY .5054.1.808.2.245.2.0792.1
112

+
+
−
−=
+++







Kết quả MATLAB:


» g=tf(390,[0.002 0.1 1 0])

Transfer function:
390

0.002 s^3 + 0.1 s^2 + s

» g1=c2d(g,0.005)

Transfer function:
0.003818 z^2 + 0.01436 z + 0.00337

Bài tập lớn Điều khiển số

Quách Kỳ Lân

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

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

Transfer function:

0.003818 z^2 + 0.01436 z + 0.00337

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

Sampling time: 0.005

» step(f,10)

Quá trình quá độ hệ thống :










A
mp
litu
de
Step Response
System: f
A
mplitude: -8.12e+062
Time (sec.): 9.94
4
-2
0
2
4
6

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

Quách Kỳ Lân
Điều khiển tự động 2- K43
24
















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

/***************************************************************/
#include<graphics.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<conio.h>
main()

{
int d,g,n;
float t,u ;
float y[640];


cout<<(" Vao chu ky trich mau T=");
cin>>(&t);
d=DETECT;
initgraph(&d,&m);
setbkcolor(0);
setfillstyle(CLOSE_DOT_FILL,BROWN):
bar(200,20,400,50);
setcolor(15);
rectangle(199,18,401,51);
setfillstyle(LOSE_DOT_FILL,3);
bar(3,3,636,476);
outtextxy(235,22,"VE DO THI ");
outtextxy(180,50,"DUNG PHUONG PHAP TURSIN ");
outtextxy(225,70,"NGON NGU C++ ");
setcolor(4);
setlinestle(0,0,3);
rectangle(0,0,639,479);

Bài tập lớn Điều khiển số

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

CHƯƠNG 4: TỔNG HỢP HỆ THỐNG

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

v/f
n

(-)




[]
z
D

ZOH
Biến tần Động cơ
ENCORDER
Bộ đếm