Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ : . – . - . - . - . [...]... sao cho A/D đƣợc thiết kế với độ chính xác là (N+1)bit thì đạt đƣợc độ chính xác thực là N bit + Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong 1 giây, đƣợc gọi là tần số chuyển đổi fc, cũng có thể dung tham số thời gian chuyển đổi Tc để đặc trƣng cho tốc độ chuyển đổi Tc là thời gian cần thiết cho một kết quả chuyển đổi – Tín hiệu số đƣợc xử lý từ máy tính hoặc từ hệ vi điều khiển cần phải chuyển. .. http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 13 - (PWM) Card D/A (Card Arduino) Encoder – 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... encoder có số xung càng lớn thì cho kết quả càng chính xác, song giá thành sẽ càng cao Bên cạnh đó, để đo góc quay với độ chính xác cao có thể dùng encoder đo gián tiếp bằng cách thêm bộ truyền cơ khí – (D/A) – * Khái niệm: Ngày nay trong hệ thống truyền động thƣờng sử dụng nhiều truyền động dạng số, để xử lý phối ghép giữa các tín hiệu tƣơng tự và số, ngƣời ta sử dụng mạch chuyển đổi tƣơng tự-số đƣợc... mã hoá vòng quay) gồm một bộ thu phát hồng ngoại và một đĩa chia lỗ đƣợc đặt giữa hệ thống thu phát này Đĩa đƣợc gắn trên trục của động cơ hoặc trục chuyển động Quá trình đĩa chuyển động làm cho phần photo sensor thay đổi trạng thái và tạo ra một chuỗi các xung vuông trên đầu ra Đây là thông số kĩ thuật quan trọng của một encoder Tuỳ theo số lỗ trên đĩa mà số xung tạo ra trong một vòng quay của đĩa... hạn này Tuy nhiên, điều này đƣợc khắc phục bằng encoder tƣơng đối một cách khá đơn giản Chính vì vậy, ngày nay, đa số ngƣời ta sử dụng encoder tƣơng đối trong những ứng dụng hiện đại Cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì encoder Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 20 sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết đƣợc encoder quay hết một vòng? Nếu cứ đếm... 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... digitalRead(), Cũng trên 14 chân digital này chúng ta còn một số chân chức năng đó là: Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp + PWM (pulse width modulation): các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 trên bo mạch có dấu là các chân PWM chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn + SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12... nhƣ thế này, thì chúng ta không thể biết đƣợc khi nào nó quay hết một vòng Chƣa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý đƣợc, encoder sẽ bị sai một xung Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy Để tránh điều tai hại này xảy ra, ngƣời ta đƣa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder Nhƣ vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng encoder đi ngang qua... là số lỗ càng nhiều trên một vòng tròn 360 0 Nghĩa là ta càng có thể điều khiển chính xác Chúng ta có thể thấy có nhiều loại encoder dùng từ trƣờng hoặc trên đĩa có nhiều vòng lỗ nhƣng loại thông dụng và đơn giản nhất là sử dụng ánh sáng nhƣ trên Trong thực tế chúng ta có thể thấy các bộ encoder trên các động cơ DC chứ không chỉ là các thành phần độc lập Việc lựa chọn và sử dụng hai loại encoder này... đổi: + Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tƣơng tự đầu vào UA t 0 UM t t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 Hình 1.19 Đồ thị biến đổi điện áp tín hiệu tương tự đầu vào Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tƣơng tự đầu vào là khoảng điện áp mà bộ biến đổi A/D có thể thực hiện chuyển đổi đƣợc; khoảng điện áp có thể lấy trị số từ 0 đến một gái trị dƣơng (hoặc âm) nào đó hoặc cũng có thể là điện áp 2 cực tính –UAM đến . 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. 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. 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