Điều chỉnh động cơ một pha bằng biến tần áp gián tiếp

c tạo ra bởi máy điện xoay chiều sẽ được tích luỹ vào khâu dòng điện một chiều, trong bộ lọc dùng tụ điện. Trên cơ sở về lý thuyết biến tần thì ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần động cơ được biểu diễn trên Hình 2.4. 36 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ Nguyên lý hoạt động của biến tần áp một pha: nguồn điện được cấp từ phía sơ cấp của máy biến áp có tần số f1 sau đó qua máy biến áp có điện áp thứ cấp u2. Dòng điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu cầu để tạo ra dòng điện một chiều. Tụ C có tác dụng lọc nhằm giảm độ đập mạch của điện áp sau khi chỉnh lưu. Sau đó dòng điện một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu, tại đây dòng điện một chiều được biến thành dòng điện xoay chiều có tần số f2. Tần số f2 thay đổi phụ thuộc vào quá trình đóng, mở của các transitor của mạch nghịch lưu. Việc đóng, mở của các transitor được thực hiện bởi mạch điều khiển. Mạch điều khiển này nhận tín hiệu từ bộ vi xử lý đã được lập trình theo một thuật toán nhất định. 2.2 Xây dựng luật điều khiển Việc điều khiển tần số của động cơ được thực hiện nhờ mạch nghịch lưu. Tần số của dòng điện đưa vào động cơ chính là tần số đóng mở của hai cặp Transitor trong mạch nghịch lưu. Quá trình đóng mở hai cặp transitor này được thực hiện nhờ mạch điều khiển. Mạch điều khiển này và mạch lực của bộ biến tần tạo thành bộ điều chỉnh của hệ ổn định tốc độ động cơ. Việc tổng hợp hệ thống điều chỉnh sẽ được trình bày ở trong chương 3. 37 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY BẰNG BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA Khi nói đến hệ thống điều chỉnh tự động, người ta thường quan tâm đến ba vấn đề: Đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển và thiết bị điều khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp là phương pháp điều khiển. Còn các bộ biến tần và các thiết bị phụ khác là thiết bị điều khiển. 3.1 Hệ thống điều khiển mạch vòng kín Hệ thống điều khiển mạch vòng kín được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng cũng như trong công nghiệp. Trong dân dụng chúng ta gặp các hệ thống ổn định nhiệt độ bàn là, tủ lạnh… Trong kỹ thuật chúng là những hệ thống ổn địnhnhiệt độ trong các lò nung, lưu lượng trong các đường ống dẫn, điện áp ra của máy phát điện…Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển mạch vòng kín ổn định tốc độ được biểu diễn trên Hình 3.1 Hình 3.1 Mạch vòng ổn định tốc độ ĐTĐK là đối tượng điều khiển TBĐK là thiết bị điều khiển u là tín hiệu đặt đầu vào y là tín hiệu đầu ra e là sai lệch uđk là tín hiệu điều khiển 38 Tốc độ làm việc do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt. Khi có tín hiệu đầu vào u đặt ở đầu vào thì ở đầu ra sẽ có tín hiệu đầu ra là y, nhờ có cảm biến đo tốc độ mà tín hiệu đầu ra được phản hồi trở lại và nhờ có khâu so sánh ta biết được đầu ra có thoả mãn được yêu cầu của đầu vào không. Khi có sự sai lệch thì khâu so sánh sẽ đưa ra tín hiệu sai lệch và thiết bị điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển uđk để điều khiển đối tượng điều khiển nhằm đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn thoả mãn yêu cầu của đầu vào. 3.2 Cảm biến tốc độ Một công việc rất quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động là đo được các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảm biến. Để đo tốc độ động cơ ta dùng cảm biến tốc độ. Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho tới nay có rất nhiều phương pháp khác nhau và mỗi một phương pháp có các ưu điểm và nhược khác nhau. Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý điện từ Các cảm biến theo nguyên lý này dựa trên định luật Faraday: de = - dt φ (3.1) Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dΦ trong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng: Φ(x) =Φo(x).F(x) (3.2) Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trí theo góc quay. Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông ( phần cảm) và mạch có từ thông đi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ 39 tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó tín hiệu ra của cảm biến. o dF(x) dxe = - dx dt φ (3.3) Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độ kế một chiều (máy phát tốc), tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ). Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều Hình 3.2 Máy phát đồng bộ Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung Các cảm biến theo nguyên lý này có vật trung gian thường dùng là đĩa được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu hiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, điểm sáng (mặt phản xạ)… 40 Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp một tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết dưới dạng: f = p.N (3.4) Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩa và N là số vòng quay của đĩa trong một giây. Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan đến bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó. - Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ. - Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật quay là một hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến. - Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung gian quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ. Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạo của động cơ (quạt) và tín hiệu cần lấy ra. Hơn thế nữa việc xử lý tín hiệu ra của cảm biến được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa chọn loại cảm biến để đo tốc độ là cảm biến quang. Cảm biến quang Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang được biểu diễn trên hình 3.4. - Khối tạo nguồn tạo nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưu D1 các tụ lọc và IC LM7805 để ổn nguồn 5V - Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trên hệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi của điểm sáng. 41 - Một LM234 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch so sánh như Hình vẽ 3.3. Sử dụng để so sánh với giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tín hiệu đo được từ cảm biến đặt vào đầu đảo. Hình 3.3 IC khuyếch đại thuật toán LM234 42 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang - Một IC74HC04 là IC gồm 4 cổng NOT mục đích của việc đưa thêm cổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệu vào vi xử lí. Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùng để đặt các giá trị. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn LED để báo hiệu có tín hiệu hay không. 43 Trên sơ đồ Hình 3.4 có đưa ra ba đầu ra ứng với ba cảm biến. Do trong mô hình hệ thống thí nghiệm sấy có ba vị trí dùng quạt. Mỗi quạt có một cảm biến để đo tốc độ của quạt, do đó cần ba đầu ra cảm biến. + Nguyên lý hoạt động Để sử dụng để đo được tốc độ quạt thì trên các quạt cần dán các tấm phản xạ có độ phản xạ tốt. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà ta chỉ dán một tấm phản xạ. Đặt các đầu thu phát cách tấm phản xạ khoảng 5mm và các cặp thu phát được đặt song song với nhau. Nguyên tắc thực hiện đo bằng việc so sánh hai điện áp vào hai đầu vào đảo (U-) và không đảo (U+) của mạch so sánh. Nếu U+>U- Thì đầu ra Ura sẽ có mức cao xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi. Ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp. Phần phát luôn luôn được cấp nguồn để phát ra tia hồng ngoại khi quạt quay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ quay đến đối diện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ từ tấm phản xạ đến phần thu. Lúc này do tính chất cấu tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoại chiếu vào điện trở của nó giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vào cường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh sẽ gần như được nối đất U- ≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt vào đầu không đảo của bộ so sánh đó. Giá trị điện áp đầu vào không đảo của mạch so sánh sẽ được đặt và điều chỉnh bởi các biến trở ở đây đặt U+ ≈ 2V. Lúc này U+ > U- nên ở đầu ra so sánh sẽ có một điện áp Ura ≈ 5V. Ngược lại, khi mà tấm phản xạ lệch khỏi vị trí đối diện với phần phát lúc này tia phản xạ lệch khỏi phần thu nên giá trị điện trở của phần thu gần như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của bộ so sánh sẽ xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi của nó U- ≈ 5V. Lúc này thì U+ < U- nên ở đầu ra sẽ có mức thấp Ura ≈ 0V. 44 Như vậy mỗi lần có tia phản xạ đi qua thì ở đầu ra mạch so sánh sẽ cho ra một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào tần số quạt được tính theo công thức: f = p.N (3.5) Ở đây p = 1, N = 2800 vòng/phút → f = 2800 xung/phút. Vậy ứng với mỗi một xung là một vòng quay của động cơ. Nên việc đo tốc độ động cơ bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biến theo quan hệ như công thức (3.5) Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết các vi điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của các con so sánh đều được cho qua một cổng NOT. 3.3 Cơ cấu điều chỉnh tốc độ Cơ cấu điều chỉnh tốc độ trong mạch ổn định tốc độ là bộ biến tần trong đó gồm có mạch lực của bộ biến tần, mạch điều khiển và thiết bị cảm biến. Mạch lực có tác dụng tạo ra được nguồn điện có các thông số như điện áp và dòng điện thoả mãn với các thông số của động cơ và đặc biệt là có tần số thay đổi. Mạch điều khiển trong đó có bộ vi điều khiển và các thiết bị phụ trợ có tác dụng tạo ra tín hiệu điều khiển để đóng mở các Transitor theo một 45 luật điều khiển đã được lập trình trong chương trình của vi điều khiển. Mô hình toán học của bộ điều khiển này là cơ sở quan trọng để đi tới bài toán điều khiển. Để xây dựng được mô hình toán học hệ thống ta có hai phương pháp: phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết phải tính toán rất phức tạp, trên cơ sở đã có mô hình của hệ thống ta tiến hành xây dựng của bộ điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm. Thông tin hệ thống Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy Hoạt động của hệ thống: Không khí được đưa vào buồng sấy qua ống dẫn 1 nhờ quạt I và được gia nhiệt và tạo ẩm đến một giá trị quy định sẵn. Sau đó không khí trong buồng trộn được thổi vào hai ống sấy II và III với một tốc độ đặt trước nhờ điều khiển tốc độ của quạt gió. 3.3.1 Hàm truyền của đối tượng điều khiển a) Phương pháp xây dựng hàm truyền cho đối tượng điều khiển 46 Để tổng hợp được bộ điều khiển, trước tiên chúng ta cần phải biết về đối tượng điều khiển, tức là cần phải có một mô hình toán học mô tả đối tượng. Việc xây dựng mô hình cho đối tượng được gọi là mô hình hoá. Trong thực tế, các phương pháp mô hình hoá được chia làm hai loại: phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên ngoài của đối tượng. Các quan hệ này được mô tả dưới dạng những phương trình toán học. Trong trường hợp sự hiểu biết về đối tượng không được đầy đủ để có thể xây dựng được một mô hình hoàn chỉnh, nhưng ta biết các thông tin ban đầu về dạng mô hình thì chúng ta phải áp dụng phương pháp thực nghiệm để hoàn thiện nốt việc xây dựng mô hình đối tượng trên cơ sở quan sát tín hiệu vào ra của đối tượng sao cho mô hình thu được bằng phương pháp thực nghiệm thoả mãn các yêu cầu của phương pháp lý thuyết đề ra. Phương pháp thực nghiệm đó được gọi là nhận dạng hệ thống điều khiển. Yêu cầu của mô hình tổng hợp được là: - Mô hình phải thuộc lớp mô hình tuyến tính thích hợp. - Mô hình phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất. Loại mô hình được lựa chọn: Với những ưu điểm như: mô hình đơn giản, ít chi phí, các tham số xác định dễ dàng, không tốn nhiều thời gian, mô hình cho phép dễ dàng theo dõi được kết quả điều khiển đối tượng và chỉnh định lại mô hình cho phù hợp, … Mô hình tuyến tính là loại mô hình được chúng tôi lựa chọn cho đối tượng. Với lớp mô hình thích hợp là mô hình liên tục có tham số. Mô hình liên tục có tham số có dạng hàm truyền là: 47 m 0 1 m n 0 1 n b b s ... b sG(s) a a s ... a s + + += + + + với m ≤ n (3.6) Trong đó: n, m có thể cho trước hoặc không cho trước; b0, b1, …, bm; a0, a1, …, an là các tham số cần xác định. Phương pháp nhận dạng: Phương pháp nhận dạng được sử dụng khi tiến hành thí nghiệm là phương pháp nhận dạng chủ động, tức là ta chủ động kích đối tượng bằng hàm Heaviside 1(t) ở đầu vào và thu được tín hiệu dưới dạng hàm quá độ h(t) ở đầu ra. Trên cơ sở hàm quá độ thu được h(t), chúng ta xác định các tham số b0, b1, … , bm, a0, a1, … , an cho mô hình trên. Để thực hiện được điều đó, trước hết chúng ta cần xem qua những kết luận có tính chất đặt cơ sở cho sự suy luận về dạng mô hình: Kết luận 1:- Nếu h(+0) = 0 thì n > m. Ngược lại nếu h(+0) ≠ 0 thì n = m. - Nếu d h(+0) = 0 dt thì n – m > 1. Ngược lại nếu d h(+0)¹ 0 dt ≠ thì n = m + 1. - Nếu h(+∞) = ∞ thì a0 = 0. - Nếu h(+∞) = 0 thì b0 = 0. - Nếu h(+∞) là một hằng số khác 0 thì trong G(s) có một khâu P nối tiếp với hệ số khuếch đại 0 0 bk = a . Không mất tính tổng quát, G(s) có thể được biểu diễn lại như sau: 48 G(s) = k. s)Ts)...(1Ts)(1T1( s)T's)...(1T's)(1T'(1 n21 m21 +++ +++ (3.7) Ở đây Ti và Ti’ là các hằng số thời gian. Không mất tính tổng quát ta giả thiết: T1 ≤ T2 ≤ … ≤ Tn và T1’ ≤ T2’ ≤ … ≤ Tm’. Kết luận 2: Nếu h(t) không lượn sóng và không giảm, tức là h(t) không chứa thành phần quá điều chỉnh, thì các tham số Ti, Ti’ của mô hình (3.7) tương ứng phải là những số thực và phải thoả mãn: Tn > Tm’, Tn-1 > Tm-1’, … , Tn-m-1 > T1’ (3.8) Kết luận 3: Nếu h(t) không lượn sóng, có độ quá điều chỉnh nhưng sau đó giảm dần về h(∞) = k và không nhỏ hơn k thì tham số Ti, Ti’ của mô hình (3.7) tương ứng phải là những số thực và tồn tại duy nhất một chỉ số l ∈ {1, 2, … , m} để một trong m bất đẳng thức (3.8) không được thoả mãn. Kết luận 4: Nếu h(t) có p điểm cực trị, trong đó điểm cực đại nằm trên đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(t) = k thì những tham số Ti, Ti’ của mô hình (3.7) tương ứng là những số thực và phải tồn tại p chỉ số trong khoảng {1, 2, … , m} để có p bất đẳng thức trong (3.8) không được thoả mãn. Kết luận 5: Nếu h(t) có vô số điểm cực trị cách đều nhau, trong đó điểm cực đại nằm trên đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(∞) = k thì mô hình (3.6) của nó phải có các điểm cực là những giá trị phức. Sau khi đã có hàm h(t) từ thực nghiệm, dựa vào những kết luận trên ta có thể xác định được các tham số cho mô hình của đối tượng điều khiển. Trong thực tế, người ta thường cố gắng đưa dạng mô hình của đối tượng điều khiển về các khâu cơ bản như: khâu quán tính bậc nhất (PT1), khâu quán tính - tích phân bậc nhất (IT1), khâu quán tính – tích phân bậc n (ITn), khâu quán tính bậc hai (PT2), khâu quán tính bậc n (PTn), khâu Lead/Lag, khâu dao động 49 bậc hai, hay kết hợp các khâu cơ bản. Sau đó, trên cơ sở các phương pháp kinh điển đã được nghiên cứu, ta có thể xác định được các tham số cho các mô hình này. b) Xây dựng mô hình cho đối tượng điều khiển Xây dựng hàm truyền W(s) với đầu vào đối tượng là tốc độ đặt và đầu ra là tốc độ mong muốn. Để tìm được hàm truyền trên ta kích thích hệ thống bằng hàm Heaviside 1(t) tại đầu vào tốc độ. Hàm 1(t) ở đây là tốc độ hay ta chuyển đổi thành hàm 1(t) của tần số kích xung mở các transitor. Đo ở đầu ra ta được đáp ứng quá độ htt(t). Người ta chia đối tượng khảo sát ra làm hai loại cơ bản: Đối tượng có tính tự cân bằng là đối tượng có khả năng tự hiệu chỉnh lại trạng thái cân bằng khi có nhiễu tác động phá vỡ cân bằng (đối tượng tĩnh). Đối tượng không tự cân bằng là đối tượng không có khả năng trạng thái cân bằng khi có nhiễu phá vỡ sự cân bằng của nó. Đối tượng ở đây là tốc độ của dòng khí. Khi ta cấp nguồn điện cho bộ biến tần, tốc độ tăng lên và tăng đến một tốc độ nào đó thì không tăng nữa và nó ổn định ở tốc độ này. Như vậy đối tượng của ta ở đây là đối tượng có tính tự cân bằng. Dạng tổng quát hàm truyền đạt của đối tượng có tính tự cân bằng được mô tả như sau: Wdt(s) = KdtW0(s) e -τs Trong đó Kdt là hệ số truyền của đối tượng; τ là thời gian trễ. W0(s) = + + + + + + + + m m-1 0 1 m-1 n n-1 0 1 n-1 b s b s ... b s 1 a s a s ... a s 1 50 Trong thực tế khâu tĩnh có thể lấy một trong các dạng điển hình sau: - Khâu quán tính bậc nhất: PT1: W(s) = + 1 Kdt 1 T s Đặc tính đường quá độ của hàm truyền như hình 3.6a - Khâu quán tính bậc nhất có trễ: dt o τsK .e W (s) 1 Ts − = + - Khâu quán tính bậc hai: PT2: W(s) = + +1 2 Kdt (1 T s)(1 T s) Đặc tính đường quá độ của hàm truyền PT2 như hình 3.6b. - Khâu quán tính bậc hai có trễ: dt o 1 2 τsK .e W (s) (1 T s)(1 T s) − = + + - Khâu quán tính bậc n: PTn: W(s) = nTs)(1 dtK + h(t) t t h(t 51 a, b, Hình 3.6 đặc tính quá độ của hàm truyền Ngoài ra còn có các mô hình Lag, và mô hình dao động bậc hai tắt dần. Dạng hàm truyền của nó như sau: - Mô hình Lag: W(s) = + + dt m K (1 T s)t 1 T s (Tt < Tm) - Mô hình dao động bậc hai tắt dần: W(s) = + + 2 2 2 kq s 2qDs q (0 <D <1). 3.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh Để tổng hợp được bộ điều chỉnh cho toàn bộ hệ thống, tức là xây dựng được các hàm truyền sao cho hệ thống làm việc được ổn định, đảm bảo yêu cầu công nghệ. Chúng tôi đã sử dụng thuật toán điều chỉnh là thuật toán PID số. PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển: Proportional – khuếch đại tỷ lệ, P; Integral – tích phân, I; và Derivative – vi phân, D. PID là một bộ điều khiển hoàn hảo bởi sự kết hợp hài hoà giữa ba luật điều khiển khác nhau: - Điều khiển tỷ lệ (P) là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai lệch đầu vào. - Phương pháp điều khiển tỷ lệ để lại một độ lệch sau điều khiển rất lớn. Để khắc phục ta sử dụng kết hợp điều khiển tỷ lệ với điều khiển tích phân (I). Điều khiển tích phân là phương pháp điều khiển tạo tín hiệu 52 điều khiển sao cho độ sai lệch giảm tới 0. Luật điều khiển tích phân còn gọi là điều khiển chậm sau. - Điều khiển vi phân (D): Khi hằng số thời gian hoặc thời gian chết của hệ thống rất lớn điều khiển theo P hoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta sử dụng kết hợp với điều khiển vi phân. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều khiển sao cho tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Luật điều khiển vi phân còn được gọi là điều khiển vượt trước. Mô hình liên tục của bộ điều khiển PID được mô tả như sau: t p D I 0 1 de(t)u(t) = k [e(t) + e(τ)dτ + T ] T dt∫ (3.9) Ở đây e(t) là sai lệch đầu vào; kp là hệ số khuếch đại; TI là hằng số tích phân; TD là hằng số vi phân. Ở trong hệ gián đoạn, đầu vào e(t) được thay bằng dãy {ek} có chu kỳ trích mẫu là TS, khi đó thuật toán PID số được xây dựng như sau: Thành phần khuếch đại uPt) = kpe(t) được thay bằng ukP= kpek Thành phần tích phân uI(t) = t p I 0 k e(τ)dτ T ∫ được xấp xỉ bằng ukI = k p S i i=1I k T e T ∑ 53 Thành phần vi phân uD(t) = p D de(t)k T dt được thay bằng ukD = p D k k-1 S k T (e - e ) T Thay các công thức xấp xỉ trên vào uk = ukP + ukI + ukD ta thu được mô hình không liên tục của bộ PID số k S D k p k i k k-1 i=1I S T Tu = k e + e + (e - e ) T T ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦∑ (3.10) Với thuật toán PID này, ta có thể tạo ra được các thuật toán điều khiển khác như: P, PI, PID. Nhưng vấn đề quan trọng là ta phải xác định được các tham số kp, TI, TD. Xác định tham số cho bộ điều chỉnh Khi ta đã xây dựng được hàm truyền của hệ thống, để hệ làm việc ổn định ta phải tổng hợp các bộ điều chỉnh tương ứng. Trong mô hình chúng tôi đã sử dụng bộ điều chỉnh PID kinh điển. Khi đó chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số kp, TI, TD của PID. Hiện có khá nhiều phương pháp xác định các tham số trên, song tiện ích hơn cả là các phương pháp sau: Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ của đối tượng (phương pháp thứ nhất của Ziegler – Nichols), phương pháp hàm chuẩn tối ưu và phương pháp xác định tham số theo tổng hằng số thời gian theo Kuhn. Tuỳ theo từng ứng dụng và đáp ứng quá độ của từng đối tượng chúng ta sẽ lựa chọn một trong số các phương pháp trên. 54 Phương pháp thứ nhất của Ziegler – Nichols Phương pháp này chỉ áp dụng cho đối tượng có đáp ứng quá độ có dạng bậc nhất có trễ. Từ hàm truyền của đối tượng ta dựng đáp ứng quá độ cho đối tượng này. Theo phương pháp này ta phải xác định ba thông số: L (hằng số thời gian trễ), k (hệ số khuyếch đại) và T (hằng số thời gian quán tính). Hình 3.7 Đặc tính quá độ của đối tượng L là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích 1(t) tại đầu vào. k = h(∞) Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức là điểm trên trục hoành có hoành độ bằng L. Khi đó T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) tại A đạt được giá trị k. Sau khi xác định được ba thông số trên Ziegler – Nichols đã nêu các biểu thức xác định các tham số kp, TI, TD như sau: - Nếu sử dụng bộ điều chỉnh là bộ khuyếch đại P có hàm truyền là kp thì chọn p Tk = kL 55 - Nếu sử dụng bộ PI có hàm truyền p I 1k 1+ T s ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ thì chọn p 0,9Tk = kL và I 10T = L 3 - Nếu sử dụng bộ PID có hàm truyền p D I 1k 1+ + T s T s ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ thì chọn p 1, 2Tk = kL , TI = 2.L, D LT = 2 Phương pháp hàm chuẩn tối ưu (tiêu chuẩn môđul tối ưu và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng). Ta giả thiết rằng các mạch điều chỉnh của mỗi đại lượng có chứa một phần có các hằng số thời gian lớn (hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian của cuộn dây kích từ…), và một phần có chứa các hằng số thời gian nhỏ (hằng số thời gian của các xen xơ, của mạch điều khiển transitor…). Đó là các thời gian thuần trễ bé hay thời gian trễ từ các bộ lọc. Hằng số thời gian bé chung được tính theo: ( )( ) ( ) nb1 b2 bn bK K=1 1+ s.T 1+ s.T ... 1+ s.T = 1+ s T⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠∑ (3.11) với n b bK K=1 T = T∑ và hàm truyền tương ứng với một khâu quán tính có hằng số thời gian bằng tổng các thời gian trễ cộng lại. Nguyên tắc chung là bù đủ các hằng số thời gian lớn trong mạch hở và chỉ còn lại hằng số thời gian bé và chất lượng của hệ được xác định bởi chính một hằng số thời gian bé này. Do vậy, khi hệ có một hằng số thời gian lớn, chọn bộ điều chỉnh PI, Khi hệ có hai hằng số thời gian lớn, chọn bộ điều chỉnh 56 PID. Trong trường hợp số lượng các hằng số thời gian lớn lớn hơn hai, dùng phương pháp nối tiếp các bộ điều chỉnh hay kết hợp với các phương pháp khác. Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Nếu đối tượng có hàm truyền: ( ) ( ) sn 0 K=1b K k 1W (s) = 1+ sT 1+ sT∏ Thì bộ điều chỉnh được chọn có dạng: ( )cn cK K=1I 1R(s) = 1+ sT sT ∏ Thông số của bộ điều chỉnh được chọn theo điều kiện: ns = nc và TcK = TK Sau khi đã bù đủ, hệ hở có dạng: ( )h I b kW (s) = sT 1+ sT Hệ kín có hàm truyền: ( )k I b h 1 1W (s) = =1 sT 1+ sT1+ 1+W (s) k (3.12) Khâu tích phân ở bộ điều chỉnh có chức năng triệt tiêu sai lệch tĩnh, và ở (3.12) chỉ cần xác địnhhằng số tích phân TI. 57 Bình phương môđul đặc tính tần hệ kín được xác định bởi: 2 k k k 2I I b 1W (jω) = W (jω)W (-jω) = T T1+ - 2T ω +... k k ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ (3.13) Điều kiện để hệ tối ưu còn là môđul của đặc tính tần hệ kín với tần số bé là một hằng: kW (jω) 1≈ (3.14) nghĩa là khi ω → 0, môđul đặc tính tần hệ hở kW (jω) →∞ , do đó trong hệ phải có khâu tích phân. Với tần số cao, điều kiện (3.14) không thể thoả mãn được, khi ω → ∞ thì kW (jω) 0→ . Do đó tần số cắt càng lớn càng tốt. Từ điều kiện (3.14), nếu không quan tâm đến thành phần bậc cao của ω thì ở mẫu số của (3.13) thành phần thứ hai phải bằng 0, nghĩa là: I b T = 2T k hay TI = 2k.Tb Hàm truyền của hệ kín sau khi đã chọn bộ điều chỉnh có dạng: * k 2 2 b b 1W (s) = 1+ s2T + s 2T Lưu ý rằng Tb là tổng của các thời gian trễ bé trong hệ, do đó không thể bù hằng số thời gian bé, vì đặc tính pha của khâu quán tính tương đương sẽ không tương đương với đặc tính pha của một khâu quán tính. Mặt khác, khi không có điều kiện bù đủ, mà cộng các hằng số thời gian bé còn lại vào Tb thì độ tác động nhanh của hệ sẽ giảm rõ rệt và không còn là tối ưu. Phương pháp hàm tối ưu được tổng kết như ở Bảng 3.1. 58 ns Bộ điều chỉnh Tm Tv TI 1 PI; n I sT +1 sT T1 -- 2kTb 2 PID; ( )( )n v I sT +1 sT +1 sT T1 T2 2kTb Bảng 3.1 Kết luận chương 3 Như vậy chương 3 đã nêu được các nguyên lý của cảm biến đo tốc độ và đã chế tạo được mạch cảm biến đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung. Ngoài ra chương này còn nêu cách xây dựng hàm truyền của đối tượng 59 Chương 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG VI XỬ LÝ 8051 4.1 Giới thiệu về vi xử lý 8051 4.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó. Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò vi-ba… Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây truyền tự động. Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng. 4.1.2 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển Bộ vi điều khiển thực ra là một loại vi xử lý trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung. Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lý, từ những năm 70 do sự phát triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chip ngày càng cao. Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lý 4 bit loại TMS1000 do công ty Texas Instruments vừa là nơi phát minh vừa là nơi sản xuất. Nhìn tổng thể thì bộ vi xử lý chỉ có chứa trên một chip những chức năng cần thiết để xử lí chương trình theo một trình tự, còn tất cả bộ phận phụ trợ khác cần thiết như: Bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ chuyển đổi AID, khối điều khiển, khối hiển 60 thị, điều khiển máy in, khối đồng hồ và lịch là những linh kiện nằm ở bên ngoài được nối vào bộ vi xử lý. Mãi đến năm 1976 công ty INTEL (Intelligen-Elictronics) mới cho ra đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048. Bên cạch bộ xử lí trung tâm 8048 còn chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ đếm và phát thời gian các cổng vào và ra Digital trên một chip. Các công ty khác cũng lần lượt cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit tương tự như 8048 và hình thành họ vi điều khiển MCS-48 (Microcontroller- Sustem-48). Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển đơn chip với tên gọi 8051. Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình thành họ vi điều khiển MCS-51. Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS-51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công ty hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty INTEL và rất nhiều công ty khác như: AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI … Ngoài ra còn có các công ty khác cũng có những họ vi điều khiển riêng như: Họ 68HCOS Của công ty Motorola Họ ST62 Của công ty SGS-THOMSON Họ H8 Của công ty Hitachi Họ PIC Của công ty Microchip 4.1.3 Khảo sát bộ vi điều khiển 8051 IC vi điều khiển 8051 thuộc họ MCS-51 có các đặc điểm sau: - 4 Kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051) - 128 Byte RAM - 4 Port I10 8 bit - Hai bộ định thời 16 bit - Giao tiếp nối tiếp - 64 KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng 61 - 64 KB không gian bộ nhớ dũ liệu mở rộng - Một bộ vi xử lý luận lí (thao tác trên các bit đơn) - 210 bit được địa chỉ hoá - Bộ nhân / chia 4μs a) Cấu trúc bên trong của 8051 Hình 4.1 Sơ đồ khối của IC vi điều khiển 8051 Phần chính của vi điều khiển 8051 là bộ xử lí trung tâm (CPU: Central Processing Unit) bao gồm: - Thanh nghi tích luỹ A. - Thanh ghi tích luỹ phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia. - Đơn vị logic học (ALU: Arithmetic Logiccal Unit). 62 - Từ trạng thái chương trình (PSW: Progam Status Word). - Bốn băng thanh ghi. - Con trỏ ngăn xếp. - Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic. Đơn vị xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài. Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm định thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp. Hai bộ định thời 16 bít hoạt động như một bộ đếm. Các cổng (port0, port1, port2, port3) sử dụng vào mục đích điều khiển. Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường dẫn bên ngoài. Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ phận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong dải rộng và được ấn định bằng một bộ định thời. Trong vi điều khiển 8051 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh ghi: -Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh. - Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí. Khi CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi. 63 b) Chức năng các chân vi điều khiển. Hình 4.2 Sơ đồ chân 8051 + Port0: Là port có hai chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) có hai chức năng như các đường IO. Đối với các thiết kế cỡ lớn (với bộ nhớ mở rộng) nó được kết hợp kênh giữa các bus. + Port1: port1 là một port I/O trên các chân 1÷8. Các chân được kí hiệu P1.0, P1.1, P1.2 … có thể dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần. Port1 không có chức 64 năng khác, vì vậy chúng ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bị ngoài. + Port2: Port2 là một port có công dụng kép trên các chân 21÷28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng. +Port3: Port3 là một port công dụng kép trên các chân 10 ÷17. Các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8051 như ở bảng sau: Bít Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.5 P3.7 RXD TDX INTO INT1 TO T1 WR RD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp Dữ liệu phát cho port nối tiếp Ngắt 0 bên ngoài Ngắt 1 bên ngoài Ngõ vào của timer/counter 0 Ngõ vào của timer/counter 1 Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Bảng 4.1 Chức năng của các chân trên port3 + PSEN (Progam Store Enable): 8051 có 4 tín hiệu điều khiển. PSEN là tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh. PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã lệnh. Khi thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao). + ALE (Address Latch Enable): Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE 65 một cách tương tự cho làm việc giải các kênh các bus địa chỉ và dữ liệu khi port0 được dùng trong chế độ chuyển đổi của nó: vừa là bus dữ liệu vừa là byte thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau đó, các đường port0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nửa sau chu kỳ của bộ nhớ. Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng là nguồn xung nhịp cho hệ thống. Nếu xung trên 8051 là 12 MHz thì ALE có tần số 2 MHz. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOV X, một xung ALE sẽ bị mất. Xung này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8051. + EA (Extemal Access): Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, 8051 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. Nếu EA được nối mức thấp, bộ nhớ bên trong chương trình 8051 sẽ bị cấm và chương trình thi hành từ EPROM mở rộng. Người ta còn dùng chân EA làm chân cấp điện áp 21 V lập trình cho EPROM trong 8051. + SRT (Reset): Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi trong 8051 được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. + Các ngõ vào bộ dao động trên chip: Như đã thấy trong các hình trên, 8051 có một bộ dao động trên chip. Nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19. Các tụ giữa cũng cần thiết như đã vẽ. Tần số thạch anh thông thường là 12 MHz. + Các chân nguồn: 8051 vận hành với nguồn đơn +5V. Vcc được nối vào chân 40 và Vss (GND) được nối vào chân 20. c) Tổ chức bộ nhớ. 8051 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng cho bộ nhớ riêng biệt cho chương trình dữ liệu. Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ liệu có 66 thể ở bên trong 8051, dù vậy chúng có thể được mở rộng bằng các thành phần ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộ nhớ chương trình và 64 Kbytes bộ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM và RAM trên chip, Ram trên chip bao gồm nhiều phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hoá từng bít, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt. Hình 4.3: Tóm tắt các vùng nhớ của 8051 Hai đặc điểm cần lưu ý là: - Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được xếp trong bộ nhớ và có thể được truy xuất trực tiếp như các địa chỉ ô nhớ khác. - Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với RAM ngoài như trong các bộ vi xử lý khác. d) Các thanh ghi chức năng đặc biệt. Các thanh ghi nội của 8051 được truy xuất ngầm định bởi bộ lệnh. Ví dụ lệnh “INT A” sẽ tăng nội dung của thanh ghi tích luỹ A lên 1. Tác động này được ngầm định trong mã lệnh. Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ chương trình được chọn qua PSEN Bộ nhớ dữ liệu được chọn qua WR và RD FFFF FFFF 00 0000 0000 FF 67 Các thanh ghi trong 8051 được định dạng như một phần của RAM trên chip. Vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một địa chỉ (ngoại trừ thanh ghi trực tiếp, sẽ không có lợi khi đặt chúng vào RAM trên chip). Đó là lý do để 8051 có nhiều thanh ghi. Cũng như R0 đến R7, có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR: Special Funtion Rgister) ở vùng trên của RAM nội, từ địa chỉ 80H đến FFH. Chú ý rằng hầu hết 128 địa chỉ từ 80h đến FFH không được định nghĩa. Chỉ có 21 địa chỉ SFR là được định nghĩa. Ngoại trừ thanh ghi tích luỹ (A) có thể được truy xuất ngầm như đã nói, đa số các SFR được truy xuất dùng địa chỉ trực tiếp, chú ý rằng một vài SFR có thể được địa chỉ hoá bit hoặc byte. Người thiết kế phải thận trọng khi truy xuất bit và byte. 8051 có các thanh ghi sau: - Từ trạng thái chương trình. - Thanh ghi B. - Con trỏ ngăn xếp. - Con trỏ dữ liệu. - Các thanh ghi port xuất nhập. - Các thanh ghi timer. - Các thanh ghi port nối tiếp. - Các thanh ghi ngắt. - Các thanh ghi điều khiển công suất. e) Bộ nhớ ngoài. 8051 có khả năng mở rộng bộ nhớ đến 64 K bộ nhớ chương trình và 64 K bộ nhớ dữ liệu bên ngoài. Do đó có thể dùng thêm ROM và RAM nếu cần. Khi dùng bộ nhớ ngoài, port0 không còn là một port I/O thuần tuý nữa. Nó được hợp kênh giữa bus địa chỉ (A0 ÷ A7) và bus dữ liệu (D0 ÷ D7) với tín hiệu ALE để chốt byte thấp của địa chỉ khi bắt đầu mỗi chu kỳ bộ nhớ. Port2 thông thường được dùng cho byte cao của bus địa chỉ. 68 Trong nửa đầu của mỗi chu kỳ bộ nhớ, byte thấp của địa chỉ được cấp trong port0 và được chốt bằng xung ALE. Một IC chốt 74HC373 (hoặc tương đương) sẽ giữ byte địa chỉ thấp trong phần còn lại của chu kỳ bộ nhớ. Trong nửa sau của chu kỳ bộ nhớ port0 được dùng như bus dữ liệu và được đọc hoặc ghi tuỳ theo lệnh. f) Hoạt động của bộ định thời (timer). Một định nghĩa đơn giản của timer là một chuỗi các flip-flop chia đôi tần số nối tiếp nhau, chúng nhận tín hiệu vào làm nguồn xung nhịp. Ngõ ra của tần số cuối làm nguồn xung nhịp cho flip-flop báo tràn của timer (flip- flop cờ). Giá trị nhị phân trong các flip-flop của timer có thể xem như số đếm số xung nhịp (hoặc các sự kiện) từ khi khởi động timer. Ví dụ timer 16 bit sẽ đếm lên từ 0000H đến FFFFH. Cờ báo tràn sẽ lên 1 khi số đếm tràn từ FFFFh đến 0000H. 8051 có 2 timer 16 bit, mỗi timer có bốn cách làm việc. Người ta sử dụng các timer để: Định khoảng thời gian, đếm các sự kiện và tạo tốc độ baud cho port nối tiếp trong 8051. Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer ở một khoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer. Cờ được dùng để đồng bộ hoá chương trình để thực hiện một tác động như kiểm tra trạng thái của các cửa ngõ vào hoặc gửi các sự kiện ra các ngõ ra. Các ứng dụng khác có thể sử dụng việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện (ví dụ: đo độ rộng xung). Đếm sự kiện dùng để xác định số lần xảy ra của một sự kiện. Một “sự kiện” là bất cứ tác động nào có thể cung cấp một chuyển trạng thái trên một chân của 8051. Các timer cũng có thể cung cấp xung nhịp tốc độ baud cho port nối tiếp trong 8051. Truy xuất timer của 8051 dùng 6 thanh ghi chức năng đặc biệt cho trong bảng sau: 69 SFR MỤC ĐÍCH ĐỊA CHỈ Địa chỉ hoá từng bit TCON TMOD TL0 TL1 TH0 TH1 Điều khiển timer Chế độ timer Byte thấp của timer 0 Byte thấp của timer 1 Byte cao của timer 0 Byte cao của timer 1 88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH Có Không Không Không Không Không Bảng 4.2 Thanh ghi chức năng đặc biệt dùng timer Ngoài ra, họ vi xử lý còn có tập lệnh và các cách ghép nối với bên ngoài. Trong khuôn khổ của đề tài chỉ tìm hiểu những phần chính nên phần này không được trình bầy. 4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển Trong chương 3 ta đã tìm hiểu cách xây dựng hàm truyền của đối tượng, các phương pháp xây dựng luật điều khiển cũng như các phương pháp xác định tham số của bộ điều chỉnh. Khi đã xác định được luật điều khiển và bộ tham số của bộ điều chỉnh thì ta tiến hành lập trình. Chương trình dưới đây lập trình cho vi xử lý 8051 với luật điều khiển PID. Chương trình điều khiển tốc độ động cơ (Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và được dịch ra mã máy bằng phần mềm μVision 2.2) ************************************************************** #include #include unsigned char n=0,m=0,k=0; char error_spe_current,error_spe_past=0; int total_error_past=0,cospe,speed=-9216,total_error_current; float Uk,P,I,D; 70 #define Kp 75.56 #define Ti 19.38 #define Td 0 #define setspe 40 void ex0_ISR(void) interrupt 0 { ET0=1; n++; } void timer0_ISR(void) interrupt 1 { m++; TL0=0x00; TH0=0x4C; TR0=1; } void timer1_ISR(void) interrupt 3 { if(k==0) { P2_0=0; P2_1=0; k++; TL1=speed&0xFF; TH1=speed>>8; TR1=1; } else if(k==1) 71 { P2_0=1; P2_1=1; k++; TL1=0xF6; TH1=0xFF; TR1=1; } else if(k==2); { P2_2=0; P2_3=0; k++; TL1=speed&0xFF; TH1=speed>>8; TR1=1; } else { k=0; P2_2=1; P2_3=1; TL1=0xF6; TH1=0xFF; TR1=1; } } float R(void) { error_spe_current=setspe-n; 72 total_error_current=total_error_past + error_spe_current; P=Kp*error_spe_current; I=Kp*(total_error_current)/Ti; D=Kp*Td*(error_spe_current - error_spe_past); Uk=(P+I+D); total_error_past=total_error_current; error_spe_past = error_spe_current; return(Uk); } int Cospeed(void) { int cospe; R(); cospe=setspe*81-(int)(Uk); if(cospe<4608) cospe=4608; else if(cospe>23040) cospe=23040; else _nop_(); speed=-cospe; return(speed); } void kiemtra_1s(void) { if(m==20) { m=0; Cospeed(); } 73 else _nop_(); } void main(void) { TMOD=0x11; IE=0x89; TF0=1; TF1=1; while(1) { kiemtra_1s(); } } ************************************************************** 74 CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA 5.1 Thiết kế và chế tạo mạch cụ thể Thiết kế và chế tạo mạch cụ thể là một khâu rất quan trọng trong hệ thống bởi vì có thiết kế và tính toán chính xác thì hệ thống mới làm việc chính xác và ổn định được. Như vậy nội dung của chương này sẽ trình bày các bước tính toán và lựa chọn các linh kiện, thiết bị chính của mạch lực biến tần. Ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tần động cơ như sau: Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ Để tính toán thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho hệ biến tần ta xuất phát từ các thông số của động cơ. Động cơ là loại động cơ điện xoay chiều một pha có các thông số: Uđm = 220 V η = 0,86 Iđm = 0,22 V cosϕ = 0,8 Pđm = 38 W nđm = 2800 v/phút p = 1 5.1.1 Thiết kế mạch lực 75 Từ sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển ta có sơ đồ mạch lực như hình vẽ: Hình 5.2 Sơ đồ mạch lực Đây là một khối rất quan trọng trong hệ thống, nó có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số mong muốn, đáp ứng được yều cầu điều khiển tốc độ động cơ. Hoạt động của biến tần được điều khiển bởi vi xử lý tín hiệu số. Bộ biến tần mà ta đang nói đến ở đây là bộ biến tần nguồn áp gián tiếp tức là trong một chu kỳ điện áp xoay chiều của lưới điện vào thì sự thay đổi của điện áp nguồn đó được bỏ qua. Điện áp một chiều dùng cho biến tần được lấy từ bộ chỉnh lưu và được lọc bởi tụ có dung lượng lớn. Vai trò của tụ C là đảm bảo quá trình quá độ của hệ thống và việc đóng cắt bên trong nghịch lưu không làm thay đổi lớn điện áp một chiều đầu vào. Đối với bộ các biến tần gián tiếp cấp cho các động cơ người ta thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp với các van bán dẫn là IGBT (INSULSTED GATE BIPOLAR TRANSISTOR – TRANSISTOR có cực cửa cách ly) bởi nó có nhiều tính ưu việt như tốc độ chuyển mạch nhanh, công suất điều khiển yêu cầu rất nhỏ. Việc sử dụng chúng làm đơn giản đáng kể khi thiết kế các bộ biến đổi, làm cho kích thước của hệ thống điều khiển ngày càng thu nhỏ. Bốn điốt ngược đóng vai trò trao đổi công suất phản kháng với nguồn và bảo vệ quá điện áp cho IGBT khi IGBT khoá. Tính chọn các van nghịch lưu. Để chọn được các van ta cần biết được điện áp ngược đặt lên van và 76 dòng điện max. Điện áp ngược đặt lên mỗi van (Transitor) chính là điện áp một chiều nuôi biến tần , suy ra: Ungmax = Umc = 2 Uđm = 2 . 220 = 311 (V) Dòng điện trung bình chạy qua van được tính thông qua dòng điện động cơ. Do cùng một thời điểm dòng điện đi qua đồng thời hai transitor nên dòng điện chạy qua một transitor là: dcvan II = 2 = 0,22 2 = 0,11 (A) Chọn Transitor với hệ số dự trữ điện áp ku = 1,6 và hệ số dự trữ dòng điện ki = 1,2. Ta phải chọn van ít nhất chịu được điện áp ngược 1,6 * 311 = 498 (V), và dòng điện trung bình 1,2 * 0,11 = 0,132 (A). Tra tài liệu điện tử công suất ta chọn được một số loại sau: 2SC2335 (500V/ 7A) BUT56A 2SC2979 (900V/ 3A) 2SC3039 (500V /7A) 2DS1710 (1500V /3A) BU126(750V /3A) BU4508DX(700V/ 8A) BU205 (700V/ 2,5A) Thực tế chọn transitor 2SC2335. Tính chọn các điot chống ngược cho các Transitor Dòng điện trung bình qua điốt : ID =Im(1- μ)/2 = 2 .0.22(1-0.8)/2 = 0.311A Với Im là giá trị đỉnh của dòng điện Im = 2 .Iđm Dòng trung bình tính chọn : 77 IDtt= KI.ID = 1,2.0,311 = 0.37A Điện áp ngược tính chọn : UDtt = KU.UD = UTtt = 390 V Chọn điot chống ngược của Nga D2485(5A – 400V) Tính chọn tụ C Với chức năng phóng nạp khi điện áp thay đổi, tụ C được mắc giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu để ổn định điện áp đầu vào nghịch lưu tạo nên nguồn áp, bên cạnh đó tụ C còn đóng một vai trò quan trọng khi tải có tính chất cảm kháng (động cơ). Tụ C sẽ là phần tử trao đổi công suất phản kháng cho tải. Thông thường tụ C được tính toán dựa vào tải, thường có dung lượng lớn. Tụ C là một phần tử rất quan trọng trong mạch nghịch lưu điện áp vì vậy việc lựa chọn tụ đòi hỏi độ chính xác. Tụ C với vai trò bảo vệ quá áp trong quá trình đóng cắt và trao đổi công suất phản kháng với tải, nếu điện dung tụ không đủ lớn thì sẽ không thực hiện được chức năng bảo vệ có thể dẫn đến nổ tụ, ngược lại nếu tụ C lớn thì sẽ kích thước lớn dẫn đến giá thành cao. Vì thế khi lựa chọn ta phải dựa vào nhiều yếu tố, thông thường trong thực tế người ta thường chọn tụ C theo công thức sau đây: 2 30sin ΔUf η.I 2 3C 0 2 Cx M −= ϕ trong đó: η là hệ số lấp đầy tải, chọn ηmax= 0,85; IM giá trị đỉnh của dòng tải; ΔUC độ biến thiên điện áp thường lấy bằng 0,1; fx tần số cắt xung; φ góc tải(cosφ=0,7 ⇒ φ = 44,420). Thay các thông số của động cơ vào ta tính được giá trị của tụ C. 78 0 0 0 2 2M 3 x C η.I3 30 3 0,85.0,22 2 44,42 30C sin sin 36 F 2 f ΔU 2 2 1.10 .0,1 2 ϕ− −= = = μ Vậy chọn tụ C loại 47 μF Tính chọn mạch tạo nguồn điện một chiều có điện áp Umc=311 cung cấp cho biến tần Điện áp sau chỉnh lưu cần điện áp là 311V. Dòng điện một chiều sau chỉnh lưu: dc mc d mc P 38I = I = = = 0,12 U 311 (A) Vì điện áp chỉnh lưu lớn hơn 220V nên cần tăng áp trước chỉnh lưu. Sụt áp sau hai điot chỉnh lưu xấp xỉ khoảng 2V nên điện áp đầu vào chỉnh lưu là: Uđv= cl U .π 311.π= = 348 2 2 2 2 (V) Vậy chọn biến áp có tỷ số tăng áp là: K = 348 220 = 1,6 Điện áp đặt lên điot: Ung D= 2 Uđv = 2 .348 = 492 (V) Vì dòng điện đi qua hai điot tại một thời điểm nên dòng điện qua một điot là: ID = d dI I 0,12= = = 0,06(A) 2 2 2 Chọn điot với hệ số dự trữ Ki = 1,2 và Ku = 1.6. Vậy ta phải chọn điot ít nhất chịu được điện áp ngược là 1,6*492 = 787(V) và dòng điện trung bình là 1,2*0,06 = 0,07(A) Thực tế chọn cầu 5 A Thiết kế mạch điều khiển 79 Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Trong mạch gồm có mạch nguồn gồm: một biến áp nguồn, một cầu chỉnh lưu 2A, một tụ lọc 1000 μF, một điện trở hạn chế dòng 15KΩ, hai tụ 104 μF, một tụ 100 μF, một đèn LED báo hiệu và một bộ ổn nguồn L7805. Mạch nguồn này tạo ra nguồn một chiều 5V cung cấp nguồn cho bộ vi xử lý. Mạch có bộ vi xử lý AT89C52, bộ tạo dao động thạch anh ngoài ra còn có các tụ, điện trở và nút ấn. Mạch cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển Chọn 4 bộ cách ly 4N35 (100mA – 55V) mắc theo kiểu Dalinton với transitor của mạch lực. 80 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Sau một thời gian nghiên cứu đề tài, mặc dù gặp nhiều khó khăn nhưng với nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Văn Đường cùng với sự giúp đỡ của bạn bè đến nay đề tài tốt nghiệp của tôi đã cơ bản hoàn thành. Từ kết quả nghiên cứu được trong đề tài “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp gián tiếp”. chúng tôi mạnh dạn đưa ra một số kết luận và đề nghị sau: 1. Kết luận a) Mặt tích cực - Đề tài đã tìm hiểu được khái quát về động cơ không đồng bộ, về các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Từ đó phân tích vai trò, ý nghĩa ứng dụng của phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp trong thực tế. - Nghiên cứu về các loại biến tần cụ thể là biến tần áp gián tiếp một pha. - Đã áp dụng tốt các kiến thức mới mẻ về các bộ điều chỉnh PID và các bộ điều chế độ rộng xung trong việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ. - Từ thực tế trực tiếp tính toán, thiết kế và lắp ráp các mạch điện tử chúng tôi đã củng cố thêm được những kiến thức, kỹ năng và khả năng tư duy giải quyết các vấn đề. - Nghiên cứu về bộ vi xử lý 8051 từ đó lập trình điều khiển đối tượng với sơ đồ công nghệ thực tiễn. - Trong đề tài có sử dụng cảm biến đo tốc độ theo nguyên ký đếm xung. Đây là nguyên lý đơn giản có độ chính xác và độ nhạy tương đối cao đảm bảo chất lượng tốt trong điều khiển. b) Mặt hạn chế Do điều kiện và khả năng còn hạn chế nên việc xây dựng mô hình chưa 81 được hoàn thiện. Chưa đo được số liệu cụ thể để tổng hợp hệ thống. c) Mặt nhận thức Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu để thực hiện đề tài ngoài những hiểu biết vô cùng quan trọng về sự phát triển của công nghệ tự động hoá, việc ứng dụng của tự động hoá vào sản xuất… Đề tài còn giúp tôi có thêm kiến thức thực tế về áp dụng tự động hoá trong nông nghiệp, một lĩnh vực vô cùng quan trọng và cũng là nhiệm vụ của một kỹ sư tự động hoá nông nghiệp. 2. Kiến nghị Trong quá trình thiết kế mô hình thực tế, do thời gian và nhận thức còn hạn chế về trang thiết bị nên không tiến hành đo được số liệu cụ thể. Kính mong bộ môn cùng Khoa Cơ điện tạo điều kiện tốt hơn nữa về thời gian cũng như thiết bị dể đề tài có thể hoàn thiện tốt hơn và có tính ứng dụng thực tế cao.