Đang tải... (xem toàn văn)
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệpCấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từthường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay.Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động cơ sau:Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt.Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng:Đối với loaj động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây kích từ bởi nam châm vỉnh cữu, khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng nam châm vĩnh cữu.
Vũ Việt Thành PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động cơ DC: Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động cơ sau: - Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt. - Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng: 1 Vũ Việt Thành Đối với loaj động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây kích từ bởi nam châm vỉnh cữu, khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng nam châm vĩnh cữu. Đây là loại động cơ được sử dụng trong đồ án này. 1.2 Mô hình hóa động cơ DC: Mô hình tương đương của phần ứng động cơ như sau: A - + 12 R a L a E g U a I a g a aaaa e dt di LiRu ++= (1.1) nke vg Φ= (1.2) Trong đó Φ là từ thông do nam châm vĩnh cữu gây ra. n là tốc độ động cơ. Momen điện từ: T d = K t Φi a (1.3) Phương trình của động cơ: Ld TB dt d JT ++= ω ω (1.4) B: hệ số ma sát T: monen tải. 2 Vũ Việt Thành Ở chế độ xác lập: gaaa eiRu += (1.5) atLd iKTnBT Φ=+= π 2 (1.6) Ta có được tốc độ động cơ ở chế độ xác lập: Φ − = v aaa K RIU n (1.7) 1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: Đối với loại động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cữu, để thay đổi tốc độ, ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp 1 chiều thay đổi thường khó khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM): Hình 1.1: PWM Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm vụ (Duty cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ. Điện áp trung bình: in on dk V T T V = 3 Vũ Việt Thành Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục, gợn sóng như sau: Hình 1.2: Dạng sóng dòng và áp trên động cơ. 1.4 Khảo sát hàm truyền: 1.4.1 Hàm truyền lý tưởng: Biến đổi Laplace các công thức từ (1.1) – (1.4 ) ta được: )()()()( aEpIpLpIRpU gaaaaa ++= (1.9) )()( pnkpE vg Φ= (1.10) T d (p) = K t ΦI a (p) (1.11) 4 U dk t Ia t Vũ Việt Thành )()(2)(2)( pTpBnppJnpT Ld ++= ππ (1.12) Từ 1.12 tính được: )1(2 )()( )( + − = m Ld pB pTpT pn τπ (1.13) )1( )()( )( + − = pR pEpU pI aa aa a τ (1.14) Trong đó: a τ =L a /R a Hằng số thời gian của mạch phần ứng m τ =J/B Hằng số thời gian cơ. Vậy ta có mô hình hệ thống như sau: Hình 1.3: Mô hình động cơ điện DC Khi momen tải bằng 0, ta có: Φ+++ Φ = vma t a a Kpp K BR pUpn )1)(1( 2 1 )()( ττ π Vậy hàm truyền của động cơ lúc này có dạng khâu dao động. 1.4.2 Hàm truyền gần đúng tìm được bằng thực nghiệm: Để tìm hàm truyền bằng thực nghiệm ta tìm đáp ứng xung của động cơ. Ta đặt áp bằng áp định mức vào động cơ và vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian. Vì thời gian lấy mẫu vận tốc nhỏ do đó ta không thấy được các điểm uốn 5 I a (p) Φ v k )1( 1 + pR aa τ Φ t k )1(2 1 + pB m τπ U a (p) E g (p ) T d (p) T L (p) n(p) Vũ Việt Thành của đồ thị, do đó ở đây ta xấp xỉ hàm truyền động cơ là khâu quán tính bậc 1 có dạng như sau. 1+ = Tp k G Đáp ứng xung của động cơ: n(p)= pTp kU )1( + Biến đổi Laplace ngược ta được: n=kU(1-e -t/T ) Khi t = T, n = kU(1-e -1 )=0.63kU=0.63n max Vậy trên đồ thị ta xác định điểm tại đó n=0.63n max sau đó tìm được T Dựa vào đồ thị tìm được bằng thực nghiệm ta tìm được các thông số kU và T kU = 150 vòng/s T = 30ms=0.03s Vậy hàm truyền gần đúng: 6 Vũ Việt Thành 103.0 5.37 103.0 24/150 1 + = + = + = ppTp k G 1.5 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng PID: 1.5.1 Thuật toán PID: τ τ ττ d de KdeKKG dip )( )( ++= ∫ Trong đó: - K p : Hệ số khâu tỉ lệ (khâu khuếch đại) - K i : Hệ số tích phân - K d : hệ số vi phân Luật điều khiển PID: 7 Vũ Việt Thành Dựa vào bảng trên ta thấy rằng luật tỉ lệ (P) có đặc điểm tác động nhanh nhưng không triệt tiêu được sai lệch, đồng thời làm vọt lố của hệ thống tăng. Khâu tích phân cho phép triệt tiêu sai lệch nhưng tác động chậm. Khâu vi phân phản ứng với tốc độ biến thiên của sai lệch. Ta cần xác định các thông số K p , K i , K d để được hệ thống có chất lượng mong muốn. Thuật toán của bộ điều khiển PID số: Khâu tỉ lệ P (Proportional): G P (z) = K P Khâu tích phân I (Integrate): 1 1 1 )( − − = z TKzG II với ∫ ∑ = = kT k n nTTedtte 0 0 )()( Trong đó T là chu kì lấy mẫu vận tốc. Công thức tích phân gần đúng theo thuật toán xấp xỉ hình chữ nhật tới. Khâu vi phân D (Derivative): )1( 1 )( 1− −= − = zK Tz z KzG dDD với thành phần vi phân xấp xỉ bởi: T TnenTe dt tde ))1(()()( −− = Vậy ta được hàm truyền khâu PID rời rạc: )1( 1 1 )( )( 1 1 − − −+ − +== zK z KK zE zU G dip dk U dk (z)(1-z -1 ) = E(z)(K p (1-z -1 ) + K i + K d (1-z -1 ) 2 Suy ra: u k – u k-1 = K p (e k – e k-1 ) + K i e k + K d (e k – 2e k-1 – e k-2 ) 1.5.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols: 8 Vũ Việt Thành Thông thường việc chọn các thông số P, I, D được xác định bằng thực nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống. Ziegler – Nichols đưa ra phương pháp chọn tham số PID cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. Ở đây ta xấp xỉ hàm truyền của động cơ để dùng phương pháp này, tuy không hoàn toàn chính xác nhưng có thể cho đáp ứng tương đối tốt. Phương pháp này đỏi hỏi phải tính được giá trị giới hạn của của khâu tỉ lệ K gh và chu kì giới hạn của hệ kín T gh . Sau đó tìm các thông số khác theo bảng sau: Để tìm được K gh và T gh , ban đầu ta chỉnh K i , K d bằng 0 sau đó tăng từ từ K p để hệ thống ở biên giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi), tại đây ta xác định được K gh và T gh sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ điều khiển như bảng trên. Ki = Kp/Ti Kd = KxTd Để thuận tiện trong quá trình điều chỉnh và quan sát đáp ứng của động cơ, trong đồ án này chúng tôi đã xây dựng chương trình viết bằng VB trên máy tính để giao tiếp với mạch điều khiển. Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PSoC IC CỦA HÃNG CYPRESS 9 Vũ Việt Thành 2.1. Giới thiệu: Trong chương này sẽ giới thiệu chi tiết chip PSoC của hãng CYPRESS gồm các nội dung như sau: • Trình bày kiến trúc bên trong chip PSoC: Tổng quan về tài nguyên chip, chi tiết kiến trúc bên trong của một chip PSoC. • Giới thiệu phần mềm thết kế PSoC Designer dành cho chip PSoC của hãng CYPRESS, phương pháp lập trình phần cứng (Device Editor) và lập trình ứng dụng (Application Editor). Đồng thời giới thiệu tất cả các module (embedded cores) trong thư viện API mà hãng này hỗ trợ. 2.2. Giới thiệu IC khả trình PSoC của hãng CYPRESS 2.2.1 Khái niệm PSoC PSoC hay PSoC Mixed-Signal Arrays là từ viết tắt của Programmable system-on-chips. PSoC là chip mà có thể tích hợp cả vi điều khiển các thành phần tương tự và thành phần số xung quanh vi điều khiển nhúng vào một hệ thống. Một chip đơn PSoC có thể tích hợp lên đến 100 chức năng ngoại vi với 1 vi điều khiển, làm giảm thời gian thiết kế, không gian board, năng lượng tiêu hao và giảm 5% giá thành sản phẩm ít nhất 10$ cho mỗi hệ thống. 2.2.2 Tổng quan về tài nguyên chip PSoC PSoC khác với các vi điều khiển 8 bit thông thường là có các khối số và các khối tương tự có thể lập trình được cho phép thực hiện nhiều giao tiếp ngoại vi. Khối số gồm có nhiều khối khả trình nhỏ có thể được cấu hình cho các ứng dụng khác nhau. Khối tương tự được sử dụng cho các công cụ Analog như 10 [...]... bên cạnh tên của nó người sử dụng phải biêt tên bank Để truy cập được bank bằng cách sử dụng macros M8C_SetBank0 and M8C_SetBank1, với việc xóa hoặc set bit XIO trong thanh ghi CPU_F 2.3 Giới thiệu phần mềm PSoC Designer của hãng CYPRESS 2.3.1 Tổng quan về PSoC Designer PSoC Designer là phần mềm do hãng CYPRESS cung cấp miễn phí để lập trình cho PSoC Nhìn chung PSoC Designer được chia là 2 phần: Device... Đặc điểm tần số hoạt động Bộ phát tần số là sự sống của CPU và các khối khả trình Mỗi thành phần khả trình đòi hỏi một tốc độ hoạt động khác nhau PSoC có 1 hệ thống phát ra các tấn số khác nhau 16 Vũ Việt Thành Hình 2.5 Bộ tạo tần số SYSCLK là bộ tạo dao động nhip clock nội với tốc độ 24MHz, được sử dụng như là 1 nguồn clock chuẩn cho hầu hết cá tín hiệu Từ đó có thể lựa chọn các tần số mong muốn... không đảo, bộ phát chuỗi serial giả và bộ phát mã CRC cũng như bộ mã hóa MAC (Multiply13 Vũ Việt Thành accumulate) cần thiết cho phần xử lí tín hiệu số, với sử cho phép xử lí đầy đủ các thuật toán xử lí tín hiệu số Một điều đáng quan tâm là bộ nhân bằng phần cứng này là 32 bit chứ không phải 8 bit như vi điều khiển Điện áp làm việc có thể thay đổi và đặc biệt loại trừ khả năng phải thiết kế lại mạch... CPU_CLK được sử dụng cho CPU CPU_CLK có thể có một số của 8 tần số trong giới han từ 93.75MHz đến 24MHz CLK32K là tín hiệu chậm với tần số 32kHz Tín hiệu SYSCLK có thể được yêu cầu sử dụng bộ dao động nội IMO (internal main oscillator), trong khi tín hiệu CLK32K có được thông qua ILO (internal local oscillator) PSoC cung cấp bộ dao động nội với độ chính xác 2.5% và có thể mở rộng bộ dao động thạch anh... PSoC Nhìn chung PSoC Designer được chia là 2 phần: Device Editor : để xây dựng kiến trúc phần cứng cho PSoC Application Editor: viết các chương trình ứng dụng 30 Vũ Việt Thành Ngoài ra còn ra còn có phần debugger để dịch ra file Hex, và PSoC Programmer là chương trình nạp vào chip PSoC sử dụng mạch nạp của hãng CYPRESS Để lựa chọn cửa sổ làm việc click chuột vào các nút có biếu trượng trên hình: Interconnect... Cần khả năng thích nghi và linh hoạt hơn PSoC ASIC Standard Product Cần mức tích hợp cao hơn và ít thành phần hơn (lower BOM) Cần sự tích hợp cao và linh hoạt hơn PSoC đáp ứng tất cả các yêu cầu trên Hình 2.1 Vị trí của PSoC Một số điểm nổi bật của PSoC là: • Khối MAC, bộ nhân 8x8 hardware 32 bit • Điện áp hoạt động có thể thay đổi 3.3V hoặc 5V • Khả năng hoạt động với điện áp cung cấp thấp hơn yêu cầu... chọn tần số hoạt động cho chip Hình 2.2 Tổng quan kiến trúc PSoC Những tài nguyên hỗ trợ người dùng xây dựng kiến trúc PSoC: • 32 KBytes ROM (FLASH) cho việc lập trình với 50000 lần xóa ghi • Hỗ trợ lên đến 2KByte SRAM, bộ nhớ động EEPROM • Bộ chuyển đổi AD với độ phân giải tối đa lên đến 14 bits • Bộ chuyển đổi DA với độ phân giải tối đa 9bits 12 Vũ Việt Thành • Bộ khuếch đại điện áp khả trình • Bộ lọc... áp tham chiếu • Switch Mode Pump Hình 2.19 Mode Pump Trong mode Pump nguồn cung cấp lấy từ Pin, hoạt động trên nguyên tắc của chuyển đổi BOOSTDC /DC BOOSTDC /DC tạo ra điện áp cao hơn 1.5V làm nguồn nuôi cho PSoC • Khối MAC 26 Vũ Việt Thành MAC là 1 khối thiết bị phần cứng dùng tính toán như nhân các số 8 bit cũng như phép cộng Việc thực hiện rất đơn giản, việc chúng ta làm là đọc và ghi các giá trị... giám sát) Supervisory ROM là 1 phần của ROM, được sử dụng để đo, kiểm tra các thành phần Với kiến trúc đặc biệt SSC có thể truy cập như 1 phần bộ nhớ RAM có thể lưu trữ các biến số và stack mà được sử dụng trong quá trình làm việc của PSoC Với các họ PSoC CY8C29xx có nhiều hơn 256 byte RAM được quản lí trong các page với stack được lưu ở trang cuối cùng Thanh ghi PSoC có 512 thanh ghi trong 2 bank...Vũ Việt Thành bộ lọc, bộ so sánh tín hiệu tương tự, các bộ khuyếch đại đảo, không đảo như AD, DA Có một số họ PSoC khác nhau mà ta có thể lựa chọn xây dựng cho phù hợp với yêu cầu dự án Điểm khác nhau giữa cá họ PSoC là số lượng các khối khả trình cho phép nhúng vào chip và số chân I/O Mỗi chip PSoC có từ 4-16 khối số và 3-12 khối tương tự khả trình phụ thuộc vào . trúc bên trong của một chip PSoC. • Giới thiệu phần mềm thết kế PSoC Designer dành cho chip PSoC của hãng CYPRESS, phương pháp lập trình phần cứng (Device Editor) và lập trình ứng dụng (Application. Thành PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu động cơ DC: Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng. chiều dùng nam châm vĩnh cữu. Đây là loại động cơ được sử dụng trong đồ án này. 1.2 Mô hình hóa động cơ DC: Mô hình tương đương của phần ứng động cơ như sau: A - + 12 R a L a E g U a I a g a aaaa e dt di LiRu