1 Điều khiển tốc độ động chiều loại nhỏ Sơ đồ khối Sơ đồ khối cho điều khiển tốc độ động chiều loại nhỏ sử dụng vi điều khiển P89C664: (hình 1) u cầu sử dụng vi điều khiển để điều khiển tốc độ động DC theo chiều thuận ngược thực hai tốc độ (nhanh chậm) Cơng tắc (nút nhấn) dung tạo hai tốc độ tác động quay ngược Sơ đồ khối minh họa hình 1, sử dụng vi điều khiển P89C664 Phương pháp điều khiển tốc độ điều rộng xung (PWM) dung P89C664 Đặt chân P1.5=’0’ (logic 0) áp dụng PWM vào chân P1.4 (chân 6) làm cho động quay thuận Việc điều khiển quay thuận hay nghịch đạt thiết kế cầu mạch điều khiển động Nếu nút nhấn khơng nhấn động ổn định Giả sử nút nhấn thiết lập PWM tỉ số 6:4 nút thiết lập PWm với tỉ số 9:1 PWM = Ton Ton = T Ton + Toff P89C664 Động chạy Mạch lái động Động Ngược chiều Tốc độ Tốc độ Ngược chiều Nút nhấn Nút nhấn Nút nhấn Hình Tỉ số 6:4 có chu kì tổng T=6+4=10 chu kì mức cao (1), mức thấp (0) Tỉ số 9:1 có T=10, mức 1, mức Thanh ghi capture CCAP1L (low) CCAP1H(high) bit có 256 (28) mức tăng mức tăng/chu kì=256/10=25,6 tỉ số 6:4 =154 mức tăng logic 1, 102 mức logic Tỉ số 9:1=230 mức logic 26 mức logic Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Hình 2: Mạch tạo mức logic 0/1 Vi điều khiển P89C664 có 64 KB Bộ nhớ chương trình Flash, KB nhớ Ram chip, timer-To, T1, T2, dãy đếm lập trình (PCA), thu phát bất đồng đa (UART), giao tiếp I2C P89C664 có 44 chân dạng PLCC VCC (chân 44), Vss(chân 22), T0/CEX3 (P3.4), T1/CEX4(P3.5), T2 (P1.0), P.14(CEX1), P1.5(CEX2), P3.0 (RxD), P3.1 (TxD), P3.2 (/INT0), P3.3 (/INT1) Điều khiển động cơ: Sơ đồ cầu minh họa hình Mạch tận dụng cặp transistor bổ phụ NPN/PNP T2/T3 T4/T5 Động dung khơng q 0,5 A diode tạo điện áp dẫn gây dòng chuuyển mạch nhanh Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Hình 3: Mạch điều khiển cầu sử dụng ngõ vào từ chân P1.4 P1.5 để điều khiển tốc độ động chiều hướng quay Động ngừng (off) P1.4 P1.5 logic 0, cực C T1 T6 mức cao Vì T2 T4 dẫn (on) T3 T5 tắt (off)(khơng dẫn) khơng có dòng dẫn qua động 5V đất (GND, mass) Động quay(on): P1.5=’0’, cực C T6 cao, T4 dẫn T5 tắt Nếu tín hiệu PWM áp dụng vào P1.4 PWM logic 1, T1 dẫn, cực C T1 mức thấp; T2 tắt T3 dẫn Do dòng điện dẫn qua đất thong qua transistor T3, động Dc qua transistor T4 lên nguồn +5V Động quay ngược(reverse): Nếu P1.4=’0’ (logic 0) T2 dẫn T3 tắt Nếu tín hiệu PWM áp dụng vào P1.5 PWM logic cao (1), transistor T4 tắt T5 dẫn, tạo dòng điện dẫn ngược thong qua T5, động T2 5.6.3 Hoạch định chương trình: Chương trình điều khiển động theo hướng từ chân P1.4 dùng phương pháp điều rộng xung, cấu trúc từ dãy đếm lập trình (PCA) Quay ngược đạt cách áp đặt PWM chân P1.5 Hai tốc độ : nhanh (9:1) chậm (6:4) Nghịch đảo tốc độ chọn từ nút nhấn on/off tích cực mức thấp (logic 0) Chương trình kiểm tra nút nhấn hành động ngắt /INT0 mức thấp chân P3.2 Chương trình sau khai báo vectơ ngắt có địa 0003H tới chuỗi đuợc chọn ngắt CHECK Org 03h; địa ngắt ngồi Sjmp check; nhảy tới chương trình phục vụ ngắt Khởi động (START) CFH=1100 1111 b điều làm cho chân port zero hành động chương trình tắt động SETB IT0 bật ngắt xảy chuyển từ mức cao sang thấp (cạnh xuống) hành động nút nhấn chân port (/INT0) MOV IEN0,#81H đặt số nhị phân 1000 0001 vào ghi cho phép ngắt IE IEN0 phép hành động /INT0 Kiểm tra (CHECK) Các nút nhấn port chân số (quay ngược), chân 1(6:4 tốc độ 1), chân 2(9:1 tốc độ 2) bình thường logic Khi nút nhấn nhấn, chúng chuyển thành logic lệnh JNB (jump if not bit) trở nên tích cực gửi chương trình tới chương trình phục vụ tương ứng Tốc độ (SPEED) Với tốc độ tốc độ 2, hành động PWM thong qua chân port cho quay ngược, tốc độ 1R tốc độ 2R, hành động PWM thong qua chân port Như hành động hai dòng chương trình bốn chương trình khơng cho phép hành động PWM chân đối diện Chương trình: Sinh viên làm tập Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Bài tập: Viết chương trình hợp ngữ điều khiển động DC dung Keil µVision hay TopView Mơ phỏng: dung Proteus Chương trình: $include (REG66x.inc) ; địa SFR org ; địa reset sjmp START ;nhảy tới START org 03h ; địa ngắt ngồi sjmp CHECK ;nhảy tới chương trình ngắt org 40h ; địa bắt đầu chương trình START: mov p1,#0CFh ; động lái zero (0) setb IT0 ;ngắt cạnh âm mov IEN0,#81H ; ngắt ngồi INT0 cho phép STAY: SJMP STAY ;chờ ngắt xảy CHECK: JNB P1.0, REVERSE; chọn nhảy tới reverse JNB P1.1, SPEED1 ; nhảy tới tốc độ 6:4 JNB P1.2, SPEED2 ; nhảy tới tốc độ 9:1 SJMP CHECK ;kiểm tra nút nhấn trở lại SPEED1: ANL CCAPM2,#0FDH; xố PWM lái chân P1.5 CLR P1.5 ; đặt P1.5 logic ORL CCAPM1,#42H; bật (set) ECOM1 PWM1(P1.4) MOV CCAP1L,#102; nạp giá trị đếm 6;4 MOV CCAP1H,#102; đếm 6:4 nạp lại ORL CCON,#40H ; bật CR để bật timer PCA lên RETI ;trở từ ngắt SPEED2: ANL CCAPM2,#0FDH; xóa PWM lái P1.5 CLR P1.5 ; đặt P1.5 logic ORL CCAPM1,#42H ; bật ECOM1 PWM1(P1.4) MOV CCAP1L,#26; nạp số đếm 9:1 MOV CCAP1H,#26; số đếm 9:1 nạp lại ORL CCON,#40H ; bật CR để bật timer PCA lên RETI ;trở từ ngắt REVERSE: JNB P1.1,SPEED1R; nhảy tới quay ngược speed1 JNB P1.2, SPEED2R; nhảy tới quay ngược speed2 SJMP CHECK ;kiểm tra nút nhấn ngõ vào SPEED1R: ANL CCAPM1,#0FDH; xố PWM lái P1.4 CLR P1.4 ; đặt P1.4 logic ORL CCAPM2,#42H ; bật ECOM2 PWM2 (P1.5) MOV CCAP2L,#102; nạp giá trị đếm 6;4 MOV CCAP2H,#102; đếm 6: nạp lại ORL CCON,#40H ;bật CR để bật timer PCA lên RETI ;trở từ ngắt SPEED2R: ANL CCAPM1,#0FDH; xóa PWM lái P1.4 Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc CLR P1.4 ; đặt P1.4 logic ORL CCAPM2,#42H; bật ECOM2 PWM2 MOV CCAP2L,#26 ; nạp số đếm 9:1 MOV CCAP2H,#26 , đếm 9:1 nạp lại ORL CCON,#40H ;bật CR để bật timer PCA lên RETI ;trở từ ngắt END Chương trình dung phần mềm Raisonance Bạn dung Keil µVision hay TopView Tham khảo: David Calcutt, Fred Cowan, Hassan Parchizadeh, 8051 Microcontrollers: an Application based introduction, Newnes (Elsevier), 2004 Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Bài 6: Hiện thực hệ thống điều khiển tốc độ vị trí động chiều I.Mục tiêu: Khảo sát làm mơ hình động dung vi điều ểnPIC 16F877A/887 giao tiếp máy tính Nhận dạng hàm truyền động DC dùng đáp ứng n ấc hệ hở ZieglerNichols Điều khiển thu thập lệu tốc độ vị trí động theo phương pháp on/off -Sử dụng chương trình VB6.0, chương trình CCS cho PIC Cảm biến tốc độ l encoder II Cơ sở lý thuyết: Sơ đồ khối điều khiển Khối máy tính Khối Vi điều khiển PIC Khối cơng suất (cầu H) Khối động DC Khối Encoder Hình – Sơ đồ khối điều khiển Khối máy tính Dùng ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 làm phương tiện giao tiếp Nhiệm vụ VB6 là: – Tạo giao diện người dùng để giao tiếp với người sử dụng Trên cho phép thay đổi giá trị tốc độ u cầu, thay đổi thơng số PID, chọn chiều quay động cơ, vẽ đồ thị biểu diễn đáp ứng hệ thống – Thiết lập giao tiếp với khối Vi điều khiển qua cổng nối tiếp RS – 232 – Lấy giá trị đo tốc độ thực tế khối vi điều khiển truyền để xử lý – Từ giá trị đo tốc độ thực tế, thực thuật tốn PID xuất giá trị độ rộng xung khối Vi xử lý để điều khiển – Xuất giá trị điều khiển chiều quay động thiết lập giao diện người dùng Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Khối vi điều khiển Dùng ngơn ngữ lập trình C (CCS C) cho PIC 16F877A/887 để lập trình cho Vi điều khiển PIC Nhiệm vụ khối Vi điều khiển là: – Thiết lập giao tiếp với máy tính qua cổng giao tiếp nối tiếp – Thực thuật tốn PID số , sử dụng tính điều rộng xung(PWM) – Thực việc lấy tốc độ thực tế động từ khối encoder truyền giá trị cho khối máy tính để xử lý Khối cơng suất Nhiệm vụ khối là: – Khuếch đại cơng suất từ tín hiệu điều khiển khối vi điều khiển truyền tới để điều khiển động DC – Cho phép đảo chiều quay động thơng qua cầu H Khối động DC Khi nhận xung điều khiển từ khối cơng suất, động quay với tốc độ phụ thuộc vào độ rộng xung truyền tới Động DC servo có tích hợp sẵn encoder (200 xung) Khối encoder Đo tốc độ động cách xuất xung liên tục cho khối Vi điều khiển Động quay nhanh hay chậm tùy thuộc vào số xung xuất khoảng thời gian Việc định thời gian lấy mẫu thực từ khối vi điều khiển 2.Hàm truyền động cơ: Hàm truyền động DC: Động DC thiết bị truyền động cơng suất mà phân phối lượng tải Động chiều mơ tả hình sau: Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Hình 5.9: Sơ đồ nối dây động DC Trong đó: Load : tải; Armature: phần ứng, Field: trường; Inertia: mơ men qn tính; Friction: ma sát Từ thong động tỉ lệ với dòng điện từ, giả sử từ trường khơng bão hòa: φ = K f if (1) Mơ men động giả sử tuyến tính với φ dòng điện phần ứng ia (armature current) (2) Tm = K1φ ia (t ) = K K f i f (t )ia (t ) hay Tm (t ) = K m ia (t ) K1 số tỉ lệ Sức phản điện động: Vb = K 1φ ω dθ (t ) Hay Vb (t ) = K b = K bω (t ) dt Rõ rang từ phương trình (2) để có phần tử tuyến tính, dòng điện phải số Trường hợp ia=Ia dòng điện phần ứng khơng đổi ta có động điều khiển dòng từ (field current controlled motor) Xét trường hợp động DC điều khiển phần ứng (armature controlled DC motor), động sử dụng dòng ia biến điều khiển Phần cảm (stator) dung cuộn dây từ dòng hay từ trường khơng đổi Khi dòng điện từ khơng đổi thiết lập cuộn dây từ, mơ men động Tm ( s ) = TL ( s) + Td ( s ) (3) Mơ men động mơ men phân phối cho tải Quan hệ minh họa (3) Trong đó, TL(s) mơ men tải Td(s) mơ men nhiễu (thể mômen ma sát tải ma sát Coulomb) Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Tm ( s ) = ( K K f I f ) I a ( s ) = K m I a ( s ) (4) với K m = K1φ : số mômen Khi từ trường khơng đổi dung, ta có Tm ( s ) = K m I a ( s ) Mơ men tải cho qn tính quay viết sau: d 2θ (t ) dθ (t ) +b = Tm (t ) − Td (t ) dt dt TL ( s) = Js 2θ ( s) + bsθ ( s) = Tm ( s ) − Td ( s ) TL (t ) = J (8) Km hàm từ tính vật liệu từ Dòng điện phần ứng có quan hệ với điện áp vào đặt vào phần ứng (armature) Va(s) ( gọi U): di a (t ) + Vb (t ) dt Va ( s ) = Ra I a ( s ) + La sI a ( s ) + Vb ( s ) Va (t ) = Ra ia (t ) + La (5) Ra điện trở phần ứng La điện cảm phần ứng Va điện áp vào đặt vào phần ứng Vb(s) (gọi E) điện áp điện động ngược (sức phản điện động phần ứng) tỉ lệ với tốc độ động Vb ( s) = K bϖ ( s) (6) dòng điện phần ứng I a (s) = Va ( s ) − K bϖ ( s) ( R a + La s ) (7) Quan hệ cho động DC điều khiển phần ứng minh họa hình sau: Sử dụng phương trình (4), (7) (8) hay sơ đồ khối cho Td(s)=0, ta giải đạt hàm truyền sau: G ( s) = = θ (s) Va ( s ) = Km s[( Ra + La s )( Js + b) + K b K m ] Km (9) s ( s + 2ξϖ n s + ϖ n2 ) Km θ (s) hay G ( s) = = Va ( s ) La Js + ( Ra J + bLa ) s + ( K b K m + Ra b) s Phương trình trạng thái: có nhiễu Td(t)  dia (t )  − Ra  dt   La  dϖ   K  = m  dt   J  dθ    dt    Kb La b − J −  0 1   i ( t )   a   La   1     0 ϖ (t ) +  Va (t ) + − Td (t ) (10)   0J  0  θ (t )            Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 10 Td(t) xem ngõ vào thứ hai phương trình trạng thái Khi nhiễu Td(t), Phương trình trạng thái:  dia (t )  − Ra  dt   La  dϖ   K  = m  dt   J  dθ    dt     0 1 i ( t )   a   La    0 ϖ (t ) +  Va (t ) (11)    0  θ (t )        Tuy nhiên, nhiều động DC, số thời gian điện từ động (hằng số thời gian phần ứng) τ a = La / Ra bị bỏ qua nên ta có G ( s) = θ (s) Va ( s ) = Kb La b − J − Km [ K /( Ra b + K b K m )] (12) = m s[ Ra ( Js + b) + K b K m ] s (τ s + 1) số thời gian tương đương τ = Ra J /( Ra b + K b K m ) , gọi số thời gian điện động cơ.Chú ý Km Kb (Km=Kb=Ce) Sự minh họa cách xem xét hoạt động động trạng thái xác lập cân cơng suất điện trở rotor bị bỏ qua Armature Va(s)+ Tm(s) Km Ra + sLa - Td(s) - TL(s) + J s + b ω θ s Vị trí Vb(s) Kb Hình 5.10 : Sơ đồ khối động chiều điều khiển phần ứng Khi xét hàm truyền tốc độ, ta có : G ( s) = = ϖ ( s) Va ( s ) = Km [( Ra + La s)( Js + b) + K b K m ] Km ( s + 2ξϖ n s + ϖ n2 ) (13) bỏ qua τ a = La / Ra hàm truyền tốc độ là: Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 11 G(s) = ϖ ( s) = Va ( s ) [ K m /( Ra b + K b K m )] τ 1s + (14) khâu quán tính bậc Khi bỏ qua phản ứng phần ứng, bỏ qua ma sát (b=0) giả sử phần tử hệ thống tuyến tính, có phương trình sau: di dt dϖ − Mc = J dt = Cei U = E + Ri + L M dc M dc (15), (16), (17) (18) E = C eϖ đ ó: U : điện áp hai đầu phần ứng I : dòng điện qua động R,L: điện trở, t ự cảm mạch điện phần ứng E, Mdc: s ức điện động, moment quay động J: moment qn tính phần quay Mc moment cản Ce=Km : số mômen Từ phương trình , suy hàm truyền động hình sau , cho Mc=0 : U 1R + sL / R - Mc Mdc - I Ce J s ω E Ce Hình5.11 : Sơ đồ khối động chiều từ thơng khơng đổi Hàm truyền tốc độ : G ( s) = ϖ ( s) Va ( s ) = Ce La Js + ( Ra J ) s + Ce 2 (19) Hàm truyền vò trí : G ( s) = θ (s) Va ( s ) = Ce La Js + ( Ra J ) s + Ce s (20) 3.Đáp ứng nấc hệ hở theo Ziegler-Nichol: Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 12 Xem lý thuyết Hiện thực hệ thống điều khiển nhiệt độ 4.Điều khiển on/off: Xem lý thuyết Hiện thực hệ thống điều khiển nhiệt độ III Thí nghiệm Thí nghiệm khảo sát hệ hở : Mục đích : Xác định thơng số hàm truyền động từ đồ thị q trình q độ hệ hở với đầu vào hàm nấc Một cách gần đúng, giả thuyết động chiều có hàm truyền khâu bậc có hàm truyền sau : Udk K Ts + wdco Trong K : hệ số biểu diễn quan hệ vào : K=wdco/Udk 2.Điều khiển tốc độ theo phương pháp on/off vòng kín: R + e Bộ điều khiển on/off u Động DC - Trong đó: R: tốc độ đặt C: tốc độ đo E:sai lệch= r-c Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc c 13 U: tín hiệu điều khiển Điều khiển vị trí theo phương pháp on/off vòng kín: Trong đó: R: vị trí góc đặt C: vị trí góc đo E:sai lệch= r-c U: tín hiệu điều khiển IV Báo cáo kết quả: Sinh viên nộp báo cáo giảng viên nhận xét, đánh giá Hướng dẫn thí nghiệmđiều khiển tự động (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc