›
›

Đồ án Thiết kế bộ điều khiển hiện đại ứng dụng trong công nghiệp

pdf 71 trang huongle 1810
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế bộ điều khiển hiện đại ứng dụng trong công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_thiet_ke_bo_dieu_khien_hien_dai_ung_dung_trong_cong_ng.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế bộ điều khiển hiện đại ứng dụng trong công nghiệp

  1. LỜI MỞ ĐẦU Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây truyền, thiết bị hiện đại đã và đang thâm nhập vào nƣớc ta, những công nghệ mới, những dây truyền sản xuất, thiết bị hiện đại đã góp phần tích cực thúc đẩy sự công nghiệp hoá đất nƣớc. Các máy móc, dây truyền thiết bị trong mọi lĩnh vực đa phần hoạt động nhờ điện năng thông qua các thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng, nhiệt năng Việc điều các quá trình chuyển đổi này trong các may với mục đích khác nhau cũng ngày càng đa dạng phức tạp.Trong đó, ngành Điện đóng vai rất quan trọng .Ngày nay do ứng dụng tiến bộ khoa học kĩ thuật, điện tử, cơ khí chính xác, công nghệ sản xuất các thiêt bị điện tử ngày càng hoàn thiện. Nên việc phát triển tự động hoá có những bƣớc tiến vƣợt bậc. Tự động hoá đƣợc áp dụng cho từng may từng bộ phận sản xuất, rồi tiến tới áp dụng cho toàn bộ quá trình sản xuất nhƣ hiện nay. Việc áp dụng tự động hoá vào ngành sản xuất giúp chúng ta có thể tạo ra một khối lƣợng sản phẩm lớn đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật đề ra: Độ chính xác cao, chất lƣợng kĩ thuật tốt, giảm chi phí sản xuất, giảm các loại tổn hao đầu vào đầu vào, vốn đầu tƣ Trên cơ sở đó nâng cao sức cạnh tranh của sản xuất. Đƣợc sự cho phép và hƣớng dẫn tận tình của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn trƣởng bộ môn Điện tự công nghiệp trƣờng ĐH Dân lập Hải Phòng, ThS Nguyễn Trọng Thắng chủ nhiêm đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển hiện đại ứng dụng trong công nghiệp ” và các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tự động công nghiệp em đã bắt tay vào nghiên cứu và thực hiện đề tài “ Thiết kế hệ truyền đông điện một - 1 -
  2. chiều điều chỉnh tốc độ động cơ ứng dụng bộ điều khiển vạn năng ” do GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn hƣớng dẫn chính. Đề tài gồm những nội dung chính sau: Chƣơng 1: Tổng quan về đong cơ điện một chiều. Chƣơng 2: Các phƣơng pháp điều chỉnh động cơ điện một chiều. Chƣơng 3: Các hệ truyền động điện một chiều tiêu biểu. Chƣơng 4: Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển hiện đại. Chƣơng 5: Thiết kế hệ truyền động điện một chiều điều chỉnh tốc đọ động cơ điện một chiều ,kích từ song song. - 2 -
  3. Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG. 1.1.1. Khái niệm. Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng. Ở động cơ một chiều từ trƣờng là từ trƣờng không đổi. Để tạo ra từ trƣờng không đổi ngƣời ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện đƣợc cung cấp dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều đƣợc phân loại theo kích từ thành những loại sau: Kích từ độc lập Kích từ song song Kích từ nối tiếp Kích từ hỗn hợp Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW. Hiện tƣợng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều. Cấp điện áp của máy một chiều thƣờng là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V. Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V. 1.1.2. Ƣu điểm của động cơ điện một chiều. Do tính ƣu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng đƣợc sử - 3 -
  4. dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định nhƣ trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (nhƣ trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhƣng do những ƣu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ƣu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ƣu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu nhƣ bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng đƣợc hoặc nếu đáp ứng đ- ƣợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nhƣ bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lƣợng cao. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% 85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% 94% .Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000v. Hƣớng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một chiều kích từ độc lập. Phƣơng pháp đƣợc chọn là bộ băm xung đây có thể chƣa là phƣơng pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất nhƣng nó đƣợc sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm mà ta sẽ phân tích và đề cập sau này. - 4 -
  5. 1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. Giống nhƣ những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) và phần quay (rô to). Về chức năng máy điện một chiều cũng đƣợc chia thành phần cảm (kích từ ) và phần ứng (phần biến đổi năng lƣợng). Khác với máy điện đồng bộ ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rôto.Trên hình 1.2 biểu diễn cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm các bộ phận chính. Hình 1.2 Kích thƣớc dọ, ngang máy điện một chiều.1-Thép, 2-cực chính với cuộn kích từ, 3-cực phụ với cuộn dây,4-Hộp ổ bi,5-Lõi thép, 6-cuộn phần ứng, 7-Thiết bị chổi,8-Cổ góp, 9-Trục, 10-Nắp hộp đấu dây Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy. Stato gồm các chi tiết sau: 1 2 2 b) a) 3 3 4 Hình 1.2.1 Cấu tạo các cực của máy điện một chiều a)Cực chính, b)Cực phụ - 5 -
  6. A. Cực chính Trên hình 1.2.1a biểu diễn một cực chính gồm: Lõi cực 2 đƣợc làm bằng các lá thép điện kỹ thuật ghép lại, mặt cực 4 có nhiệm vụ làm cho từ thông dễ đi qua khe khí. Cuộn dây kích từ 3 đặt trên lõi cực cách điện với thân cực bằng một khuôn cuộn dây cách điện. Cuộn dây kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn, cuộn dây đƣợc tẩm sơn cách điện nhằm chống thấm nƣớc và tăng độ dẫn nhiệt. Để tản nhiệt tốt cuộn dây đƣợc tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnh làm mát. B. Cực phụ (hình 1.2.1b) Cực phụ nằm giữa các cực chính , thông thƣờng số cực phụ bằng ½ số cực chính số cực chính. Lõi thép cực phụ (2) thƣờng là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi thì lõi thép cực phụ cũng đƣợc ghép bằng các lá thép. cuộn dây 3 đặt trên lõi thép 2. Khe khí ở cực phụ lớn hơn khe khí ở cực chính. C. Thân máy Thân máy làm bằng gang hoặc thép, cực chính và cực phụ đƣợc gắn vào thân máy. Tuỳ thuộc vào công suất của máy mà thân máy có chứa hộp ổ bi hoặc không. Máy có công suất lớn thì hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy. Thân máy đƣợc gắn với chân máy. Ở vỏ máy có gắn bảng định mức với các thông số sau đây: Công suất định mức Pđm Tốc độ định mức nđm Điện áp định mức Uđm Dòng điện định mức Iđm Dòng kích từ định mức Iktđm Hiệu suất động cơ η - 6 -
  7. D. Rôto Rô to của máy điện một chiều là phần ứng. Ngày nay ngƣời ta dùng chủ yếu là loại rôto hình trống có răng đƣợc ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật. Ở những máy công suất lớn ngƣời ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các lá thép đƣợc ghép lại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát). E. Cổ góp Cuộn dây rôto là cuộn dây khép kín, mỗi cạnh của nó đƣợc nối với phiến góp. Các phiến góp đƣợc ghép cách điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp. Phiến góp đƣợc làm bằng đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống mài mòn (hình 1.2.2). 1 6 2 3 3 2 4 Hình 1.2.2.Kích thƣớc ngang của cổ góp 5 1-Phiến góp,2-Ép vỏ ,3-cách điện, 4- phiến cách điện,5-ống cổ góp,6-chổi F. Thiết bị chổi Để đƣa dòng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than đƣợc làm bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài - 7 -
  8. mòn, bộ giữ chổi đƣợc làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ khác. a) Hình 1.2.3 Thiết bị chổi. a) Thanh giữ chổi, b)thiết bị giữ chổi.1.Ốc b) vít,2-Dây dẫn,3-Cách điện,4-Giữ chổi, 5- Chổi, 6-Lò so,7-Đòn gánh,8-Dây dẫn điện ra,9-Ốc giữ chổi. 1.3. PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ Khi đƣa một máy điện một chiều đã kích từ vào lƣới điện hình 14.1 thì trong cuộn phần ứng sẽ chạy 1 dòng điện, dòng điện này sẽ tác động với từ trƣờng sinh ra lực, chiều của nó xác định bằng quy tắc bàn tay trái, và tạo ra mômen điện từ làm cho rôto quay với tốc độ n. Trong cuộn dây sẽ xuất hiện sđđ cảm ứng Eƣ = Ce n, ở chế độ quá độ (khi n và dòng Iƣ thay đổi) ta có phƣơng trình sau: U n N Hƣớng dòng điện + Hƣớng sđđ S Hình 14.1 Giải thích nguyên lý động cơ điện một chiều - 8 -
  9. di• U ( e• ) ( La ) i• Rt dt Hoặc: di U e L • i R • a dt • t Ở chế độ ổn định (n = const, Iƣ = const) ta có: U = Eư + Iư Rt 1.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.4.1. Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song . Đặc tính cơ là mối quan hệ hàm giữa tốc độ và mômen điện từ n = f(M) khi Ikt = const. n U n0 n R M p Mđ a) b) m Hình 1.4.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song: a)Sơ đồ, b)Đặc tính cơ Dòng kích từ đƣợc xác định bằng: U kt I kt ; và = K1.ikt Rkt U I R n • t Ce Ce Rút Iƣ thay vào ta đƣợc: - 9 -
  10. U MRt n 2 Ce CeCm Do Ikt = const nên = const ta đƣợc phƣơng trình: n = n0 – BM. U Rt Trong đó: n0 gọi là tốc độ không tải, còn B 2 Ce CeCm Về mặt toán học đây là 1 đƣờng thẳng (hình 1.4.1b), song trong máy điện chi phối tính chất của máy còn do các hiện tƣợng vật lý. Thật vậy, khi tải tăng do phản ứng phần ứng làm cho từ thông chính của máy giảm đi đặc tính cơ hơi biến dạng. Nếu động cơ có điện trở điều chỉnh ở mạch phẩn ứng thì giá trị của hằng số nhƣ sau: 2 B = (Rt + Rđc)/CeCm . 1.4.2. Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp. Đó là mối quan hệ n = f(M) với U = Uđm, Rđc = const. Sơ đồ động cơ kích từ nói tiếp biểu diễn trên hình 1.4.2 n U n’ M Rđc nđm I I 0 0,25Iđ Iđm 0 m a) b c) Hình 1.4.2 Động cơ điện một chiều) kích từ nối tiếp: a)Sơ đồ, b)Đặc tính cơ Từ công thức (1.4.2) ta có: - 10 -
  11. U I • (Rt Rdc ) U M (Rt Rdc ) n = 2 Ce Ce CeCm Trong máy kích từ nối tiếp Ikt = Iƣ. Ta xét 2 trƣờng hợp: a. Khi 0 Iđm, máy bão hoà, đặc tính cơ không trùng với đƣờng hypebol nữa (đƣờng nét đứt ở hình 1.4.2b). Sự thay đổi tốc độ bình thƣờng đối với động cơ nối tiếp xác định theo biểu thức: n' ndm nđm= 100% ndm Trong đó n’-tốc độ quay của động cơ khi tải thay đổi từ định mức tới 25% Qua phân tích trên đây ta thấy đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp không có tốc độ không tải. Khi tải giảm quá mức, tốc độ động cơ tăng đột ngột vì vậy không đƣợc để động cơ mắc nối tiếp làm việc không tải, trong thực tế không đƣợc cho động cơ nối tiếp chạy bằng dây cu-roa. - 11 -
  12. 1.4.3. Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp n U n 4 n W 0 1 n0 3 1 2 0 0 M W Iđm I 2 a) c) b Hình 1.4.3 Động cơ điện một chiều) kích từ hỗn hợp: a)Sơ đồ, b,c) Đặc tính cơ Động cơ gồm 2 cuộn kích từ: cuộn nối tiếp và cuộn song song. Đặc tính cơ của động cơ này giống nhƣ đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp hoặc song song phục thuộc vào cuộn kích từ nào giữ vai trò quyết định. Ở động cơ nối thuận, stđ của 2 cuộn dây cùng chiều nhƣng giữ vai trò chủ yếu là cuộn song song. So sánh đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp với nối tiếp ta thấy ở động cơ kích từ hỗn hợp có tốc độ không tải (kho không tải từ thông nối tiếp bằng không nhƣng từ thông kích từ song song khác khác không nên có tốc độ không tải) khi dòng tải tăng lên, từ thông cuộn nối tiếp tác động, đặc tính cơ mang tính chất động cơ nối tiếp Trên hình 14.4b biểu diễn đặc tính n=f(I) của động cơ kích từ song song (đƣờng 1), của động cơ kích từ nối tiếp (đƣờng 2), của động cơ kích từ hỗn hợp nối thuận (đƣờng 3) và đặc tính của động cơ kích từ nối tiếp nối ngƣợc (đƣờng 4) để chúng ta dễ so sánh. Còn hình 14.4c là đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp. - 12 -
  13. Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU & MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là rất quan trọng vì nó giúp ta lựa phƣơng pháp phù hợp cho từng hệ thống riêng biệt. Về phƣơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ƣu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ rễ ràng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lƣợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có hai phƣơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kich từ động cơ. Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn bộ biến đổi chính: Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo một máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM). Bộ biến đổi điện từ: Khuyếch đại từ (KĐT). Bộ biến đổi chỉnh lƣu bán dẫn: chỉnh lƣu tiristo (CLT). Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA). - 13 -
  14. Tƣơng ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động nhƣ: Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ). Hệ truyền động máy điện khuyếch đại - động cơ (MĐkĐ-Đ). Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ (KĐT-Đ). Hệ truyền động chỉnh lƣu tiristo - động cơ (T-Đ). Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ). Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”). Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhƣng có chất lƣợng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều cũng đƣợc phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phƣơng phỏp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tƣ, hai góc phần tƣ, và bốn góc phần tƣ. 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP CỤ THỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. Từ biểu thức U MRt n 2 Ce CeCm Ta rút ra đƣợc các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ : Thay đổi điện áp nguồn nạp. Thay đổi điện trở mạch rôto. Thay đổi từ thông. - 14 -
  15. 2.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp. Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nhƣ máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lƣu điều khiển Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lƣợng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. ~ R I Rƣđ LK b U U E (U ) E đk BBĐ ĐC b đk ƣ Hình 2.2.1.1 Sơ đồ và sơ đồ thay thế ở chế độ xỏc lập Ở chế độ xác lập có thể viết đƣợc phƣơng trình đặc tính của hệ thống nhƣ sau: Eb - Eư = Iư . ( Rb + Rưđ ) Eb Rb R•§ .I• K. đm K. đm M o U đk - 15 -
  16. 0 max max đk1 đki 0 min min M,I O Mnm min Mđm Hình 2.2.1.2 Xác định phạm vi điều chỉnh Vì từ thông của động cơ đƣợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tƣởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phƣơng pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng đƣợc giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: M đm max omax M đm min omin - 16 -
  17. Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM . Mđm Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen. Và họ đặc tính cơ là các đƣờng thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết 1 M dm min M nmmin M dm K M 1 Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó, có thể tính sơ bộ đƣợc: 1 o max. 10 M dm Vì thế, tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cứng không vƣợt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” nhƣ trên là không thoả mãn đƣợc. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng có đặc tính cơ trong toàn dải là nhƣ nhau, do đó độ sụt tốc tƣơng đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vƣợt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn - 17 -
  18. nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tƣơng đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: o min min s o min o min M dm s scp . o min Vì các giá trị Mđm , 0min , scp là xác định nên có thể tính đƣợc giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vƣợt quá giá trị cho phép. Để làm việc này, trong đa số các trƣờng hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ đƣợc giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi: Mc.cp = K đm . Iđm = Mđm Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mụmen nằm trong hỡnh chữ nhật bao bởi cỏc đƣờng thẳng = đm, M= Mđm và cỏc trục toạ độ. Tổn hao năng lƣợng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ. Eb = Eư + Iư ( Rb + Rưđ ) 2 Iư . Eb = Iư . Eư + Iư ( Rb + Rưđ ) Nếu đặt Rƣ + Rƣđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lƣợng của hệ sẽ là: Iu Eu u 2 Iu Eu I u R MR 2 K dm - 18 -
  19. Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trờn trục: * * * x M = Mc và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là Mc = ( ) thì: * u x 1 * R* . * Hình 2.2.1.3 miêu tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trƣờng hợp đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trƣờng hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, ví nhƣ vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ. đ 1 m X=0 X=-1 M Mđm 1 ƣ Hình 2.2.1.3 Quan hệ giữa hiệu suất động và tốc độ với các loại tải khác nhau 2.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông . U I R Từ biểu thức: n • t Ce Khi M, U = const, = var ( thay đổi dòng kích từ ) thì n tăng lên. Thật vậy khi giảm từ thông dòng điện ở rôto tăng nhƣng không làm cho tử số biểu thức (14.9) thay đổi nhiều vì độ giảm điện áp ở Rt chỉ chiếm vài % của điện áp U nên - 19 -
  20. khi từ thông giảm thì tốc độ tăng. Song nếu ta cứ tiếp tục giảm dòng kích từ thì tới một lúc nào đó tốc độ không đƣợc tăng đƣợc nữa. Sở dĩ nhƣ vậy vì mômen điện từ của động cơ cũng giảm. Phƣơng pháp này chỉ dùng trong phạm vi khi từ thông giảm tốc độ còn tăng. Hình 2.2.2 biểu diễn đặc tính cơ khi = var.Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có những ƣu khuyết điểm sau: Ƣu điểm: Điều chỉnh tốc độ theo chiều tăng (từ tốc độ định mức), rất láng phạm vi điều chỉnh rộng, tổn hao điều chỉnh nhỏ, dễ thực hiện và kinh tế. Nhƣợc điểm: Không điều chỉnh đƣợc tốc độ ở dƣới tốc độ định mức. Do những ƣu điểm trên phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông thƣờng đƣợc áp dụng hợp với những phƣơng pháp khác nhằm tăng phạm vi điều chỉnh. n 1 2 1> 2> 3 Hình 2.2.2 Đặc tính cơ của động cơ 3 một chiều kích từ độc lập khi thay đổi từ thông M 0 Mc Lưu ý: Không đƣợc giảm dòng kích từ tới giá trị không, vì lúc này máy chỉ còn từ dƣ, tốc độ tăng quá lớn gây nghuy hiểm cho các cấu trúc cơ khí của động cơ. Thƣờng ngƣời ta thiết kế bộ điện trở điều chỉnh để không khi nào mạch từ bị hở. - 20 -
  21. 2.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng. Từ công thức: U I • ( Rt Rdc ) U M( Rt Rdc ) n = 2 Ce Ce CeCm Ta ký hiệu hiệu n = M(Rt + Rđc) thì khi M = const mà thay đổi Rđc thì thay đổi đƣợc n (độ giảm tốc độ), tức là thay đổi đƣợc tốc độ động cơ. Trên ( hình 2.2.3 ) biểu diễn đặc tính cơ của phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở rôto. n n0 n b ®m a R1+R2=0 Hình 2.2.3 Điều chỉnh tốc độ d n1 c động cơ một chiều bằng R1 phương pháp thay đổi điện trở mạch rô to R1+R2 n2 e 0 Mc M Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng có những ƣu khuyết điểm sau: Dễ thực hiện, vốn đầu tƣ ít, điều chỉnh tƣơng đối láng Tuy nhiên phạm vi điều chỉnh hẹp và phụ thuộc vào tải (tải càng lớn phạm vi điều chỉnh càng rộng), không thực hiện đƣợc ở vùng gần tốc độ không tải. Điều chỉnh có tổn hao lớn. Ngƣời ta đã chứng minh rằng để giảm 50% tốc độ định mức thì tổn hao trên điện trở điều chỉnh chiếm 50% công suất đƣa vào. Điện trở điều chỉnh tốc độ có chế độ làm việc lâu dài nên không dùng điện trở khởi động (làm việc ở chế độ ngắn hạn) để làm điện trở điều chỉnh tốc độ. - 21 -
  22. 2.3. MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU. 2.3.1. Hệ truyền động Máy phát – Động cơ (F - Đ). Để tăng phạm vi điều chỉnh tốc độ, ngƣời ta dùng hệ thống máy phát động cơ điện một chiều ( hình 3.1 ). n M §C =var F M Diese C nđm l Wktm Ikt W f kt® U=var Ikt c M 0 + Mc - a) b) Hình 2.3.1 Hệ trống truyền động điện máy phát-động cơ a) Sơ đồ, b)Đặc tính cơ khi thay đổi tốc độ Trong hệ thống này cả máy phát và động cơ đều là máy điện một chiều kích từ độc lập. Để thay đổi tốc độ, trong hệ thống máy phát-động cơ có thể áp dụng phƣơng pháp điều chỉnh điện áp nguồn nạp (thay đổi kích từ máy phát), thay đổi điện trở mạch rôto động cơ và thay đổi từ thông kích từ động cơ. Hệ thống cho ta phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, điều chỉnh đƣợc cả 2 chiều tăng và giảm, có độ điều chỉnh rất láng. - 22 -
  23. Tuy nhiên do sử dụng nhiều máy điện một chiều nên đầu tƣ cho hệ thống khá đắt tiền, do đó hệ thống truyền động điện máy phát động cơ chỉ sử dụng ở những nơi thật cần thiết theo chỉ tiêu chất lƣợng của hệ thống. Ngày nay máy phát điện một chiều đƣợc thay bằng bộ chỉnh lƣu, xuất hiện hệ thống: van-động cơ. Hệ thống đƣợc cấp điện từ nguồn xoay chiều, có tính chất giốmg hệ máy phát động cơ nhƣng rẻ và độ tin cậy cao hơn. 2.3.2. Hệ truyền động Van tiristor – Động cơ(T – Đ). Sơ đồ nguyên lý : Hình 2.3.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ Bộ biến đổi van Tiristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếp biến đổi dòng xoay chiều thành dòng.Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến đổi đƣợc thực hiện bằng cách điều chình góc mở α của van. Điện áp chỉnh lƣu Ud0 (điện áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với tần số đập mạch là n trong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp của máy biến áp lực. Một bộ biến đổi van có thể bao gồm: Máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc, thiết bị bảo vệ và thiết bị điều khiển. - 23 -
  24. Sơ đồ thay thế có dạng sau: Hình 3.2.2: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu Tiristor – Động cơ một chiều Khi van dẫn ta có phƣơng trình: dI U2 – E = IR + L dt Với R = Rba + Rử + Rkt L = Lba + Lử + Lkt Nhận xét: Ƣu điểm: Hệ (T-Đ) tác động nhanh, tổn thất năng lƣợng ít, kích thƣớc và trọng lƣợng nhỏ, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại lớn, điều đó rất thuận lợi cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lƣợng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lƣu ra có bien độ đập mạch cao, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc không cao, khả - 24 -
  25. năng quá tải về dòng và áp của van kém, chất lƣợng điện áp ra không cao, tổn thất phụ, và làm xấu hiện tƣợng chuyển mạch trên cổ góp. Khắc phục: Thiết kế truyền động van cố gắng làm ngắn vùng gián đoạn bằng cách nối kháng lọc, tăng số lần đập mạch, nối van đệm. 2.3.3. Hệ truyền động Xung áp – Động cơ (XA - Đ). 2.3.3.1. Nguyên lý bộ băm xung một chiều. Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều Us tạo ra điện áp tải Ura cũng là điện áp một chiều nhƣng có thể điều chỉnh đƣợc( hình 3.3.1.1 ) Ura BBĐ U điện tb Us Ura áp t một t1 t2 chiều T Hình 2.3.3. sơ đồ khối và đồ thị điện áp ra Ura là một dãy xung vuông (lý tƣởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: Ura = γ .Us (γ=t1/T). Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi đƣợc giá trị điện áp trung bình trên tải. 2.3.3.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra. Có 3 phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra: a) Phƣơng pháp thay đổi độ rộng xung: - 25 -
  26. Nội dung của phƣơng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: t .U U 1 S .U tai T S t Trong đó: 1 là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ. T Nhƣ vậy theo phƣơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < 1). b) Phƣơng pháp xung - tần: Nội dung của phƣơng pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó: t U 1 .U t . f .U tai T S 1 S 1 Vậy Ura=US khi f và Ura=0 khi f=0. t1 c) Phƣơng pháp xung - thời gian: Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyên tắc giữ I min Trong thực tế, phƣơng pháp biến đổi độ rộng xung đƣợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. - 26 -
  27. Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI 3.1. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ. Hệ logic mờ đƣợc sử dụng khi ta hiểu biết về đối tƣợng không nhiều (thậm chí không có). Xây dựng hệ logic mờ trên cơ sở kinh nghiệm điều khiển hệ thống. Ƣu điểm của bộ điều khiển mờ là thiết kế và cài đặt đơn giản. 3.1.1. Khái quát về logic mờ - Fuzzy Logic Điều khiển mờ là ngành kỹ thuật do nhà toán học ngƣời Mỹ Zahde định hƣớng phát triển vào thập niên 60 của thế kỷ trƣớc. Khi đó Zahde chỉ đƣa ra lý thuyết tập mờ nhằm thay thế, đơn giản hóa các khái niệm đầy tính lý thuyết của xác suất, của quá trình ngẫu nhiên. Ngày nay, lí thuyết điều khiển đã, đang phát triển rất mạnh mẽ và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cuộc sống. Các phƣơng pháp điều khiển truyền thống thƣờng đòi hỏi ngƣời ta phải hiểu biết rõ bản chất của đối tƣợng cần điều khiển thông qua mô hình toán học, và trong nhiều ứng dụng chúng là các phƣơng trình toán lí phức tạp với bậc phi tuyến cao Ngoài ra các đối tƣợng điều khiển thƣờng nằm trong môi trƣờng có tác động gây nhiễu và ngƣời ta rất khó xác định đƣợc các đặc tính của đối tƣợng điều khiển. Những đối tƣợng phức tạp nhƣ vậy thƣờng nằm ngoài khả năng giải quyết của các phƣơng pháp điều khiển truyền thống và trong quá trình tự động hóa ngƣời ta phải nhờ vào khả năng xử lí tình huống của con ngƣời và phải thiết kế thiết bị sử dụng điều khiển bằng tay. Việc con ngƣời có khả năng điều khiển các quá trình nhƣ vậy chứng tỏ các quá trình đó đã đƣợc phản ánh và mô phỏng đúng đắn bằng mô hình nào đó trong đầu óc của kỹ sƣ thiết kế hệ thống. Nhƣ vậy, mối quan hệ trong các quá trình điều khiển - 27 -
  28. này không phải đƣợc biểu thị bằng các mô hình toán học mà bằng mô hình ngôn ngữ với các thông tin không chính xác, không chắc chắn hay nói cách khác là những thông tin “mờ” có tính ƣớc lệ hay định tính cao. Đó chính là cơ sở cho sự ra đời của lý thuyết mờ hiện đại. Trong rất nhiều bài toán điều khiển, khi mà đối tƣợng không thể mô tả bởi một mô hình toán học hoặc có thể mô tả song mô hình của nó lại quá phức tạp, cồng kềnh, không ứng dụng đƣợc, thì điều khiển mờ chiếm ƣu thế rõ rệt. Ngay cả ở những bài toán thành công theo nguyên tắc kinh điển thì việc áp dụng điều khiển mờ vẫn mang lại cho hệ thống sự cải tiến về tính đơn giản, gọn nhẹ.  Một số ƣu điểm của phƣơng pháp điều khiển mờ: Chỉ dựa trên các thông tin vào ra quan sát đƣợc trên các đối tƣợng điều khiển, không đòi hỏi phải hiểu bản chất để mô hình hóa toán học đối tƣợng nhƣ trong lý thuyết điều khiển truyền thống. Miền ứng dụng rộng lớn, đa dạng. Khối lƣợng công việc thiết kế giảm đi nhiều do ta không cần sử dụng mô hình đối tƣợng, nhờ đó mà trong hầu hết các bài toán ta có thể giảm khối lƣợng tính toán, thời gian thiết kế và hạ giá thành sản phẩm. Ứng dụng tƣơng đối rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuốc sống, dễ dàng thay đổi phần lập trình. Trong hầu hết các trƣờng hợp, bộ điều khiển mờ làm việc ổn định, bền vững và có chất lƣợng điều khiển tốt. 3.1.2 Một số khái niệm về tập mờ - Bộ điều khiển mờ. 3.1.2.1. Tập mờ - Các khái niệm xoay quanh tập mờ Tập mờ A xác định trên tập kinh điển X (tập nền) là một tập hợp mà mỗi phần tử của nó là các cặp giá trị (x, (x)) trong đó x X và x là một ánh A xạ: - 28 -
  29. (x): X [0,1]. A Ánh xạ x là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ A A Tập kinh điển X đƣợc gọi là tập nền (hay vũ trụ) của tập mờ A. Kí hiệu: Tập mờ A A= {(x, (x))| x X}.  Độ cao của tập mờ Độ cao của một tập mờ A (định nghĩa trên tập nền X) là giá trị h= Sup (x) x X Kí hiệu: Sup (x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các giá trị chặn trên của x X Nếu h=1, tức là một tập mờ với ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 đƣợc gọi là tập mờ chính tắc. Ngƣợc lại, nếu h 0} x X  Miền tin cậy của tập mờ. Miền tin cậy của tập mờ A (định nghĩa trên tập nền X), đƣợc ký hiệu là T = { x X | (x) = 1} 3.1.2.2. Bộ điều khiển mờ. Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 phần chính: - 29 -
  30. Khâu mờ hóa: Làm nhiệm vụ chuyển đổi từ giá trị rõ đầu vào xác định sang trạng thái đầu vào mờ. Đây là giao diện đầu vào của bộ điều khiển mờ. Thiết bị hợp thành: Triển khai luật hợp thành trên cơ sở luật điều khiển IF THEN. Khâu giải mờ: Chuyển đổi từ giá trị mờ nhận đƣợc của thiết bị hợp thành sang giá trị thực để điều khiển đối tƣợng. Đây là giao diện đầu ra của bộ điều khiển mờ. Hình 3.1.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản Trong đó: x: Là tập giá trị thực cần điều khiển đầu vào m: Tập mờ của giá trị đầu vào. B: Tập giá trị mờ của giá trị điều khiển thực. y: Giá trị điều khiển thực. Bộ điều khiển mờ cơ bản là một bộ điều khiển mờ tĩnh, nó chỉ có khả năng xử lý các giá trị hiện thời. Để giải quyết đƣợc các bài toán điều khiển động, bộ điều khiển mờ cơ bản phải đƣợc nối thêm các khâu động học thích hợp. Ví dụ, khâu tỷ lệ, vi phân hoặc tích phân. - 30 -
  31. Hình 3.1.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ động. Hệ thống điều khiển mờ đảm nhiệm chức năng nhƣ một hệ thống điều khiển thông thƣờng. Sự khác biệt chủ yếu ở chỗ: khi hệ thống điều khiển truyền thống dựa vào logic kinh điển {0,1}, thì hệ thống điều khiển mờ thực hiện chức năng điều khiển dựa trên kinh nghiệm và những kết luận theo tƣ duy của con ngƣời, quá trình xử lí đó thông qua bộ logic mờ. Hình 3.1.2.3. Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển mờ Để thực hiện đƣợc quá trình điều khiển, đối tƣợng phải đƣợc điều khiển bằng các tín hiệu rõ u Do vậy, tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ phải đƣợc giải mờ trƣớc khi đƣa vào đối tƣợng. Cũng tƣơng tự nhƣ vậy, tín hiệu ra của đối tƣợng qua các bộ cảm biến đo lƣờng phải đƣợc mờ hóa trƣớc khi đƣa vào bộ điều khiển mờ. - 31 -
  32. Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phƣơng pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra, và sự lựa chọn những luật điều khiển trong bộ điều khiển mờ. Thiết bị hợp thành triển khai các luật điều khiển theo một nguyên tắc nhất định (MAX–MIN, MAX– PROD, ), đây là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ. Để cho thiết bị thực hiện luật điều khiển làm việc đúng chế độ thì phải chọn các biến ngôn ngữ sao cho phù hợp. Các đại lƣợng vào ra chuẩn và phù hợp với luật điều khiển. Tất cả các vần đề đó đƣợc hình thành trên quá trình thử nghiệm và thiết kế. Tuy thiết bị hợp thành là bộ phận quan trọng nhất của bộ điều khiển mờ, nhƣng khi giải quyết các bài toán động, trong nhiều trƣờng hợp nó cần các thông tin về đạo hàm hay tích phân của sai lệch. Khi đó tín hiệu vào phải đƣợc xử lí sơ qua bằng các khâu động học. Đối với một bài toán có độ phức tạp cao, đôi lúc còn cần đến nhiều bộ điều khiển mờ với các khâu mắc nối tiếp hoặc song song theo kiểu mạng. a) Quá trình mờ hóa Mờ hóa là một ánh xạ từ một giá trị rõ x U Rn sang một tập mờ A trong tập nền U. Mờ hóa phải đảm bảo: Độ phụ thuộc là lớn nhất, đảm bảo tính khử nhiễu, tính toán đơn giản. Trong điều khiển, với mục đích sử dụng các hàm thuộc sao cho khả năng tích hợp chúng là đơn giản, ngƣời ta chỉ quan tâm đến 3 kiểu mờ hóa cơ bản sau: - Hàm Singleton (cũng gọi là hàm Kronecker). - Hàm hình tam giác. - Hàm hình thang. Trong ba cách trên, mờ hóa theo hàm tam giác đảm bảo khử nhiễu nhƣng tính toán và khử nhiễu khó, lâu. Chỉ có mờ hóa theo kiểu Singleton là đƣợc sử dụng - 32 -
  33. nhiều nhất mặc dù nó không có tính khử nhiễu nhƣng tính toán đơn giản và nhanh. b) Thiết bị hợp thành. Thiết bị hợp thành đƣợc hiểu là sự ghép nối chung giữa bản thân nội dung luật hợp thành và thuật toán xác định giá trị mờ của luật hợp thành khi biết trƣớc giá trị rõ của tín hiệu đầu vào. Trọng tâm của hệ mờ chính là mệnh đề hợp thành IF THEN. Ta xét hệ MISO (n đầu vào, 1 đầu ra), mệnh đề hợp thành mô tả hệ MISO là: 1 1 1 Ri: IF x1=A1 and and xn=An THEN y= Bj (*) T Với: x= (x1, ,xn) là vector đầu vào. y là đầu ra. 1 Ai là các tập mờ của biến đầu vào (i=1 n). 1 Bj là các tập mờ của biến đầu ra. Dạng (*) là dạng chuẩn của mệnh đề hợp thành vỡ tất cả các dạng mô tả khác đều có thể đƣa về dạng này. Chẳng hạn nếu hệ mờ là MIMO thì nó chính là tổng của các hệ con MISO mà chúng đƣợc mô tả dƣới dạng (*). Gọi R là luật hợp thành chung cho các mệnh đề Ri (i=1 n) ở trên: n R=  Ri (phép tích hợp các tập mờ Ri) i Thiết bị hợp thành đƣợc gọi bằng tên của quy tắc thực hiện luật hợp thành. Trong điều khiển có 4 thiết bị chính sau : Thiết bị hợp thành Max – Min  Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Min: AB(y ) min{H,B (y)}.  Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max: AB(y ) max{AB (y), (y)}. - 33 -
  34. Thiết bị hợp thành Max – Prod  Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Prod: AB(yH ) .B (y).  Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max: AB(y ) max{AB (y), (y)}. Thiết bị hợp thành Sum – Prod  Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Prod:  Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max: (y ) min{1, (y)+ (y)}. AB AB Thiết bị hợp thành Sum – Min  Phép suy diễn đƣợc thực hiện với luật Min: AB(y ) min{H,B (y)}.  Phép hợp mờ đƣợc thực hiện theo luật Max: (y ) min{1, (y)+ (y)}. AB AB c) Giải mờ. Thông thƣờng đầu ra của các bộ điều khiển mờ thƣờng là các tập mờ cho dù với một hay nhiều luật điều khiển (mệnh đề hợp thành), nên ta chƣa thể áp dụng cho đối tƣợng điều khiển. Một bộ điều khiển mờ hoàn chỉnh cần phải có thêm khâu giải mờ (quá trình rõ hóa tập mờ đầu ra B’). Có hai phƣơng pháp giải mờ chính : Phƣơng pháp cực đại Phƣơng pháp trung bình trọng tâm. - 34 -
  35.  Phƣơng pháp cực đại : Tƣ tƣởng chính của phƣơng pháp này là tìm trong tập mờ có hàm thuộc R ()y một phần tử rõ yo với độ phụ thuộc lớn nhất. yy0 argmax R () y Khi có một miền giá trị yo cùng thỏa mãn điều kiện trên thì chúng ta phải áp dụng các nguyên tắc sau để có giá trị yo cụ thể chấp nhận đƣợc:  Nguyên lý cận tráị  Nguyên lý cận phải  Nguyên lý trung bình. Nhƣ vậy, việc giải mờ theo phƣơng pháp cực đại sẽ bao gồm hai bƣớc: Bƣớc 1: Xác định miền chứa giá trị rõ yo . Giá trị rõ yo là giá trị mà tại đó hàm thuộc đạt giá trị cực đại, tức là miền. G y YR () y H ; Với H là độ thỏa mãn đầu vào. Bƣớc 2: Xác định yo có thể chấp nhận đƣợc từ G. Luật hợp thành Ri nào chứa miền y0 thì gọi là luật hợp thành quyết định. Trong trƣờng hợp có nhiều luật hợp thành cùng có hàm thuộc đạt giá trị bằng nhau thì chúng ta phải chọn một trong số các luật hợp thành làm luật hợp thành cho bài toán.  Phƣơng pháp điểm trọng tâm: Phƣơng pháp giải mờ cũng ảnh hƣởng đến độ phức tạp cũng nhƣ trạng thái làm việc của toàn hệ thống. Thƣờng thì phƣơng pháp điểm trọng tâm đƣơc ƣa dùng hơn do phƣơng pháp giải mờ này có sự tham gia bình đẳng và chính xác của tất cả các luật điều khiển Ri. Tuy nhiên phƣơng pháp này lại không để ý đƣợc tới độ thỏa mãn của mệnh đề điều khiển cũng nhƣ thời gian tính lâu. Một nhƣợc - 35 -
  36. điểm nữa của phƣơng pháp này là điểm trọng tâm mà chúng ta tìm đƣợc có thể có độ phụ thuộc bằng không hoặc có giá trị rất bé. Để tránh đƣợc nhƣợc điểm trên thì khi định nghĩa hàm thuộc phải cho miền xác định của các giá trị mờ đầu ra là hàm liên thông. Công thức xác định điểm trọng tâm : yR () y dy S yo R ()y dy S Với i Ssup pRR ( y ) y ( y ) 0 là miền xác định của tập mờ R. Khi diện tích các Bi là nhƣ nhau thì hình dạng của chúng không ảnh hƣởng tới việc xác định điểm trọng tâm mà khi ấy chỉ có vị trí của các điểm trọng tâm là ảnh hƣởng tới việc xác định điểm trọng tâm. Mô hình Sugeno cho phép chúng ta xác định đƣợc điểm trọng tâm một cách đơn giản và nhanh chóng. Công thức xác định điểm trọng tâm: n hii() x C 1 yo n hxi () 1 Phƣơng pháp điểm trọng tâm với luật hợp thành SUM- MIN Giả sử ta có q luật điều khiển đƣợc triển khai. Vậy thì mỗi giá trị R tại đầu ra của bộ điều khiển sẽ là tổng của q giá trị mờ đầu ra của từng luật hợp thành. Ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của luật điều khiển thứ i (i=1 n) là R ()y , theo quy tắc SUM- MIN thì hàm liên thuộc là : q ()()yy RRi i 1 Và giá trị ra yo là: - 36 -
  37. n n n y() y dy y() y dy Ri Ri Mi y Sii 1 i 1 S 1 ; o nnn ()y dy A Rii R ()y dy ii11i S i 1 S Trong đó: M y() y dy và A() y dy , i=1, ,n iRi iRi S S 3.1.2.3. Các nguyên tắc chung thiết kế bộ điều khiển mờ. Ta giả thiết rằng, ngƣời thiết kế đã thu thập đủ các kinh nghiệm cũng nhƣ ý kiến của các chuyên gia và muốn chuyển nó thành các bộ điều khiển thì phải tiến hành các bƣớc sau đây: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào ra Định nghĩa các tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho từng biến vào ra, tức là thực hiện công việc mờ hóa. Xây dựng luật hợp thành. Chọn quy tắc thực hiện lệnh hợp thành (thiết bị hợp thành), hay còn gọi là động cơ suy diễn. Chọn các phƣơng pháp giải mờ. Trong quá trình thiết kế, ta cần lƣu ý các điểm sau: Không nên thiết kế bộ điều khiển mờ để giải quyết một bài toán tổng hợp mờ mà có thể dễ dàng thực hiện với các bộ điều khiển kinh điển mà vẫn thỏa mãn yêu cầu bài toán. Không nên thiết kế bộ điều khiển mờ cho các hệ thống cần độ an toàn cao (điều khiển lò phản ứng hạt nhân, điều khiển các quy trình công nghệ sản xuất hóa chất, ). - 37 -
  38. Do nguyên lí làm việc của bộ điều khiển mờ là sao chép lại kinh nghiệm của chuyên gia nên luôn phải nghĩ tới việc bổ sung thêm cho bộ điều khiển mờ khả năng tự học để thích nghi đƣợc với sự thay đổi của đối tƣợng. 3.1.2.4. Một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển mờ tiêu biểu. Điều khiển mờ là một trong những bộ điều khiển thông minh do Zahde đặt nền móng mà sự phát triển của nó dựa vào sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tính toán của các bộ vi xử lý. Điều khiển mờ có hai lớp bài toán đó là: Ước lượng mờ: đƣợc áp dụng cho các bài toán điều khiển mà đối tƣợng điều khiển có mô hình không chính xác hoặc không tƣờng minh hay nói một cách khác là lƣợng thông tin về đối tƣợng không đầy đủ. Mô hình mờ: là bài toán xây dựng mô hình cho đối tƣợng theo phƣơng pháp mờ. Có nhiều thuật toán mờ đang đƣợc áp dụng và gặt hái nhiều thành công trong công nghiệp nhƣ: Điều khiển Madani (Mamdani Control). Điều khiển mờ trƣợt (Sliding Mode Fuzzy Control). Điều khiển Tagai/Sugeno(TS Control. Điều khiển tra bảng (Cell Mapping Control). Điều khiển Takagi/Sugeno với phƣơng pháp tuyến tính hóa của Lyapunov. 3.1.2.5. Kết luận. Phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển theo phƣơng pháp mờ có nhiều ƣu điểm hơn so với các phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển trƣớc đây: Giảm đƣợc khối lƣợng công việc do không phải xác định mô hình, giảm khối lƣợng tính toán mà bộ điều khiển vẫn làm việc tin cậy. Cấu trúc đơn giản, dễ hiểu và khả năng thay đổi linh hoạt. - 38 -
  39. Làm việc ổn định, bền vững, chất lƣợng cao, tăng độ tin cậy cho thiết bị và giảm giá thành sản phẩm trong nhiều trƣờng hợp. 3.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ. Yêu cầu thiết kế đƣợc đặt ra là bộ PID số phải có tính linh hoạt cao, có nghĩa là phải có giao diện thân thiện với ngƣời sử dụng. Thông qua HMI, ngƣời sử dụng có thể chọn luật điều khiển dễ dàng. Ví dụ nhƣ có thể điều khiển các đối tƣợng công nghiệp theo luật P, I, PI, PD và có thể lựa chọn tham số của các luật phù hợp với đối tƣợng thiết kế. Luật PID số phải đƣợc thiết kế gọn gàng, thời gian xử lý lệnh phải nhanh để làm tăng tính thời gian thực cho thiết bị điều khiển. 3.2.1. Luật điều khiển tỷ lệ số. Hình 3.2.1. Cấu trúc luật P số. Đây là luật điều khiển có thể thiết kế đơn giản nhất. Dãy u(k) đƣợc tính từ dãy e(k) theo công thức: u()() k kP e k k=0,1,2 . 3.2.2. Luật điều khiển tích phân số. Ta có phƣơng trình sai phân: T u( k ) e ( k ) u ( k 1) T I Trong đó T là thời gian trích mẫu (Sample Time) Hình 3.2.2. Cấu trúc luật I số. - 39 -
  40. 3.2.3. Luật điều khiển vi phân số. Hình 3.2.3. Cấu trúc luật D số. Thƣờng các bộ điều khiển theo luật vi phân số đƣợc cài đặt theo các phƣơng trình sai phân sau: T u( k )D [ e ( k ) e ( k 1)] T Trong đó T là thời gian trích mẫu. 3.2.4. Luật điều khiển PID số. Hình 3.2.4. Cấu trúc luật PID số Từ cấu trúc PID số trong hình 3.2.4, ta có - 40 -
  41. T T ukkek() () ekuk () (1)D ekek ()(1) PITT I TTT ukk() (1DD )() ek ek (1) ekuk () (1) PITTT I TTT u() k k (1DD )() e k e (1) k u (1) k PITTT I Luật điều khiển PID số trong công thức trên đƣợc lựa chọn để cài đặt cho bộ điều khiển đƣợc chế tạo trên nền PSoC. 3.3. CHỈNH ĐỊNH MỜ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID. Trong lý thuyết điều khiển tuyến tính, có nhiều phƣơng pháp hữu hiệu để xác định tham số kR, TI, TD cho bộ điều khiển PID. Tuy nhiên, hạn chế chung của các phƣơng pháp này là chỉ tổng hợp đƣợc một bộ điều khiển (PID) cho một đối tƣợng xác định. Với một đối tƣợng khác cần phải tổng hợp một bộ điều khiển khác. Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID cho phép một bộ điều khiển (PID) có thể làm việc với nhiều đối tƣợng khác nhau. Tƣ tƣởng cơ bản của phƣơng pháp là ứng dụng lý thuyết tập mờ vào việc chỉnh định tham số kR, TI, TD của bộ điều khiển PID sao cho phù hợp với đối tƣợng hiện tại. Có hai phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID: Phƣơng pháp thứ nhất là phƣơng pháp chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka và Isaka. Phƣơng pháp thứ hai là phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số . 3.3.1. Phƣơng pháp chỉnh định của Zhao, Tomizuka và Isaka. Ta có mô hình toán học của một bộ điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu ra u(t). 1 t de(t) u(t) kR [e(t) e( )d TD ] TI 0 dt Hàm truyền của bộ điều khiển: - 41 -
  42. 1 GPID(s)= k R [1 TD s] TI s Hoặc K I GPID(s)= K T s R s D Trong đó: k R KR=kR , KI= , KD=kR.TD TI Các tham số kR, TI, TD hay KR , KI, KD của bộ điều khiển PID đƣợc chỉnh định mờ trên cơ sở phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống, chính xác hơn là sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch de(t) . Sơ đồ hệ thống sử dụng bộ dt điều khiển PID có các tham số đƣợc chỉnh định theo phƣơng pháp mờ đƣợc chỉ ra ở hình sau: Hình 3.3.1.1. Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID của Zhao, Tomizuka và Isaka. - 42 -
  43.  Bộ chỉnh định mờ I (chỉnh định KR). Bộ chỉnh định mờ 1 có hai đầu vào là sai lệch e(t), đạo hàm sai lệch de(t) . dt Đầu ra là giá trị chỉnh định KR. Đầu vào 1 (sai lệch e(t)): Chọn dải sai lệch và tập mờ nhƣ hình sau: Hình 3.3.1.2. Tập mờ đầu vào 1, bộ chỉnh định KR Đầu vào 2 (tốc độ sai lệch ): Chọn dải tốc độ sai lệch và tập mờ nhƣ hình sau: Hình 3.3.1.3. Tập mờ đầu vào 2, bộ chỉnh định KR Đầu ra bộ chỉnh định KR có giá trị từ 0 đến 1000 và có hai tập mờ nhƣ hình sau: Hình 3.3.1.4. Tập mờ đầu ra, bộ chỉnh định KR - 43 -
  44. Luật chỉnh định KR: Luật điều khiển để chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID đƣợc xây dựng theo nguyên tắc: tín hiệu điều khiển càng mạnh nếu KR càng lớn, KD và càng nhỏ. Khi giá trị tuyệt đối của sai lệch càng lớn cần có tín hiệu điều khiển mạnh để đƣa sai lệch nhanh về 0. Luật chỉnh định KR đƣợc xây dựng trên cơ sở luật điều khiển nêu trên và đƣợc cho trong bảng sau: e NB NS ZE PS PB de NB B S S S B dt NS B B S B B ZE B B B B B PS B B S B B PB B S S S B Bảng 4.3.1.1. Luật chỉnh định KR Luật hợp thành là luật MAX-MIN, phƣơng pháp giải mờ là phƣơng pháp điểm trọng tâm.  Bộ chỉnh định mờ 2 (Chỉnh định KD). Bộ chỉnh định mờ 2 cũng có hai đầu vào là sai lệch e(t), đạo hàm sai lệch de(t) . Đầu ra là giá trị KD đã chỉnh định. dt - 44 -
  45. Đầu vào và đầu ra của bộ chỉnh định mờ 2 giống bộ chỉnh định mờ de(t) 1. Tức là sai lệch e(t), đạo hàm sai lệch và đầu ra KD có dải giá trị và dt hàm thuộc nhƣ bộ chỉnh định mờ 1. Luật chỉnh định KD: Luật chỉnh định KD đƣợc xây dựng từ luật điều khiển chung: tín hiệu điều khiển càng mạnh nếu KR càng lớn, KD và càng nhỏ. Khi giá trị tuyệt đối của sai lệch càng lớn cần có tín hiệu điều khiển mạnh để đƣa sai lệch nhanh về 0. Trên cơ sở đó, xây dựng luật chỉnh định KD nhƣ bảng sau: e NB NS ZE PS PB de NB S B B B S dt NS S B B B S ZE S S B S S PS S B B B S PB S B B B S Bảng 4.3.1.2: Luật chỉnh định KD Luật hợp thành là luật MAX-MIN, phƣơng pháp giải mờ là phƣơng pháp điểm trọng tâm.  Bộ chỉnh định mờ 3 (Chỉnh định α ). Đầu vào bộ chỉnh định mờ 3 cùng các tập mờ của chúng giống nhƣ đầu vào của bộ chỉnh định 1 và 2. Đầu ra cùng các hàm thuộc của bộ chỉnh định mờ cho trong hình sau: - 45 -
  46. Hình 3.3.1.5. Đầu ra bộ chỉnh định α Luật chỉnh định: Luật chỉnh định cho trong bảng sau. e NB NS ZE PS PB de NB S M B M S dt NS S MS MS MD S ZE S S MS D S PS S MS MS MD S PB S M B M S Bảng 4.3.1.3: Luật chỉnh định α Luật hợp thành là luật MAX-MIN, phƣơng pháp giải mờ là phƣơng pháp điểm trọng tâm. 3.3.2. Phƣơng pháp chỉnh định mờ hệ số α. Nội dung phƣơng pháp thể hiện trong hình sau: - 46 -
  47. Hình 3.3.2.1. Phương pháp chỉnh định mờ hệ số . Trong sơ đồ trên, các tham số kP, TI, TD đƣợc đƣa vào trƣớc khi hệ thống hoạt động. Tín hiệu ra u của bộ điều khiển PID đƣợc hiệu chỉnh sao cho phù hợp với đối tƣợng điều khiển. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID trƣớc khi chỉnh định: t kP de(t) u(t) kPe(t) e( )d kPTD TI 0 dt Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID sau khi chỉnh định: t kP de(t) u(t) kPe(t) e( )d kPTD TI 0 dt k t de(t) = k e(t) P e( )d k T P T P D I 0 dt ' TI TI ' Đặt: TD TD ' k P k P - 47 -
  48. Do đó việc chỉnh định tín hiệu u có thể coi nhƣ chỉnh định kP, TI, TD. Với một hệ số thích hợp, sẽ có một bộ điều khiển với tham số phù hợp cho đối tƣợng ổn định. Khâu FC (Fuzzy Control) trong sơ đồ trên có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu hiệu chỉnh fα để hiệu chỉnh hệ số α theo nguyên tắc: nếu sai lệch của hệ thống càng lớn thì tín hiệu hiệu chỉnh càng nhỏ và ngƣợc lại, nếu sai lệch của hệ thống càng nhỏ thì tín hiệu hiệu chỉnh càng lớn. Khâu FC nhận 2 đầu vào lấy ra từ bộ điều de(t) khiển PID là kPe, và TD (sai lệch và đạo hàm sai lệch đã nhân thêm các hệ số dt tƣơng ứng). Hệ số hiệu chỉnh gồm 2 thành phần: thành phần ban đầu 0 và thành phần hiệu chỉnh Ä : = 0 + Ä với =1. Khâu trong hình 3.3.2.1. có chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển uđk= u. Tín hiệu này sẽ trực tiếp điều khiển đối tƣợng. Thiết kế khâu FC. Dải giá trị và các tập mờ của đầu vào 1. Hình 3.3.2.2. Tập mờ đầu vào 1. Dải giá trị và các tập mờ của đầu vào 2. Hình 3.3.2.3. Tập mờ đầu vào 2. - 48 -
  49. Dải giá trị và các tập mờ của đầu ra. Hình 3.3.2.3. Tập mờ đầu ra. Luật chỉnh định: Luật chỉnh định làm việc theo nguyên tắc: nếu sai lệch của hệ thống càng lớn thì tín hiệu hiệu chỉnh càng nhỏ và ngƣợc lại, nếu sai lệch của hệ thống càng nhỏ thì tín hiệu hiệu chỉnh càng lớn. e NB NS ZE PS PB de NB S B B B S dt NS S B B B S ZE S S B S S PS S B B B S PB S B B B S Bảng 3.3.2.4. Luật chỉnh định hệ số . Luật hợp thành là luật MAX-MIN, phƣơng pháp giải mờ là phƣơng pháp điểm trọng tâm. Do các tập mờ đầu vào và ra hai bên bảng luật chỉnh định là đối xứng nhau nên sẽ nhận giá trị nhƣ nhau với cùng một độ lớn nhƣng khác dấu của sai lệch e(t). Do đó, ta chỉnh lại các tập mờ vào ra và luật chỉnh định nhƣ sau: - 49 -
  50. Hình 3.3.2.5. Tập mờ đầu vào 1. Hình 3.3.2.6. Tập mờ đầu vào 2. E S M B de S B B S dt M B B S B B S S Hình 3.3.2.7. Tập mờ đầu ra thu gọn Bảng 3.3.2.8. Luật chỉnh định hệ số 3.4. GIỚI THIỆU VỀ CHIP PSOC SỬ DỤNG TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI. 3.4.1. Giới thiệu. PSoC là một từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Progammble System on Chip, nghĩa là hệ thống khả trình trên một chip. Các chip chế tạo theo “công nghệ PSoC” là các chip điều khiển thông minh với tính linh hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu và phát triển ban đầu khá thấp, giá thành chip thấp, hỗ trợ kỹ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ sử dụng. Hơn nữa, công nghệ này có khả năng kết nối mềm dẻo các khối chức năng với nhau hoặc các khối chức năng với các cổng vào ra. Chính vì vậy mà chip - 50 -
  51. PSoC có thể thay thế cho rất nhiều chức năng nền của một số hệ thống vi xử lý cơ bản chỉ bằng một chip đơn. Thành phần của chip PSoC bao gồm nhiều khối số và khối tƣơng tự có thể cấu hình đƣợc, một vi xử lý 8 bit, bộ nhớ chƣơng trình (EEPROM) và bộ nhớ RAM khá lớn. Để lập trình cho chip, ngƣời sử dụng đƣợc cung cấp một phần mềm lập trình riêng, cụ thể với các chip PSoC của hãng Cypress là phần mềm PsoC Designer. Ngoài ra, để cài đặt đƣợc chƣơng trình điều khiển vào chip và có thể sử dụng trình gỡ rối trong PSoC Designer thì ngƣời sử dụng phải có một Kit phát triển (ICE) do hãng Cypress sản xuất. Phần mềm phát triển đƣợc xây dựng trên cơ sở hƣớng đối tƣợng với cấu trúc module hóa các khối chức năng. Việc lập trình cho chip nhƣ thế nào tuỳ thuộc vào ngƣời sử dụng thông qua một số thƣ viện chuẩn. Ngƣời sử dụng thiết lập cấu hình trên chip chỉ đơn giản bằng cách muốn chip có chức năng gì thì chọn chức năng đó và đặt vào khối tài nguyên số hoặc tƣơng tự, hoặc cả hai tuỳ theo từng chức năng (Phƣơng pháp lập trình kéo thả). Việc thiết lập ngắt, thiết lập chế độ hoạt động các chân vào ra tuỳ thuộc vào ngƣời sử dụng khi thiết kế và lập trình cho chip PSoC. Trong đề tài :” Thiết kế bộ điều khiển hiện đại ứng dụng trong công nghiệp” của Th.S Nguyễn Trọng Thắng, tác giả sử dụng chip PSoC CY8C27443 thuộc họ CY8C27xxx. 3.4.2. Các thông số cơ bản của chip CY8C27443.  Bộ vi xử lý với cấu trúc Harvard. Tốc độ của bộ vi xử lý lên đến 24 MHz. Lệnh nhân 8 bit x 8 bit, thanh ghi tích lũy ACC là 32 bit. Hoạt động ở tốc độ cao mà năng lƣợng tiêu hao ít. Dải điện áp hoạt động từ 3.0 tới 5.25V. - 51 -
  52. Điện áp hoạt động có thể giảm xuống 1.0V khi sử dụng chế độ kích điện áp. Hoạt động trong dải nhiệt độ -40ºC đến 85ºC.  Các khối ngoại vi có thể đƣợc sử dụng độc lập hoặc kết hợp. 12 khối tƣơng tự cú thể đƣợc thiết lập để làm cỏc nhiệm vụ:  Các bộ ADC lên tới 14 bit.  Các bộ DAC lên tới 9 bit.  Các bộ khuếch đại có thể lập trình đƣợc hệ số khuếch đại.  Các bộ lọc và các bộ so sánh có thể lập trình đƣợc. 8 khối số có thể đƣợc thiết lập để làm các nhiệm vụ:  Các bộ định thời đa chức năng, đếm sự kiện, đồng hồ thời gian thực, bộ điều chế độ rộng xung có và không có dải an toàn (deadband).  Các module kiểm tra lỗi (CRC modules).  Hai bộ truyền thông nối tiếp không đồng bộ hai chiều (UART).  Các bộ truyền thông SPI Master và SPI Slave có thể cấu hình đƣợc.  Có thể kết nối với tất cả các chân vào ra.  Bộ nhớ linh hoạt trên chip. Không gian bộ nhớ chƣơng trình Flash từ 4K đến 16K, phụ thuộc vào từng loại chip với chu kì ghi xóa bộ nhớ Flash là 50.000 lần Không gian bộ nhớ RAM là 256 bytes. Chip có thể lập trình thông qua chuẩn nối tiếp (issp). Bộ nhớ flash có thể đƣợc nâng cấp từng phần. Chế độ bảo mật đa năng, tin cậy. Có thể tạo đƣợc không gian bộ nhớ flash trên chip lên tới 2,304 bytes. - 52 -
  53. Hình 3.4.2. Sơ đồ khối cấu trúc chip PSOC (cy8c27xxx) - 53 -
  54.  Có thể lập trình đƣợc cấu hình cho từng chân của chip. Các chân vào ra ba trạng thái sử dụng trigger schmitt. Đầu ra logic có thể cung cấp dòng 25ma với điện trở treo cao hoặc thấp bên trong. Thay đổi đƣợc ngắt trên từng chân. Đầu ra tƣơng tự có thể cung cấp dòng tới 40ma.  Xung nhịp của chip có thể lập trình đƣợc. Bộ tạo dao động nội tại 24/28mhz (độ chính xác 2,5%, không cần thiết bị ngoài). Có thể lựa chọn bộ tạo dao động ngoài lên tới 24mhz. Bộ tạo dao động thạch anh 32,768 khz bên trong. Bộ tạo dao động tốc độ thấp bên trong sử dụng cho watchdog và sleep.  Ngoại vi đƣợc thiết lập sẵn. Bộ định thời watchdog và sleep phục vụ chế độ an toàn và chế độ nghỉ. Module truyền thông i2c master và i2c slave tốc độ lên tới 400khz. Module phát hiện điện áp thấp đƣợc cấu hình bởi ngƣời sử dụng.  Công cụ phát triển. Phần mềm phát triển miễn phí (psoctm designer). Bộ lập trình và mô phỏng với đầy đủ chức năng. Mụ phỏng ở tốc độ cao. 3.4.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của chip psoc.  Ƣu điểm Tích hợp cpu, ram, rom và các ngoại vi thời gian thực (adc, dac, timer, counter, các cổng vào ra đa chức năng, các cổng truyền thông ) trên một chip. Cả tài nguyên phần cứng và phần mềm của chip đều có thể thay đổi trong quá trình hoạt động. - 54 -
  55. Có tính linh hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu và phát triển ban đầu khá thấp, giá thành chip thấp, hỗ trợ kĩ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ sử dụng. khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh, dễ dàng mở rộng các chức năng mới sau này. Thu gọn kích thƣớc sản phẩm, hạn chế các chip chuyên dụng hỗ trợ. Hạ giá thành sản phẩm, đẩy nhanh việc đƣa sản phẩm ra thị trƣờng. Cho phép lập trình các thuật xử lý phức tạp một cách dễ dàng bằng ngôn ngữ c hoặc assembly. Có khả năng tái cấu hình (reconfiguration) tạo thành nhiều loại chip có chức năng khác nhau trên một chip ở những thời điểm khác nhau trong một ứng dụng. Có khả năng xử lý hỗn hợp dữ liệu tƣơng tự và số.  Nhƣợc điểm: bên cạnh những tính năng ƣu việt trên, chip psoc vẫn tồn tại những nhƣợc điểm sau: Thời gian chuyển đổi tín hiệu từ tƣơng tự sang số (adc) còn khá lớn (nhất là bộ adc có độ rộng bit lớn) và phụ thuộc nhiều vào cpu – m8c. Không hỗ trợ giao tiếp với bộ nhớ ngoài. Không thể sử dụng toàn bộ các tính năng một lúc do hạn chế về không gian chứa tài nguyên. Tất cả các chân vào ra đều sử dụng chung một ngắt. - 55 -
  56. Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG 4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Một hệ truyền động điện đƣợc cấu thành bởi các bộ phận chính đó là: Bộ diều khiển. Bộ biến đổi. Động cơ chấp hành. Cơ cấu phản hồi. Bằng việc đƣa các thuật toán logic mờ vào chƣơng trình của vi điêu khiển, Th.S Nguyễn Trọng Thắng đã nghiên cứu và chế tạo thành công bộ điều khiển vạn năng sủ dụng chip PSoC CY8C27443 thuộc họ CY8C27xxx để điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều bằng phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng cấp cho động cơ. Trong đồ án này em xin đƣợc trình bày về tính toán, thiết kế chế tạo một hệ truyền động điện một chiều hoàn chỉnh ứng dụng bộ điều khiển vạn năng của Th.S Nguyễn Trọng Thắng. 4.2. THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ KHÂU PHẢN HỒI CHO HỆ THỐNG. 4.2.1. Thiết kế bộ chỉnh lƣu tạo điện áp nguồn. Động cơ điện một chiều kích từ song song với các thông số cơ bản: Pđm = 0,5 Kw Uđm = 120 V - 56 -
  57. Iđm = 4,2A n = 2500 v/p Từ giá trị điện áp định mức của động cơ ta chọn phƣơng án cấp nguồn cho động cơ sử dụng bộ chỉnh lƣu 1/2 chu kỳ dùng diode chỉnh lƣu trực tiếp từ điện lƣới 220V ~ xuống điện áp 130V DC cấp nguồn cho động cơ công suất cà tụ loc nguồn dùng diode công suất. Điện áp sau chỉnh lƣu 1/2 chu kỳ dung diode công suất: Ura = 0,45Un = 0,45.220 = 99 (V) ID = Itải = 4,15A Điện áp ngƣợc lớn nhất đặt lên diode: UN 2Un 2.220 311(V ) Từ các tính toán trên ta chọn loại diode công suất có dòng chịu tối đa Imax = 30A, điện áp ngƣợc tối đa UN < 800V. Do là chỉnh lƣu 1/2 chu kỳ nên điện áp sau chỉnh lƣu có độ đập mạch cao, vì lí do đó ta sử dụng thêm tụ lọc nguồn để san phẳng điện áp sau chỉnh lƣu nhằm tăng chất lƣợng cho bộ nguồn. Tụ công suất chọn loại SH.CAPACITOR cấp điện áp 500V, điện dung 20μF. Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lƣu: Hình 5.2.2.1 Sơ đồ nguyên lí bộ chỉnh lưu - 57 -
  58. Khi làm việc với dòng điện có dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất p, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác, van bán dẫn chỉ đƣợc phép làm việc dƣới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt cho van. Tồn thất công suất trên van: p = U . Ilv = 6 .4,15 = 24,9 (w) Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm = p/ (km . ) Trong đó: p - tổn hao công suất (w) - độ chênh lệch so với môi trƣờng. 0 Chọn nhiệt độ môi trƣờng Tmt = 40 C. Nhiệt độ làm việc cho phép của 0 0 Diode Tcp = 125 C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 80 c 0 = Tlv - Tmt = 40 c 2 0 Km hệ số toả nhiệt bằng đối lƣu và bức xạ. Chọn Km = 8 [ w/m . C ] 2 Vậy: sm = 0,0778 (m ) Chọn loại cánh toả nhiệt có 8 cánh, kích thƣớc mỗi cánh a x b = 8 x 6,5 (cm x cm). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: S = 8 . 2 . 8 .6,5 = 832 (cm2 ) - 58 -
  59. 4.2.2. Thiết kế mạch chuyển đổi công suất. Trong hệ truyền động điện, bộ chuyển đổi công suất có tác dụng nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và đƣa ra những tác động đến cơ cấu chấp hành theo những phƣơng án đƣợc định sẵn ( thay đổi điện áp phần ứng, thay từ thông, đảo chiều quay ) Bộ điều khiển vạn năng phát ra tín hiệu xung PWM để điều chỉnh van động lực thay đổi điện áp cấp cho phần ƣng động cơ, đồng thời cấp tín hiệu quyết định chiều quay của động cơ. Trong đồ án này em lựa chọn thiết kế hệ Xung áp – Động cơ sử dụng phƣơng pháp xung áp mạch đơn để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.  Tính toán lựa chọn van động lực: Điện áp sau chỉnh lƣu Ura = 130V. Giá trị điện áp đỉnh Uđỉnh = 311V. Dòng làm việc định mức của động cơ Iđm = 4,2A Tần số băm xung PWM từ bộ điều khiển Từ các thông số trên ta chọn van cho bộ biến đổi sử dụng IGBT loại FGA25N120AND với các thông số trong bảng sau: - 59 -
  60. - 60 -
  61. Bảng 4.2.2.1. Bảng thông số kỹ thuật IGBT FGA25N120AND  Tính toán bảo vệ cho van động lực: Tồn thất công suất trên van: p = U . Ilv = 0, 6 .4,15 = 2,49 (w) - 61 -
  62. Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm = p/ (Km . ) 0 Chọn nhiệt độ môi trƣờng Tmt = 40 C. Nhiệt độ làm việc cho phép của 0 0 Diode Tcp = 125 C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 80 c 0 = Tlv - Tmt = 40 c 2 0 Chọn Km = 8 [ w/m . C ] 2 Vậy: sm = 0,00778 (m ) Chọn loại cánh toả nhiệt có 8 cánh, kích thƣớc a x b = 5 x 5 (cm x cm). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: S = 8 . 2 . 5.5 = 400 (cm2 )  Thiết kế mạch điều khiển kích mở cho IGBT. Sơ đồ thiết kế mạch phát xung mở cho IGBT Hình 4.2.2.2. Mạch kích mở cho IGBT - 62 -
  63. Tín hiệu hiệu điều khiển dạng xung PWM từ bộ điều khiển cấp đến chân 1 của opto 4N35, đây là loại foto quang có tần số hoạt động cao lên tới 1MHz, linh kiên này rất thích hợp trong mạch kích mở IGPT nhằm tác dụng cách ly mát điều khiển và mát động lực. Dƣới đây là thông số kỹ thuật của linh kiện 4N35 lấy từ datasheet cung cấp bởi nhà sản xuất: Bảng 4.2.2.2. Thông số kỹ thuật opto 4N35 - 63 -
  64. Tín hiệu xung PWM từ chân 4 của opto 4N35 đƣợc đƣa qua 1 tầng khuếch đạ tín hiệu sủ dụng transistor D468, đây cũng là một loại transistor có tần số làm việc tƣơng đối cao thƣờng đƣợc sử dụng để khuếch đại tín hiệu mở van trong các mạch băm xung PWM.  Thiết kế mạch đảo chiều quay động cơ. Ở đây em lựa chọn phƣơng án đảo chiều quay động cơ bằng giải pháp đảo chiều điện áp phần ứng cấp cho động cơ. Tín hiệu đảo chiều quay cho động cơ cấp tù bộ điều khiển dƣới dạng logic mức cao đƣợc đƣa qua 1 opto PC817 nhằm cách ly mát điều khiển sau đó đƣa tới 1 tầng khuếch đại sử dụng transistor A1815 cấp nguồn cho cuộn hút role Omron đóng các cặp tiếp điểm đảo chiều điện áp cấp cho phần ứng động cơ. Dƣới đây là sơ đồ thiết kế cho mạch đảo chiều động cơ: Hình 4.2.2.3. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển đảo chiều quay động cơ - 64 -
  65.  Thiết kế khâu phản hồi tốc độ. Khâu phản hồi tốc độ xem Thấu Nguồn kính sử dụng encoder đo tốc độ.nguyên Bộ phân tích sáng lý làm việc của encoder nhƣ sau: quang Cấu tạo (hình vẽ) Gồm một nguồn sáng và một bộ phân phân sinh quang có thể là diot quang hoặc Tranzitor Hình 4.2.2.4: Nguyên tắc cấu tạo chuyển đổi quang. quang học Đĩa quay đƣợc đặt giữa hai phần tử trên. Cấu tạo của đĩa có thể làm bằng vật liệu trong suốt và có những mảng chắn ánh sáng gắn đều nhau hoặc ngƣợc lại đĩa có thể làm bằng vật liệu không cho ánh sáng chiếu qua trên chu vi của đĩa ngƣời ta tạo ra những (lỗ, khe) có khoảng cách đều nhau theo chu vi. Bộ phận phân tích nhận đƣợc lƣợng ánh sáng đƣợc điều khiển bởi đĩa quay, sẽ tạo ra một tín hiệu điện có tần số tỷ lệ với tốc độ quay còn biên độ độc lập với vận tốc. Khoảng đo vận tốc phụ thuộc: Một mặt số lần gián đoạn trên đĩa (số phần tử đánh dấu). Một mặt do băng thông của bộ phân tích và mạch điện đi kèm. Cụ thể trong mô hình này em sử dụng encoder của Sharp sản xuất, loại này có độ phân giải 100 xung/vòng, điện áp cấp nguồn 5V, gồm 2 tín hiệu xung riêng biệt A & B để xác định chiều quay của động cơ. Trục quay của encoder đƣợc kết nối với trục động cơ thông qua hệ thống buli - curoa với tỷ lệ truyền 1:4, nhằm làm giảm tốc độ quay của encoder giúp tăng đọ chính xác cho khâu phản hồi - 65 -
  66.  Thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển. Hình 4.2.2.4. Sơ đồ thiết kế mạch nguồn cho mạch điều khiển mở IGBT và mạch điều khiển đảo chiều quay động cơ Điện áp xoay chiều 12V qua cầu diode chỉnh lƣu thành điện áp một chiều đƣa qua IC ổn áp loại LM7812C/TO ổn định điện áp 12VDC cấp nguồn cho các linh kiện trong mạch điều khiển.  Hình ảnh thực tế mạch chuyển đổi công suất: Hình 4.2.2.5. Mạch mở IGBT - 66 -
  67. Hình 4.2.2.6. Động cơ một chiều sử dụng trong mô hình thực tế - 67 -
  68. KẾT LUẬN Trên đây em đã trình bày tất cả những cơ sở lỳ thuyết xoay quanh đề tài “Thiết kế hệ truyền động điện một chiều điều chỉnh tốc độ động cơ ứng dụng bộ điều khiển vạn năng” mà bản thân em đã thu thập đƣợc, từ đó chế tạo thành công và đƣa hệ thống vào hoạt động nhƣ một bài thí nghiệm thực tế về hệ truyền đông điện một chiều. Sau khi hoàn thành đồ án này đã giúp em đạt đƣợc những vấn đề sau: Tìm hiểu đƣợc các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Tìm hiểu đƣợc bộ điều khiển vạn năng xây dụng trên nền vi điều khiển PSOC. Thiết kế hệ thống truyền động điện động cơ một chiều sử dụng bộ điều chỉnh vạn năng. Với vốn kiến thức còn hạn hẹp của bản thân, cộng thêm nguồn tài liệu có những hạn chế nhất định mà đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc ý kiến góp ý, cũng nhƣ những lời nhận xét từ phía các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn sinh viên, đồng nghiệp đế đồ án này đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin cảm ơn !!! - 68 -
  69. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 2. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn – TS Nguyễn Tiến Ban, Điều khiển tự động các hệ thống Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 3. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy Điện, Nhà xuất bản Xây Dựng. 4. Lê Văn Doanh – Nguyễn Thế Công – Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất Lý thuyết thiết kế ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 5. Nguyễn Xuân Phú - Tô Đằng (1996), Khí cụ điện-Kết cấu sử dụng và sửa chữa, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 6. Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittric, Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 7. Phạm Văn Chới ( 2005),Khí Cụ Điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 8. ThS. Pham Thanh Huyền – ThS. Đỗ Việt Hà, Linh kiện điện tử căn bản, Nhà xuất bản Thông tin và truyền thông. 9. Trần Văn Thịnh, Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhá xuất bản Giáo dục. 10. Website www.ebook.edu.vn 11. Website www.xbook.com.vn 12. Website tailieu.vn - 69 -
  70. Mục lục LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG. 3 1.1.1. Khái niệm. 3 1.1.2. Ƣu điểm của động cơ điện một chiều. 3 1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 5 1.3. PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ 8 1.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 9 1.4.1. Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song . 9 1.4.2. Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp. 10 1.4.3. Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp 12 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU & MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU 13 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG. 13 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP CỤ THỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 14 2.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp 15 2.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông . 19 2.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng. 21 2.3. MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU. 22 2.3.1. Hệ truyền động Máy phát – Động cơ (F - Đ) 22 2.3.2. Hệ truyền động Van tiristor – Động cơ(T – Đ). 23 2.3.3. Hệ truyền động Xung áp – Động cơ (XA - Đ) 25 2.3.3.1. Nguyên lý bộ băm xung một chiều. 25 2.3.3.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra. 25 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI 27 3.1. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ. 27 3.1.1. Khái quát về logic mờ - Fuzzy Logic 27 3.1.2 Một số khái niệm về tập mờ - Bộ điều khiển mờ. 28 3.1.2.1. Tập mờ - Các khái niệm xoay quanh tập mờ 28 3.1.2.2. Bộ điều khiển mờ. 29 - 70 -
  71. 3.1.2.3. Các nguyên tắc chung thiết kế bộ điều khiển mờ. 37 3.1.2.4. Một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển mờ tiêu biểu. 38 3.1.2.5. Kết luận. 38 3.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ. 39 3.2.1. Luật điều khiển tỷ lệ số. 39 3.2.2. Luật điều khiển tích phân số. 39 3.2.3. Luật điều khiển vi phân số. 40 3.2.4. Luật điều khiển PID số. 40 3.3. CHỈNH ĐỊNH MỜ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID. 41 3.3.1. Phƣơng pháp chỉnh định của Zhao, Tomizuka và Isaka. 41 3.3.2. Phƣơng pháp chỉnh định mờ hệ số α. 46 3.4. GIỚI THIỆU VỀ CHIP PSOC SỬ DỤNG TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI. 50 3.4.1. Giới thiệu. 50 3.4.2. Các thông số cơ bản của chip CY8C27443. 51 3.4.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của chip psoc. 54 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VẠN NĂNG 56 4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 56 4.2. THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ KHÂU PHẢN HỒI CHO HỆ THỐNG. 56 4.2.1. Thiết kế bộ chỉnh lƣu tạo điện áp nguồn. 56 4.2.2. Thiết kế mạch chuyển đổi công suất. 59 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 - 71 -