Đề tài Điều khiển tốc độ động cơ DC trên cơ sở phần mềm labview

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 1 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN VĂN TRINH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN Lớp : ĐHĐT3A MSSV : 07703181 Khoá : 2007-2011 TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 1 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN VĂN TRINH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN Lớp : ĐHĐT3A MSSV : 07703181 Khoá : 2007-2011 TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010 LỜI MỞ ĐẦU Trong quá trình công nhgiệp hóa- hiện đại hóa đất nước. Tự động hóa là yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại. Nói đến tự động hóa thì máy tính là một công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu được trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong đo lường và điều khiển. Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại nhiều kết quả đầy tính ưu việt. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập dữ liệu ngắn. Nhưng điều đáng quan tâm nhất là mức độ tự động hóa trong việc thu thập và xử lý kết quả đo, kể cả việc lập bảng thống kê, đồ họa, cũng như in ra kết quả. Để đo lường và điều khiển hệ thống thì ngoài các thiết bị ghép nối với máy tính, còn có Smột chương trình nạp vào máy tính để xử lý và điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống. Việc ứng dụng máy tính vào trong các hệ thống truyền động điều khiển tốc độ, vị trí ngày càng phổ biến. Ví dụ như trong các dây truyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong việc gia công sản phẩm có hình dạng, kích thước được vẽ trước trên máy tính, trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại quay anten, kính viễn vọng, trong các hệ thống bám, tùy động,… LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình chuyên nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa,  là một môi trường lập trình cho phép tạo ra các chương trình sử dụng kí hiệu đồ họa giúp tạo lên những giao diện chương trình chuyên nghiệp.  Nó chứa đựng rất nhiều khả năng, sức mạnh khi phát triển và thực thi các ứng dụng tự động hóa: đo lường, thu thập, phân tích, xử lí dữ liệu... Thế giới thiết bị ảo của labVIEW rất gần gũi và liên kết chặt chẽ với thế giới điều khiển tự động thực. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được đề tài này thì trước tiên em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệuTrường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM, các thầy cô trong Ban giám hiệu Khoa Điện và các thầy cô bộ môn đã tạo điều kiện cho em được học tập và đã truyền thụ nhiều kiến thức cho em làm nền tảng học vấn. Sau đó là em vô cùng cảm ơn thầyTrần Văn Trinh là người thầy đã trực tiếp định hướng và hướng dẫn em nghiên cứu về một lĩnh vực khá là rộng, với khối lượng công việc lớn đốivới em. Tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm đồ án. Do kinh nghiệm và trình độ còn hạn chế,phần thể hiện và trình bày còn nhiều khiếm khuyết. Kính mong quí Thầy cô bỏ qua. Sinh viên thực hiện Nguyễn Tiến NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) MỤC LỤC Lời mở đầu: Trang Chương 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1 1.1 Cấu tạo cơ bản máy điện một chiều 1 1.1.1 Cấu tạo 1 1.1.2 Nguyên lý làm việc của dộng cơ điện một chiều 1 1.2 Điều khiển động cơ DC 1 1.2.1Khái niệm chung 1 1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều 2 1.2.3 Các phương trình cơ bản của máy điện một chiều 3 1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC 7 1.3.1 Điều khiển điện áp phần ứng 7 1.3.2 Điều khiển từ thông 8 1.3.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ tong kích từ 8 1.3.4 Điều khiển điện trở phần ứng 9 Chương 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 11 2.1 Điều khiển PID liên tục 11 2.2 Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID 12 2.2.1 Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển 13 2.2.2 Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân 16 2.2.3 Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID 16 Chương 3: LẬP TRÌNH TRONG MÔI TRƯỜNG LABVIEW 22 3.1 Khái quát chung về phần mềm labview 22 3.1.1 Giới thiệu 22 3.1.2 Thiết bị ảo (VI- Vitual Instrument) 22 3.1.3 Front Panel 22 3.1.4 Block Diagram 22 3.2 Kỹ thuật lập trình labview 23 3.2.1 Khởi động chương trình 23 3.2.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình 24 Chương 4: GIỚI THIỆU VỀ CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH 24 4.1 Thông số kỹ thuật 26 4.2 Cách sử dụng 30 Chương 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 31 5.1 Phương án thiết kế 31 5.1.1 Yêu cầu thiết kế 31 5.1.2 Thiết kế 31 5.1.3 Động cơ DC sử dụng cho mạch phần cứng 31 5.1.4 Phương pháp điều khiển 32 5.2 Sơ đồ mạch phần cứng 33 5.2.1 Công dụng từng linh kiện trong mạch 34 5.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch 36 5.3 Giao diện điều khiển bằng máy tính 35 5.3.1 Front Panel và Block diagram của chương trình 35 5.3.2 Các khối lập trình thông dụng 35 5.4 Code điều khiển dựa vào giải thuật 38 5.4.1 Yêu cầu đặt ra 38 5.4.2 Giải quyết từng vấn đề 39 5.5 Giao diện điều khiển trên máy tính 42 5.6 Kết quả đạt được 45 KẾT LUẬN ` PHỤ LỤC DANH MỤC TÀI LIỆU TAM KHẢO CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích ) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt3. Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Rotor (còn gọi phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại các rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phấn ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp. Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mòn của chổi than. Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm). 1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông . Tiếp đó đặt một giá trị điệ áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phấn ứng sẽ có một dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa đòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. Giá trị mômen điện từ được tính như sau: Trong đó các p: số đôi cặp cực của động cơ. n: số thanh đẫn phần ứng dưới một cực từ. a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng. k: hệ số kết cấu của máy. Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục. 1.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 1.2.1 Khái niệm chung Điều khiển tốc độ là một yêu cầu: cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu hóa quá trình sản xuất. Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính dộng cơ truyền động. Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định được gọi là tốc độ đặt. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào các thong số nguồn, mạch và tải nên khi các thông số thay đổi thì tốc độ động cơ sẽ bị thay đổi theo. Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ và có thể không cho phép. Để khắc phục người ta dùng những phương pháp ổn định tốc độ. Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng giải đièu chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ ) và khả năng quá tải của động cơ. Độ ổn định càng cao thì khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn. Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như: Điều chỉnh tham số. Điều chỉnh điện áp nguồn. Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ. 1.2.2 Phân loại động cơ điện 1 chiều Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia đông cơ điện một chiều ra các loại sau: Động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại song song với phần ứng. 1.2.3 Các phương trình cơ bản của máy điện một chiều: Suất điện động phần ứng E=K (1) Điện áp phần ứng U= E+RƯIƯ (2) Mômen phần ứng M= K (3) Trong đó: U: điện áp của lưới điện một chiều E: suất điện động cảm ứng trong cuộn dây rotor khi nó quay trong từ trường do cuộn dây kích từ tạo ra. : từ thông trên mỗi cực (Wb) IƯ: dòng phần ứng (A) U: điện áp phần ứng (V) RƯ: điện trở phần ứng (Ω) : tốc độ động cơ(rad/s) : mômen phần ứng của động cơ (Nm) : hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ Từ công thức (1) và (3), ta có: (4) Hay (5) Với động cơ một chiều kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ được duy trì không đổi, có thể giả thiết rằng từ thông động cơ không đổi khi mômen động cơ thay đổi.Khi đó ta có: K=constant (6) Như vậy đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập là một đường thẳng. Tốc độ không tải của động cơ xác định bởi điện áp cung cấp U và từ thông kích từ K. Tốc độ động cơ giảm khi mômen tải tăng và độ ổn định tốc độphụ thuộc vào điện trở phần ứng RƯ. Trong thực tế do phản ứng phần ứng, từ thông giảm do mômen tăng dẫn đến tốc độ động cơ suy giảm ít hơn là tính toán theo công thức trên. Với mômen lớn từ thông có thể suy giảm đến mức độ dốc đặc tính cơ trở nên dương dẫn đến hoạt động không ổn định. Vì vậy, cuộn bù thường hay được sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng. Với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi không tải khoảng 50%. Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp, từ thông là một hàm của dòng phần ứng. Nếu giả thiết động cơ hoạt dộng trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hóa, có thể xem từ thông tỉ lệ bậc nhất với dòng phần ứng, nghĩa là: =KktI (7) Thay (7) vào (1), (4) vào (5) ta được: M= KKktI2Ư (8) (9) (10) Rư lúc này là tổng của điện trở mạch phần ứng và điện trở phần kích từ. Đặc tính của động cơ một chiều kích từ nối tiếp được vẽ như hình trên . Có thể thấy rằng tốc độ của động cơ suy giảm nhiều theo mômen tải. Tuy nhiên trong thực tế, các động cơ tiêu chuẩn thường được thiết kế làm việc tại các cánh chỏ (Knê-point) của đặc tính từ hóa khi mang tải định mức. Với tải trên định mức, mạch từ động cơ bão hòa, khi đó từ thông không thay đổi nhiều theo dòng tải dẫn đến đặc tính cơ tiệm cận với đường thẳng. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi momen khởi động cao và có thể quá tải nặng. Với momen tải nặng, từ thông động cơ cũng tăng theo. Như vậy với cùng một lượng gia tăng của momen như nhau, dòng phần ứng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập. Do đó, trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập. Theo công thức (10), tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bặc hai của momen. Vì vậy tốc độ động cơ khi không tải có thể tăng lên rất cao, chỉ bị hạn chế bởi từ dư của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc độ định mức. Điều này không cho phép với máy điện – thường chỉ cho phép hoạt động gấp hai lần tốc độ định mức. Do đó động cơ kích từ nối tiếp không được dùng với các ứng dụng trong đó momen tải có thể nhỏ đến mức làm tốc độ động cơ vượt mức giới hạn cho phép. Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng như biểu diễn hình trên. Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ qua cuộn song song, trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuôn song song và cuộn nối tiếp. Động cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần có đặc tính cơ tương tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độ không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Từ công thức (5) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ - momen động cơ, ta có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng ba phương pháp sau: Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển từ thông Điều khiển điện trở phần ứng Điều khiển điện áp phần ứng Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích từ độc laạp và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh điện áp cung cấp cho phần ứng động được vẽ như hình sau: Các đặc tính này suy ra từ công thức (5) với điện áp U thay đổi. Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bất kì tốc độ, momen nằm giữa đường đặc tính cơ tự nhiên và trục momen. Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ dùng để điều chỉnh động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn hoặc đặc tính tự nhiên. Tính chất quan trọng của phương pháp này lá độ cứng đặc tính cơ không thay đổi khi tốc độ động cơ được điều chỉnh. Điều này khiến hệ có khả năng đáp ứng với tải có momen hằng số vì dòng phần úng cực đại cho phép - tương ứng với nó là momen tải cực đại cho phép- của động cơ không đổi với mọi tốc độ. Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều khiển bằng cách sử dụng: Máy phát DC (hệ máy phát –động cơ) Bộ chỉnh lưu có điều khiển (ACDC) Bộ Chopper (bộ biiến đổi xung áp) (DCDC Điều khiển từ thông Điều khiển từ thông được sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của động cơ cao hơn tốc độ định mức. Có thể thấy điều đó qua công thức (5). Tốc độc cao của động cơ đạt được khi giảm từ thông bị hạn chế bởi: Sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phần ứng Giới hạn về mặt cơ khí của dộng cơ: các động cơ thông thường cho phếp tốc độ đạt đến 1,5-2 lần tốc độ định mức. Một số động cơ chế tạo đặc biệt cho phép tốc độ cao nhất đạt tới 6 lần định mức. Đối với động cơ Dc kích từ độc lập và song song, công suất cực đại cho phép của động cơ gần như không đổi với mọi tốc độ khi điều khiển từ thông. Có thể thấy điều này nếu giả thiết là dòng cực đại cho phép, I của động cơ không thay đổi khi điều chỉnh từ thông và điện áp cung cấp cho phần ứng, U là định mức. Khi đó , sức điện động của động cơ, E= U –RI là hằng số. Vì vậy công suất điện từ cực đại cho phép của động cơ sẽ biến thiên tỉ lệ nghịch với tốc độ. Với động cơ DC kích từ độc lập, việc điều khiển kích từ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp từ với bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc bộ chopper, tùy theo nguồn cung cấp được sử dụng là AC hoặc DC. Với động cơ công suất nhỏ, cũng xó thể nối tiếp biến trở vào mạch kích từ đẻ điều khiển từ thông. Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ thông được thực hiện bằng cách thay đổi điện trở song song với cuộn kích từ. Một số động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ nhiều đầu ra, và do đó có thể thay đổi từ thông bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn kích từ. Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ tong kích từ. Phương pháp này được sử dụng khi cần thiết điều chỉnh tốc độ động cơ trong một dải rộng trên và dưới tốc độ định mức. Tốc độ dưới tốc độ định mức được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong khi giữ kích từ ở giá trị định mức. Tốc độ trên định mức được biểu diễn bằng cách thay đổi điện áp kích từ. Giới hạn của momen và công suất ra khi điều khiển hhỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ Điều khiển điện trở phần ứng Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập và nối tiếp khi điều khiển tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào phần ứng. Khuyết điểm chính của phương pháp này là có hiệu suất của hệ thống rất kém và độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là hoạt động ở tốc độ thấp. Do đó, phương pháp này hiện nay ít được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, trừ các trường hợp: Khởi động động cơ Thay đổi tốc độ động cơ trong một thời gian ngắn trong chế độ ngắn hạn hoặc chế độ ngắn hạn lặp lại. CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID (vi tích phân tỉ lệ) rất hay dùng trong các hệ thống điều khiển. Vì nó tăng chất lượng đáp ứng của hệ thống với các ưu điểm sau: PID là sự kết hợp ưu điểm của hai khâu PD và PI , nó làm giảm thời gian xác lập, tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống, giảm sai số xác lập, giảm độ vọt lố,… 2.1 ĐIỀU KHIỂN PID LIÊN TỤC Điều khiển PID là cấu trúc điều khiển thông dụng nhất trong các quy trình điều khiển. Đầu ra của điều khiển là tổng của ba thành phần. Thành phần thứ nhất UP(t) là tỷ lệ giữa hai số đầu ra của hệ thống thựcvới giá trị tham chiếu (giá trị đặt). Thành phần thứ hai UI(t) là tích phân theo thời gian của sai số và thành phần thứ ba UD(t) là đạo hàm của sai số thời gian Hàm điều khiển: Trong đó K là độ lợi, Ti là hệ số của khâu tích phân sai số, Td là hệ số của khâu đạo hàm và là biến tích phân. Giá trị u0 là giá trị xác định trị trung bình biên độ tín hiệu xác thực. Một vài quy trình điều khiển, đặc biệt là các quy trình cũ, có khoảng tỉ lệ (proportional band) được đặt thay vì là độ lợi điều khiển. Proportional band PB (theo phần trăm) được xác định là PB =100/K. Định nghĩa này chỉ áp dụng khi K là không thứ nguyên . Công thức của hàm điều khiển không chỉ ra giới hạn thực tế ở đầu ra. Điều khiển sẽ đạt trạng thái bảo hòa khi ngõ ra đạt tới giới hạn vật lý umax hoặcumin. trong thực tế ngõ ra của điều khiển tỉ lệ như sau: Phần tích phân của hàm điều khiển được dùng để khử sai số của trạng thái ổn định. Chức năng của nó có thể được giải thích bằng trực giác như sau: Giả sử hệ thống ở trạng thái ổn định vì vậy tất cả các tính hiệu đều là hằng số, đặc biệt là e(t). Trạng thái ổn định chỉ được duy trì nếu phần tích phân uI(t) là hằng số, mặt khác u(t) có thể thay đổi . Điều này chỉ xảy ra nếu e(t) bằng không, Hàm điều khiển cũng có thể được biểu diễn theo phép biến đổi Laplace như sau: Lưu ý trong hàm điều khiển này bậc của tử số bậc của mẫu số do đó độ lợi của hàm điều khiển tiến về vô cùng ở tần số cao. Đây là hệ quả của giới hạn đạo hàm. Trong thực tế đạo hàm khó có thể đạt được chính xác, nhưng có thể coi mạch cách gần đúng đối với hệ thống bậc nhất với hằng cố thời gian Tf. Ta có: (5) Trong đó: Tf = Td/N với N khoảng từ 5 đến 10. Độ lợi phần đạo hàm của hàm điều khiển có giới hạn là KN ở tần số cao. Hàm PID từ công thức (5) được viết lại như sau: (6) Đây là trường hơp đặc biệt của điều khiển thông thường. chia 2 vế của (6) cho , và đặt: (7) Hàm PID được viết lại như sau: (8) Đặc tính giới hạn của điều khiển PID: Điều khiển PID được áp dụng thành công trong hầu hết các tiến trình điều khiển. 2.2 DẠNG RỜI RẠC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂU PID Bộ điều khiển trong hệ thống số cần được rời rạc ở một vài mức, để nhập vào máy tính. Bộ điều khiển liên tục sẽ được rời rạc ở dạng số thích hợp với máy tính. Trong việc thiết kế bộ điều khiển liên tục, thì nó cũng được rời rạc. Cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong, thời gian vi phân có thể được xắp xĩ bởi một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng. Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển: Một chu kỳ lấy mẫu quá dài có thể ảnh hưởng đến việc điều khiển hồi tiếp như là bị nhiễu. Một trường hợp đặc biệt là chu kỳ lấy mẫu lâu hơn thời gian đáp ứng của quá trình thì nhiễu có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lí và sẽ mất trước khi bộ điều khiển có thể nhận được một hoạt động chính xác. Vì vậy một điều rất quan trọng là quan tâm đến động học và đặc tính nhiễu của quá trình trong việc lựa chọn chu kỳ lấy mẫu. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cũng ảnh hưởng đến sự lựa chọn chu kỳ lấy mẫu. Trong việc xử lý tín hiệu mục đích là lấy mẫu tín hiệu với máy tính và phục hồi nó từ dạng thời gian rời rạc. Lý thuyết lấy mẫu không có xem thời gian tính toán là mối quan tâm để mà cấu trúc lại thời gian, tín hiệu được lấy mẫu có thể mất thời gian khá lâu. Nói thêm nữa là ta giả sử tín hiệu được chu kỳ hóa. Trong những ứng dụng điều khiển các tín hiệu thường không có chu kỳ và thời gian tính toán cho việc cấu trúc lại tín hiệu bị giới hạn. Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân: Khâu vi phân điều khiển cơ cấu chấp hành và làm cho nó bảo hòa có thể gây ra một số ảnh hưởng không mong muốn. Nếu sai số điều khiển lớn khâu vi phân làm cho cơ cấu chấp hành hoạt động trong vùng bão hòa, vòng hồi tiếp sẽ bị gãy, bởi vì cơ cấu chấp hành vẫn bão hòa thậm chí nếu ngõ ra hệ thống thay đổi. Khâu vi phân, trở thành hệ thống không ổn định, có thể sau đó khâu vi phân đạt đến một giá trị rất lớn. Khi sai số cuối cùng giảm xuống, khâu vi phân có thể vẫn lớn để nó cần có khoảng thời gian cần thiết cho tới khâu vi phân trở lại giá trị bình thường. Sự ảnh hưởng này gọi là windup vi phân Có nhiều cách để tránh windup khâu vi phân. Một cách có hiệu quả nhất là dừng cập nhật vi phân khi cơ cấu chấp hành bị bảo hòa. Một phương pháp khác được biểu diễn ở sơ đồ khối hình a sau đây: Ở đây một đường hồi tiếp được thêm vào để cung cấp giá trị đo được ở ngõ ra của cơ cấu chấp hành, tín hiệu sai số es là sự khác nhau của ngõ ra cơ cấu chấp hành uc và ngõ ra bộ điều khiển v được dẫn về ngõ vào bộ tích phân qua khâu độ lợi 1/Tt. Tín hiệu sai số es là sự khác nhau giữa ngõ ra cơ cấu chấp hành không bị bảo hòa. Khi cơ cấu chấp hành bị bảo hòa đường hồi tiếp thêm vào sẽ cố gắn làm cho es bằng không. Điều này có nghĩa là khâu vi phân sẽ được reset để ngõ ra của bộ điều khiển ở tại giá trị giới hạn bảo hòa. Khâu vi phân được reset đến một giá trị tỷ lệ với hằng số thơiì gian Tt, được gọi là hằng số thời gian theo dõi(tracking-time). Một sự thuận lợi với phương pháp antiwindup này là nó có thể áp dụng cho nhiều cơ cấu chấp hành, không chỉ cơ cấu chấp hành bảo hòa mà còn các bộ kích có đặc tính tùy ý, như vùng chết hay hiện tượng trễ, theo ngõ ra của bộ kích được đo lường. Nếu ngõ ra của cơ cấu chấp hành không được đo lường, cơ cấu cháp hành có thể được thiết kế theo mẫu và tín hiệu tương đương có thể phát ra từ kiểu mẫu này Một ví dụ minh họa vấn đề này, một hệ thống điều khiển vị trí. Ở đây động cơ được điều khiển bởi bộ điều khiển PI. Vị trí đặt được thay đổi nhiều đến mức tín hiệu điều khiển(điện áp vào của động cơ) bị bảo hòa và giới hạn. Đáp ứng bậc thang vị trí góc quay được cho hình sau: 2.2.3 Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID 2.2.3.1 Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) Được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây vọt lố cao do đó vị trí sẽ không đúng theo yêu cầu. Đây là bộ điều khiển mà biến đặt tỉ lệ với độ lệch từ điểm đặt bên trong dãy tỉ lệ cho phạm vi vị trí đặt, Khi vị trí hiện tại thấp hơn mức giới hạn thấp nhất của dãy tỉ lệ, biến đặt vào là 100%. Khi vị trí bên trong dãy tỉ lệ, biến đặt giảm dần dãy tỉ lệ với độ lệch và giảm 50%. Khi vị trí hiện tại bằng với điểm đặt và không có lệch. Khi đó khâu P cho phép điều khiển vị trí phẳng với nhấp nhô nhỏ hơn điều khiển ON-OFF (điều khiển đóng ngắt). Điều khiển tỉ lệ thời gian: (time division proportional control action) Thiết bị ngõ ra dạng xung ở trạng thái ON-OFF có thể dùng thiết bị ngõ ra của bộ điều khiển vị trí. Những ngõ ra này gồm: relay output, SSR (Solid State relay) output, và voltage output trong dãi tỉ lệ ở chu kì như hình bên dưới, thời gian Tonở ngõ ra tỉ lệ với độ lệch. Tỉ số từ lúc on đến lúc off là 1:1và biến là 50% khi chu kỳ relay ngõ ra từ lúc on đến lúc off với vị trí điều khiển bằng điểm đặt. Một chu kỳ từ on tới off của thiết bị ngõ ra được gọi là chu kỳ tỉ lệ (proportional period) và hoạt động điều khiển theo chu kỳ tỉ lệ được gọi là “hoạt động điều khiển chia tỉ lệ thời gian”. 2.2.3.2 Khâu điều khiển vi phân D: (hoạt động dạo hàm) Được đòi hỏi phải bù, được thực hiện đúng với biến đặt tỉ lệ, mức nghiêng của độ lệch: Tỉ số thời gian: (rate time) Tỉ số thời gian là số biểu diễn độ dài của quá trình hoạt động. Đây là thời gian đòi hỏi biến đặt của tỉ số hoạt động đạt được giống như biến đặt trong hoạt động hiệu chỉnh khi xảy ra thay đổi độ dốc trong độ lệch. Tùy theo tỉ số thời gian dài hơn, vi phân linh hoat hơn. Hiệu ứng vi phân:( Differetial Effect) Trong trường hợp độ lệch xảy ra đột ngột trong bộ chia tỉ lệ. Trước tiên ON hoặc OFF thời gian của output relay được kéo dài bằng việc chỉnh đến diểm đặt sớm hơn. Vì hiệu ứng của điều khiển này tương tự như tỉ số hoạt động, được xem như là “ hiệu ứng vi phân” 2.2.3.3 Khâu tích phân I Điều khiển hoạt động I: Độ lệch tăng bởi sự quan hệ giữa vị trí đặt của hệ điều khiển và vị trí hiện tại, và giữ sau khi hệ thống điều khiển đạt trạng thái bền. Sự lệch này gọi là sai số. Nếu như sai số xảy ra trong bộ điều khiển mà chỉ thực hiện điều khiển tỉ lệ, thì nó sẽ thiếu chính xác. Giảm và loại sai số để vị trí điều khiển hợp với điểm đặt. Khâu P thường được dùng để kết hợp với bộ điều khiển tích phân I. Thời gian reset:Thời gian reset là diễn tả quá trình của hoạt động reset. Đây là thời gian đòi hỏi biến đặt bộ điều khiển tích phân bằng với biến đặt bộ điều khiển tỉ lệ khi độ lệch lấy thay đổi từng bước. Do đó thời gian reset time ngắn, ảnh hưởng rất nhiều đến hoạt động Reset. Tuy nhiên thời gian reset quá ngắn mà thực hiện quá nhanh có thể gây ra hunting 2.2.3.4 Khâu tích phân tỉ lệ (PI) Khiến hệ trở thành vô sai. Muốn tăng độ chính xác của hệ thống ta phải tăng hệ số khuếch đại. Song đối với hệ thống thực bị hạn chế thì sự có mặt của khâu PI là bắt buộc. 2.2.3.5 Khâu PID Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều dưới dạng thiết kế điều khiển hay thuật toán hiệu chỉnh bằng phần mềm. Nếu tín hiệu đầu vào là sai số e(t), tín hiệu đầu ra là điều khiển điện áp u(t) thì: (1) Ta có hàm truyền đạt của khâu hiệu chỉnh PID: (2) Hoặc ở dạng khác: (3) Theo nguyên tắc tích phân hình thang thì: (4) Còn phần đạo hàm thì: (5) Như vậy: (6) Thay đổi chỉ số từ K thành (K-1) và trừ hai vế của phương trình ta có: (7) Nếu các đặt các hệ số: (8) (9) (10) Thì: (11) Cách tính Kp, Ti, Td: Nhìn chung đối với việc điều khiển vị trí động cơ DC, thì ngoài phương pháp khử sai ra hầu như không còn phương pháp nào khác để xác định thông số PID. Nghĩa là ta chọn một giá trị nào đó của các thông số và cho hệ thống chạy thử, thay đổi các thông số này theo chiều hướng hệ ổn định và đạt chất lượng như mong muốn, đến khi nào ta chọn được các thông số tối ưu thì việc chọn các thông số PID chấm dứt. Tuy nhiên, dể quá trình chọn thông số PID trở nên đơn giản ta dùng phương pháp Ziegler-Nichol để tính thông số PID từ hàm truyền của động cơ, và lấy các thông số này để thử hệ thống, thay đổi vài lần các giá trị gần với thông số này ta sẽ được hẹ thống tối ưu. Lý do các giá trị tìm được từ phương pháp Ziegler-Nichol không phải là các tối ưu, là do phương pháp Ziegler-Nichol chỉ áp dụng cho hệ thống có quán tính lớn, còn động cơ DC đáp ứng nhanh. Theo phương pháp 1 của nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler-Nichol (cho PID): Với T1,T2 được xác định từ đường đặc tuyến tốc độ của động cơ: Với: e(K) = SV - PV e(K-1) = 0 e(K-2) = 0 Với T: chu kỳ lấy mẫu Trong đó: ; CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH TRONG MÔI TRƯỜNG LABVIEW 3.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 3.1.1 Giới thiệu Labview (Virtual Instrument Engineering Wordbech) là một môi trường phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình đồ họa, thường được sử dụng cho mục đích: Đo lường, kiểm tra, xử lý và điều khiển các tham số của thiết bị. Labview là một ngôn ngữ lập trình đa năng, giống như các ngôn ngữ lập trình hiện đại khác. Labview gồm có các thư viện thu nhận dữ liệu, một loạt các thiết bị điều khiển, phân tích dữ liệu, biểu diễn và lưu trữ dữ liệu. Nó còn có các công cụ phát triển được thiết kế riêng cho việc nối ghép và điều khiển thiết bị. Labview khác với các ngôn ngữ thông thường ở điểm cơ bản là: Các ngôn ngữ lập trình khác thường dùng trên cơ chế dòng lệnh, trong khi đó Labview dùng ngôn ngữ lập trình Graphical để tạo ra các chương trình ở dạng sơ đồ khối. 3.1.2 Thiết bị ảo (VI- Vitual Instrument): Lập trình Labview trên cơ sở thiết bị ảo. Các đối tượng trong thiết bị ảo được sử dụng để mô phỏng các thiết bị thực, nhưng chúng được đưa vào bởi phần mềm. Các VI (thiết bị ảo) tương tự như các hàm trong các ngôn ngữ lập trình khác. 3.1.3 Front Panel Một chương trình chung trong labview gồm 3 phần chính: một là giao diện với người sử dụng (Front Panel), hai là giao diện dạng sơ đồ khối cung cấp mã nguồn (Block Diagram) và biểu tượng kết nối (Icon / Connector). Front Panel là một panel tương tự như pannel của thiết bị thực tế ví dụ các nút bấm, nút bật, các đồ thị và các bộ điều khiển. Từ Front Panel người dùng chạy và quan sát kết quả có thể dùng chuột, bàn phím để đưa dữ liệu vào sau đó cho chương trình chạy và quan sát Front Panel thường gồm các bộ điều khiển (control) và các bộ chỉ thị (Indicator): Control là các đối tượng đặt trên Front Panel để cung cấp dữ liệu cho chương trình. Nó tương tự như đầu vào cung cấp dữ liệu. Indicator là đối tượng được đặt trên Front Panel dùng để hiển thị kết quả, nó tương tự như bộ phận đầu vào của chương trình. 3.1.4 Block Diagram: Block Diagram của một VI là một sơ đồ được xây dựng trên môi trường Labview, nó có thể gồm nhiều đối tượng và các hàm khác nhau để tạo các câu lệnh để chương trình thực hiện. Block Diagram là một mã nguồn đồ họa của một VI. Các đối tượng trên Front Panel được thể hiện bằng các thiết bị đầu cuối trên Block Diagram. Các thiết bị đầu cuối chỉ mất đi sau khi loại bỏ đối tượng tương ứng trên Front Panel Cấu trúc của một Block Diagram gồm các thiết bị đầu cuối (Tẻminal), Nút (Node) và các dây nối (Wire). Terminal: là các cổng mà dữ liệu truyền qua giữa Block Diagram và Front panel, và giữa các Node trong Block Diagram. Các Terminal nằm ở dưới dạng các Icon của các Function. Node: Là các phần tử thực thi chương trình, chúng tương tự như các mệnh đề, toán tư, hàm và các chương trình con trong các ngôn ngữ lập trình thông thường . Wises: Là các dây nối dữ liệu giữa các node 3.2 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH LABVIEW 3.2.1 khởi động chương trình Nhấp vào biểu tượng biểu tượng Labview như hình bên. Ta có được giao diện bên hình (a) dưới. Vào File/New VI để vào môi trường lập trình hình (b) + Front Panel: giao diện với người sử dụng + Block Diagram: Giao diện dạng sơ đồ khối cung cấp mã nguồn 3.2.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình: Việc lập trình trên Labview cần sử dụng các bản: Tools Palette, Controls Panelette, Functions Palette, các bản đó cung cấp các chức năng để người sử dụng có thể tạo và thay đổi trên Front Panel và Block Diagram Tool Panel: Tool Panel xuất hiện trên cả Front Panel và Diagram. Bảng này cho phép người sử dụng có thể xác lập các chế độ làm việc đặc biệt của con trỏ chuột. Khi lựa chọn một công cụ, biểu tương của con trỏ sẽ được thay đổi theo biểu tượng của con trỏ đó. Nếu thiết lập chế độ tự động lựa chọn công cụ và người sử dụng di chuyển con trỏ qua các đối tượng trên Front Panel hoặc Block Diagram, Labview sẽ tựu động lựa chọn công cụ phù hợp trên bảng tool palette. Để truy cập vào Tool Palette ta chọn Menu: Window/Show Tools palette. Các công cụ Tool Palette gồm có: Bảng điều khiển (Controls Palette): Bảng điều khiển chỉ duy nhất xuất hiện trên front Panel. Bảng điều khiển chứa các bộ điều khiển (control) và các bộ hiển thị (Indicator). Bảng điều khiển được minh họa hình sau Bảng điều khiển được sử dụng để thiết kế cấu trúc mặt hiển thị gồm các thiết bị: các công tắc, các loại đèn, các loại màn hình hiển thị… Với bảng điều khiển này, người sử dụng có thể chọn các thiết bị chuẩn do hãng cung cấp. Bảng điều khiển dùng để cung cấp dữ liệu đầu vào và hiển thị kết quả đầu ra. Một số bộ điều khiển và hiển thị trên controls palettte: Boolean Controls/Indicators: Bộ công cụ này cung cấp 2 giá trị là True và False. Khi thực hiện chương trình người sử dụng sử dụng chuột để điều khiển giá trị của thiết bị. Việc thay đổi giá trị của các thiết bị chỉ có tác dụng khi các thiết bị đó được xác lập ở chế độ là các Control. Còn nếu ở chế độ lá các Indicator thì giá trị không thay đổi vì chúng chỉ là các thiết bị hiển thị String Controls/Indicators Các điều khiển này dùng để nhập và hiển thị các ký tự, nó cũng có thể được xác lập ở chế độ đầu vào hay đầu ra. Functions Palette: Bảng Funtions palette chỉ xuất hiện trên Block diagram. Bảng này chứa các VI và các hàm mà người sử dụng xây dụng để xây dụng nên các khối lưu đồ. Bảng Function palette được minh họa trong hình. Với bảng Function palette, người lập trình thực hiện các cú pháp như: Phép lập, phép lựa chọn thông qua các nhóm hàm, chức năng đã được cung cấp bên cạnh đó từ bảng này người sử dụng người sử dụng có thể tạo ra và sử dụng lại các hàm. Các hàm toán học được minh họa thông qua các biểu tượng. Khi muốn lựa chọn thực hiện một hàm nào đó thì người sử dụng chọn biểu tượng thể hiện cho hàm đó và có thể kéo thả ở bất kì vị trí nào trên Block Diagram sau đó xác định những đầu vào và đầu ra cần thiết. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH 4.1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT Thông số chung Cổng kết nối USB (chuẩn giao tiếp RS232) Hỗ trợ hệ điều hành Windows Kiểu đo 6 kênh đo điện áp (ADC) 1 bộ đếm xung từ các loại encoder (đếm lên hoặc xuống tùy theo chiều quay encoder) Điều khiển · 4 kênh xuất tín hiệu số · 2 kênh xuất tín hiệu điều chế xung (PWM) Họ DAQ Đọc tín hiệu Analog Số kênh 6 SE Tốc độ lấy mẫu 142S/s  Độ phân giải 8 bits Trích mẫu đồng thời Không Ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất 0 tới 5 V Độ chính xác 10 mV (Vref=2.56V)  Tín hiệu analog từ các loại cảm biến  Nhiệt độ, áp xuất, lưu lượng vv.  Lĩnh vực ứng dụng đo điện áp  Điều khiển tự động, ô tô, công nghiệp Xuất tín hiệu PWM Số kênh 2 Tốc độ cập nhật 100 S/s Độ phân giải 8 bits Ngưỡng điện áp 0..5 V Tín hiệu điều khiển dòng điện 10 mA (dòng ngắn mạch) Các chân xuất tín hiệu số Số kênh 4 Timing Software Logic Levels TTL Ngưỡng điện áp ra 0..5 V Bộ lọc vào lập trình được No Output Current Flow Sinking, Sourcing Dòng điện (Kênh/Tổng) 10 mA/100 mA Bộ đếm xung Số bộ đếm 1 (đếm lên hoặc đếm xuống) Độ phân giải 16 bits Tần số nguồn xung lớn nhất 250 KHz Độ rộng xung vào nhỏ nhất 2 us Mức logic TTL Ngưỡng cực đại 0..5 V  Ứng dụng  Đo tốc độ động cơ từ Encoder, đo xung, vv. Cho phép thực hiện nhớ tạm Yes Tác động (Triggering) Digital Kích thước card Hocdelam USB RS 6009 Dài 10 cm Rộng 6 cm Cao 2.5 cm Đầu nối vào ra Dễ dàng mở bằng tua vít  Chất liệu vỏ hộp   Nhựa  Nhiệt độ bảo quản   Dưới 65 độ C  Chiều dài cable nối  Lớn hơn 500mm và dài hơn 1000mm 4.2 CÁCH SỬ DỤNG: Chân Kí Hiệu Giá trị Mô tả Giá trị reset input ADC0 -ADC5 Nhận tín hiệu dạng tương tự(analog). Vref sẽ là 5v trên ÚB hoặc 2.55v do set trên máy tính NA input PULSE Đếm xung cạnh lên (0-5v) 0 input DIR 0 5V Set bộ đếm xung PULSE đếm xuống Set bộ đếm xung PULSE đếm lên 5v output PWM0 PWM1 Tạo xung với tần số cố định và hệ số xung thay đổi từ 0-255 tùy số đặt trên máy tính (xung 0-5v và 2 tổng trở 470Ohm) 0 Output SW0-SW2 SW3 Tính hiệu ra dạng số(0 hoặc 5v. Tổng trở 470 Ohm) tùy set trên máy tính Tính hiệu ra dạng số (0 hoặc 5v), sẽ không sẽ không sử dụng ADC0 0 Nguồn GND Mass 0 Nguồn +5v Lấy từ USB 5v ADC0-ADC5: trả về giá trị chuyển đổi các chân ADC tương ứng (0-255). DAC0-DAC1: đặt giá trị ngõ ra chân PWM cho chân DAC tương ứng (0-255). SW0-SW3: đặt giá trị cho 3 ngõ ra số (TRUE-FALSE). PULSE: trả về giá trị số xung đã đếm từ chân PULSE (giá trị từ 0-65635). CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 5.1 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 5.1.1 Yêu cầu thiết kế Tạo được hệ thống điều khiển tốc độ động cơ có hồi tiếp, bao gồm cả phần thiết kế phần cứng và tạo giao diện điều khiển trên máy tính. 5.1.2 Thiết kế Về thiết kế phần cứng: Bao gồm mạch điều khiển và mạch công suất + Mạch điều khiển: Sử dụng card giao + Mạch công suất: sử dụng mach điêu khiển dùng FET và ROLE + Dùng phần mềm Labview để giao tiếp và điều khiển 5.1.3 Động cơ DC sử dụng cho mạch phần cứng Với các thông số kỹ thuật + Type D06D451E + output 42W + Volts 30 + Encoder 200 P/R + Amp’s 2.0 + RPM 2750 5.1.4 Phương pháp điều khiển Điều khiển động cơ DC bằng cách điều biến độ rộng xung Động cơ DC sử dụng trong dân dụng thường chỉ hoạt động ở điện áp 24V trở lại. Một trong những phương pháp để điều khiển mô tơ là sử dụng mạch điều chế độ rộng xung (PWM circuit - Pulse Wide Modulation). Mạch điều khiển mô tơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho mô tơ bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh. Nguồn DC được chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông (chỉ gồm hai mức 0 volt và xấp xỉ điện áp hoạt động). Tín hiệu xung vuông này được cấp cho mô tơ. Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn mô tơ sẽ chạy với một tốc độ đều đặn phụ thuộc vào mô men của trục quay. Với phương pháp PWM, điều chỉnh tốc độ của mô tơ thông qua việc điều chế độ rộng của xung, tức là thời gian "đầy xung" ("on") của chuỗi xung vuông cấp cho mô tơ. Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp cho mô tơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ của mô tơ cần điều khiển. Như trên  hình, với dãy xung điều khiển trên cùng, xung ON có độ rộng nhỏ nên động cơ chạy chậm. Nếu độ rộng xung ON càng lớn (như dãy xung thứ 2 và thứ 3) động cơ DC chạy càng nhanh Ưu điểm: - Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra. - Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính. - Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM.Nhược điểm: - Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao - Các xung kích lên điện áp cao (12 - 24V) có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ.- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ. 5.2 SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG Nguồn 5v cấp cho vi xử lý Nguồn 12v cấp cho khối công suất Nguồn 24v cấp cho động cơ Cách ly nguồn 5v với nguồn 12v, 24v để chống nhiễu 5.2.1 Công dụng từng linh kiện trong mạch: Opto coupler (hay còn gọi là cách ly quang): Là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1 photo diot hay 1 photo transistor. Khi có dòng nhỏ đi qua 2 đầu của led trong opto làm cho led phát sáng Được sử dụng để cách ly áp giữa hai khối vi xử lý và khối công suất nhằm bảo vệ khối vi xử lý,đồng thời tránh nhiễu cho động cơ. Vì đôi khi động cơ chạy quá dòng thì dòng trả về lớn làm chết linh kiện ở mạch công suất, nếu không có cách ly quang thì dòng điện lớn sẽ theo đường mạch đến tiêu diệt vi điều khiển và toàn bộ những linh kiện khác .Ngõ ra của Opto (chân 3 và 4) được dẫn khi ngõ vào (chân 1) ở mức 1 (tương đương điện áp 5V). Relay (18FF-12v): Dùng đảo chiều quay động cơ. Dòng đóng ngắt là 12v-75mA để đảo chiều là phù hợp. Do điện trở cuộn dây relay là 160Ω điện áp đóng ngắt relay là 12v và dòng tối thiểu để đóng ngắt relay là 75mA. Vì vậy dòng điều khiển phải được khuếch đại trước khi tới điều khiển relay để đảm bảo dòng kích relay trong trường hợp có thể dùng transistor hoặc 1 con IC…. Tôi đã sử dụng IC ULN2803 để sử dụng chức năng đó. MOSFET IRF540: Mạch công suất sử dụng transistor hiệu ứng trường MOSFET IRF540 có khả năng cung cấp dòng lớn lên đến 5A, điều khiển bằng áp trên ngõ vào G. Mạch kích được lựa chọn là đẩy kéo(PUSH PULL) cho đáp ứng xung tốt. ULN2803 gồm 8 BJT ghép darlington có sẵn các điện trở và diode bảo vệ, cung cấp dòng 500mA, điện áp làm việc lên đến 50V. Ở điều kiện làm việc bình thường của ULN2803: IC =100mA, IB=250μA, VCE=2V. Giá trị của điện trở công suất trên tải ra của mạch đẩy kéo. Công suất tiêu thụ trên điện trở . Chọn điện trở R = 330 Ω , P =1 đến 2 W. IC ULN2803: Dùng để khuếch đại dòng Điện trở phân áp cho led được tính như sau: Chọn dòng làm việc của led là 10mA VR = Chọn giá trị R 330Ω 5.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch Ở trạng thái ngưng dẫn, khi vi điều khiển xuất ra mức 1 kích vào chân DK_PWM, ngõ ra của opto1 không được kích dẫn, dẫn đến tại ngõ vào ULN 2803(chân 1) được phân cực, nên nó được kích dẫn. ULN 2803 dẫn tạo ra sự sụt áp ở ngõ ra PWM, điện áp tại chân này là mức 0. Điều này kéo theo làm cho Transitor D468 ngưng dẫn,do đó mức logic điện áp tại cực G của FET là 0. FET không được phân cực nên động cơ ngừng hoạt động. Điện áp tại chân PWM không hoàn toàn ở 0V do đó diot D9 là 1N4007 được mắc nhằm ngăn không cho D468 dẫn. Trong trường hợp ngược lại, ngõ ra của vi điều khiển ở mức 0 được kích vào chân DK_PWM, ngõ ra của opto1 được dẫn. Điện áp tại chân C_PWM là 0v, dẫn đến ngõ ra tại chân PWM có áp là 12v sẽ qua diode đến cực B của tranzitor nghịch D468 làm D468 thông khi đó sẽ có 1 dòng đi từ C xuống E.tranzitor thuận B562 lúc này sẽ tắt tức là k có dòng đi từ E xuống C.Vì vậy điện áp 12V đi đến mosfet IRF540 làm mosfet này thông.Điện áp 24V sẽ qua động cơ DC và xuống mass.-> động cơ chạy Khi opto2 được kích dẫn, tại chân C_ROLE có áp 12v dẫn đến ULN 2803 dẫn, sẽ có dòng lớn từ chân ROLE xuống mass . Điều này nhằm đáp ứng đủ dòng cho Relay có thể hút. Diode D5 1N4007 có tác dụng dập dòng ngược. Khi đóng mở Relay, cuộn hút của relay tạo ra một điện áp ngược và có dạng xung nhọn, đưa ngược về trasistor Q2, có thế gây hỏng Q2 (hỏng khóa). Do vậy, tác dụng của diode là bảo vệ khóa. Nó sẽ đưa xung nhọn này về nguồn 5.3 GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH 5.3.1 Front Panel và Block diagram của chương trình Xây dựng một VI dùng để điều khiển tốc độ động cơ theo PID Front Panel Block Diagram: 5.3.2 Các khối lập trình thông dụng Các khối cơ bản thường được sử dụng: Các kí hiệu trong toán học: Functions/Express/Arithmetic & Comparsion/Numeric Các toán tử so sánh: Functions/Express/Arithmetic & Comparsion/Numeric Khối PID: control design & Simulation / PID Khối biểu diễn đồ thị: Controls /Grap Indicators Các hàm: Functions/ Programming/Structures Các biến: Controls/Numeric controls Định dạng kiểu dữ liệu cho các biến: Nhấp phải chuột vào biến numeric control/Representation/chọn kiểu dữ liệu 5.4 CODE ĐIỀU KHIỂN DỰA VÀO GIẢI THUẬT Dựa vào card giao tiếp và mạch công suất để điều khiển động cơ đã được trình bày ở các phần trên, ta thiết kế được code (Block Diagram) như hình bên trên 5.4.1 Yêu cầu đặt ra a. Tạo được nút nhấn điều khiển cơ bản để điều khiển động cơ: quay/dừng, quay thuận/nghịch b. Dùng các hàm và công thức toán học để tìm được vận tốc của động cơ dựa trên xung vào của encoder và chu kỳ lấy mẫu. c. Để xác lập được tốc độ của động cơ như mong muốn, dựa vào vận tốc thực và vận tốc đặt của động cơ qua khâu hiệu chỉnh PID để cho ra được độ rộng xung như mong muốn 5.4.2 Giải quyết từng vấn đề 5.4.2.1 Tạo các nút nhấn (button) QUAY/DUNG: Giá trị mặc định là TRUE + TRUE: Giá trị 0 sẽ nạp vào DAC1, tương ứng AVR sẽ xuất ra mức điện áp 0v ở chân tạo xung PWM1 + FALSE (khi nhấn nút): Giá trị 255 sẽ nạp vào DAC1, tương ứng AVR sẽ xuất ra mức điện áp 5v ở chân tạo xung PWM2. Chân PWM1 của AVR sẽ xuất xung 0v…5v tương ứng giá trị nạo vào DAC1 từ 0….255 Lưu ý: Trong code ta lấy giá trị tuyệt đối ngõ xung ra sau khi trừ giá trị 255, mục đích để phù hợp với mạch công suất (vi điều khiển xuất xung PWM ở mức 0v cho đến 5v tương ứng động cơ quay ở tốc độ cực đại cho đến ngừng quay) CHIEU QUAY: + TRUE: Chân SW1 của AVR ở mức 1( động cơ sẽ quay thuận) + FALSE: Chân SW1 của AVR ở mức 0 (động cơ sẽ quay nghịch) 5.4.2.2 Tính vân tốc ngõ vào: Ta chọn tần số lấy mẫu hay thời gian lặp lại của vòng lập while loop là 20ms XUNG SAU XUNG SAU Trường hợp động cơ quay thuận: Tương ứng hàm Select Case trong code ở trường hợp true (nút QUAY/DUNG: false; CHIEU QUAY: true), số xung vi xử lý đếm được tăng lên 65536 (16 bit) + Xung đếm vào chưa bị tràn Ta có + Xung đếm vào bị tràn:(xungsau nhỏ hơn xungtrước) ( XUNG TRƯỚC XUNG SAU Trường hợp động cơ quay nghịch: Tương ứng hàm Select Case trong code ở trường hợp false ( nút QUAY/DUNG: false , CHIEU QUAY: false) , số xung vi xử lý đếm xuống (65536 đến 0) + Xung đếm vào chưa bị tràn: Ta có + Xung đếm vào bị tràn:(xungsau lớn hơn xungtrước) ( 5.4.2.3 Qua khâu hiệu chỉnh PID Các thông số phải được đưa vào + Setpoint: Vận tốc đặt + process variable: vận tốc thực + Setpoint range: Giới hạn vận tốc đặt max và min + PID gains: Dùng điều chỉnh 3 thông số P, I, D + dt(s): thời gian lấy mẫu + output range: Giới hạn trên và dưới của ngõ ra + output: ngõ ra áp dung thực tế: 5.4.2.4 Khối truyền và nhận dữ liệu Chức năng và cách sử dụng khối này xem lại trong phần giới thiệu card giao tiếp đã được trình bày ở phần trên 5.5 Giao diện điều khiển trên máy tính Giao diện điều khiển được thiết kế khá trực quan với người sử dụng hệ thống, đạt các tiêu chuẩn về độ chính xác, tính thẩm mỹ và dễ tiếp cận. Giao diện chính(Front Panel) Code(Block Diagram) 5.6 Kết quả đạt được KẾT LUẬN Hệ thống thiết kế dùng bộ hiệu chỉnh PID cho phép điều khiển được nhiều vị trí đặt …Tuy nhiên so với lý thuyết và chây mô phỏng Simulink thì chất lươngj của hệ thống còn nhiều hạn chế về sai số xác lập Ảnh hưởng của các thông số PID đến hệ thống như sau: Kd không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống, sự chênh lệch giữa Ki thiết kế và mô phỏng khá lớn, Ki tăng làm tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập, nếu tăng Ki lớn hơn giá trị tối ưu thì hệ thống mất ổn định. Tác động của Kp có thể nâng cao chat lượng đáp ứng nếu chọn được một giá trị thích hợp PHỤ LỤC Mã lập trình của Labview ở dạng đồ họa, do đó code được viết cho chương trình cũng có thể xen đó là sơ đồ giải thuật để viết nên chương trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý thuyết điều khiển tự động (Nguyễn Thị Phương Hà-Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh PHY-Microprocessor Interfacing Techniques Labview (James R.Drummond) Introduction to control system tech nology(Roert N.Bateson) Website ;