TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Hiện nay, sự bùng nổ của cách mạng khoa học kỹ thuật đã nâng cao khả năng điều khiển tự động, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển động cơ DC Một trong những thách thức lớn là điều khiển tốc độ và vị trí biến thiên theo thời gian Mục tiêu chính của nhóm nghiên cứu là phát triển giải thuật điều khiển vị trí và tốc độ cho động cơ DC, đồng thời đồng bộ hóa hai động cơ về cả tốc độ lẫn vị trí Sự phát triển vượt bậc của thiết bị điện tử, đặc biệt là các bộ điều khiển như PLC từ các hãng Siemens, Rockwell, và Mitsubishi, đã góp phần quan trọng vào tiến bộ này Bên cạnh đó, sự phát triển của các dòng vi xử lý như Atmel và Microchip cũng đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động.
Trong hoạt động của các động cơ, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như robot và máy cuộn công nghiệp yêu cầu các phương pháp điều khiển khác nhau để đảm bảo tính ổn định cho từng ứng dụng Trong ngành công nghiệp cán thép và cán nhựa, tốc độ của hai động cơ cần đồng bộ với tỷ lệ chênh lệch xấp xỉ, không cần chính xác hoàn toàn về tần số Ngược lại, trong ngành sản xuất giấy, tốc độ và vị trí của hai động cơ phải chênh lệch rất nhỏ để tránh làm rách giấy Đối với ngành robot, việc đồng bộ cần độ chính xác cao, bao gồm cả lực tác động và cộng hưởng giữa các động cơ Đồng bộ tốc độ hai động cơ là việc điều khiển tốc độ hoặc vị trí của chúng, bất kể tải trọng khác nhau Điều này rất quan trọng trong các hệ thống truyền động điện sử dụng nhiều động cơ cho nhiều trục trong các công nghệ khác nhau.
Nhóm công nghệ cán thép bao gồm: Cán thép thanh, thép tấm, cán ống
Hình 1.1 Công nghiệp cán thép
Để sản xuất thanh thép chất lượng cao, hai động cơ ép cần phải có tốc độ tương đương nhau Sự chênh lệch tốc độ giữa hai động cơ càng nhỏ, sản phẩm tạo ra sẽ càng đẹp và đồng đều Do đó, việc đồng bộ hóa tốc độ của hai động cơ là rất quan trọng.
Nhóm công nghệ gia công sản phẩm từ hạt nhựa: Các máy sản xuất sợi từ hạt nhựa, các máy tráng, các máy sản suất ống nhựa …
Hình 1.2 Máy cán ống hút
Khi ép các ống hút, việc đồng bộ hóa tốc độ và vị trí của hai động cơ là rất quan trọng Nếu tốc độ của các động cơ chênh lệch ít, các ống hút sẽ có kích thước đồng đều Do đó, đảm bảo rằng hai động cơ hoạt động tỉ lệ với nhau là cần thiết để đạt được hiệu quả tối ưu.
Nhóm công nghệ sản xuất giấy bao gồm máy cuốn giấy và các thiết bị truyền động quấn tháo, với đặc điểm nổi bật là sử dụng nhiều trục truyền động và động cơ điện Yêu cầu quan trọng trong việc điều khiển các hệ thống này là đồng bộ hóa tốc độ của các trục truyền động để đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
3 Điều chỉnh mômen các động cơ truyền động để giữ sức căng không đổi; Điều khiển và giám sát công nghệ bằng mạng máy tính
Hình 1.3 Máy cán giấy trong công nghiệp
Trong ngành công nghiệp này, việc đồng bộ tốc độ của hai động cơ, một động cơ kéo và một động cơ xả, là cực kỳ quan trọng để đảm bảo giấy không bị rách Sự chính xác trong việc điều chỉnh tốc độ của hai động cơ sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Mục tiêu và giới hạn đề tài
Thiết kế và điều khiển đồng bộ vị trí và tốc độ cho hai động cơ một chiều
Nhận dạng hàm truyền hai động cơ, mô phỏng hệ thống với hai phương pháp đồng bộ
Hai phương pháp đồng bộ phổ biến là Master-Slave và Cross Coupling, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng So với việc không sử dụng phương pháp đồng bộ, cả hai phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các hệ thống điều khiển Phương pháp Master-Slave cho phép một thiết bị điều khiển nhiều thiết bị khác, trong khi Cross Coupling tối ưu hóa sự tương tác giữa các thiết bị Việc áp dụng các phương pháp đồng bộ này mang lại lợi ích rõ rệt trong việc giảm thiểu sai số và tăng cường khả năng hoạt động đồng thời của hệ thống.
Mô phỏng và đánh giá các bộ điều khiển đồng bộ trên MATLAB Simulink
Thực nghiệm và đánh giá các bộ điều khiển đồng bộ trên mô hình thực nghiệm với STM32F4 và MATLAB Simulink
Trong bài viết này, tác giả nghiên cứu việc đồng bộ hai động cơ bằng cách áp dụng giải thuật điều khiển PID Controller, sử dụng hai phương pháp đồng bộ là Master-Slave và Cross Coupling.
Sử dụng KIT STM32F04 kết hợp với phần mềm Matlab/Simulink cho phép điều khiển hệ thống hiệu quả, đồng thời áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để quản lý vận tốc và vị trí một cách chính xác.
Kết cấu đồ án
Phần còn lại của đề tài có nội dung nhƣ sau:
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương 3 Thiết kế phần cứng của hệ thống và thiết kế phần mềm của hệ thống
Chương 4 Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink
Chương 5 Kết quả thực tế của hệ thống
Chương 6 Kết luận – hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết phần cứng
2.1.1 Động cơ DC Động cơ một chiều (Direct Current Motor) là động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp một chiều Đầu dây ra của đông cơ thường gồm hai dây (dây nguồn VCC và dây tiếp đất GND) DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục
Khi cung cấp năng lượng, động cơ DC bắt đầu quay, chuyển đổi điện năng thành cơ năng Động cơ DC thường có tốc độ quay rất cao, với cường độ RPM có thể đạt từ 1000 đến 40.000 RPM khi không giảm tốc.
Động cơ điện một chiều bao gồm ba thành phần chính: stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp Stator được cấu tạo từ vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ và dây quấn phần cảm với nhiều bối dây được đặt trong các rãnh của lõi sắt Rotor được làm từ nhiều lá thép kỹ thuật điện.
Vỏ máy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các chi tiết bên trong, ngăn chặn vật lạ xâm nhập gây hỏng hóc cuộn dây và mạch từ Nó cũng giúp cách ly người sử dụng khỏi các bộ phận có điện và đang quay của máy Bên cạnh đó, vỏ máy còn đóng vai trò là giá đỡ ổ bi cho trục động cơ.
Cực từ chính là phần tạo ra từ trường, bao gồm lõi sắt và cuộn dây Lõi sắt được làm từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon dày, được ép chặt thành một khối và gắn vào vỏ máy bằng bulông Một cặp cực từ, gồm hai cực nam và bắc, được sắp xếp đối xứng qua trục động cơ, với số lượng có thể từ 1 đến nhiều cặp tùy thuộc vào hoạt động của động cơ Các máy điện nhỏ thường sử dụng cực từ bằng thép khối Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, được sơn cách điện và quấn thành từng cuộn, được mắc nối tiếp và bọc cách điện cẩn thận trước khi lắp vào các cực từ.
Cực từ phụ được lắp đặt giữa các cực từ chính nhằm cải thiện tình trạng đổi chiều Chúng được chế tạo từ thép khối và có các cuộn dây quấn trên bề mặt Dây quấn của cực từ phụ tương tự như dây quấn của cực từ chính.
Rotor, hay còn gọi là phần ứng, được cấu tạo từ nhiều lá thép kỹ thuật ghép lại Trên rotor có các rãnh để lắp đặt dây quấn phần ứng Điện áp một chiều được cung cấp cho phần ứng thông qua hệ thống chổi than và vành góp Cấu trúc của giá đỡ chổi than rất quan trọng trong hoạt động của rotor.
Chổi than và vanh góp có vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện một chiều cho cuộn dây phần ứng, đồng thời giúp đổi chiều dòng điện của cuộn dây này Hệ thống này có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực theo độ mòn của chổi than, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Hình 2.1 Cấu tạo động cơ DC 2.1.1.2 Nguyên lý làm việc
Động cơ điện một chiều thường bao gồm một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, với rotor được cấu tạo từ các cuộn dây quấn và kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng của động cơ này là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện để duy trì chuyển động quay liên tục của rotor Bộ phận chỉnh lưu thường gồm hai thành phần chính: bộ cổ góp và bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động
Khi trục của động cơ điện một chiều bị kéo bởi lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, tạo ra xuất điện động cảm ứng (Electromotive force) Trong chế độ bình thường, rotor quay sẽ phát ra điện áp gọi là sức phản điện động (counter-EMF), đối kháng với điện áp bên ngoài Sức điện động này tương tự như sức điện động khi động cơ hoạt động như máy phát Do đó, điện áp trên động cơ bao gồm sức phản điện động và điện áp do điện trở nội của cuộn dây phản ứng tạo ra Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo công thức tương ứng.
I = (Vnguồn-Vphần điện động)/Rphần ứng
Công suất cơ mà động cơ đƣa ra đƣợc sẽ tính bằng:
Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại nhƣ sau:
Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ đƣợc cấp nguồn riêng lẻ
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích đƣợc mắc nối tiếp với phần ứng
Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích đƣợc mắc song song với phần ứng
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp được cấu tạo bởi hai cuộn dây kích thích: một cuộn được mắc nối tiếp với phần ứng và một cuộn được mắc song song với phần ứng.
Mạch cầu H là một mạch điều khiển đơn giản cho động cơ DC, cho phép quay thuận hoặc quay nghịch Có nhiều loại mạch cầu H khác nhau, phụ thuộc vào lựa chọn linh kiện, dòng điện, áp điều khiển và tần số xung PWM, từ đó ảnh hưởng đến khả năng điều khiển của mạch.
Các phần tử chuyển mạch (Q1 Q4) thường là bóng bán dẫn hai cực hoặc FET, và trong một số ứng dụng điện áp cao, IGBT cũng được sử dụng Các diode (D1 D4), được gọi là diode bắt, thường là loại Schottky Đầu trên của cầu được kết nối với nguồn điện, trong khi đầu dưới được nối đất Tất cả bốn yếu tố chuyển đổi có khả năng bật và tắt một cách độc lập.
Để bảo vệ mạch khỏi dòng điện ngược sinh ra từ động cơ, cần mắc các diode vào mạch Khi mạch cầu H hoạt động và nguồn điện bị ngắt đột ngột, động cơ với cuộn cảm sẽ phát ra năng lượng điện lớn do hiện tượng cảm ứng điện từ Dòng điện này có thể vượt quá khả năng chịu đựng của transistor, dẫn đến nguy cơ bị đánh thủng Việc lắp đặt hệ thống diode bảo vệ sẽ giúp dòng điện sinh ra từ động cơ được dẫn qua diode về nguồn, từ đó bảo vệ mạch một cách hiệu quả.
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo mạch cầu H
Khi đóng S1 và S4, dòng điện từ nguồn đi qua động cơ, khiến động cơ quay theo chiều thuận Ngược lại, khi đóng S2 và S3, động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại.
Lý thuyết phần mềm
2.2.1.Thuật toán điều khiển PID
2.2.1.1 Lý thuyết bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp PID được sử dụng rộng rãi nhất trong các bộ điều khiển phản hồi, giúp tính toán giá trị "sai số" giữa giá trị đo và giá trị đặt mong muốn Nhờ vào khả năng điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào, bộ điều khiển PID tối ưu hóa việc giảm thiểu sai số trong quá trình điều khiển.
Sơ đồ hệ thống điều khiển PID
Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID
Setpoint: là giá trị mong muốn đạt đƣợc tại ngõ ra của đối tƣợng điều khiển
Process Variable: tín hiệu hồi tiếp mà bộ điều khiển nhận đƣợc đối tƣợng điều khiển
Contronl Variable: giá trị ngõ ra của bộ điều khiển
Error: giá trị sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị hiện tại ở ngõ ra của đối tƣợng điều khiển
Output: đại lƣợng vật lý cần điều khiển
Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển gồm ba thành phần:
Thành phần tỷ lệ (P) cho ra giá trị dựa trên giá trị sai lệch của thời điểm hiện tại
Thành phần tích phân (I) đƣa ra giá trị dựa trên tích lũy các giá trị sai lệch từ quá khứ đến thời điểm hiện tại
Thành phần vi phân (D) tính toán giá trị dựa trên tốc độ thay đổi của giá trị sai lệch
Tổng hợp ba tác động này được sử dụng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển, từ đó làm rõ mối quan hệ thời gian.
P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I dựa vào tổng hợp các sai số trong quá khứ, và D dự đoán sai số tương lai dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.
Định nghĩa u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức của giải thuật PID là:
2.2.1.3 Chức năng của các khâu hiệu chỉnh trong bộ điều khiển PID
Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến giá trị đầu ra tỷ lệ với sai số hiện tại Để điều chỉnh đáp ứng tỉ lệ, sai số được nhân với hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ Đồ thị biến quá trình theo thời gian cho thấy ảnh hưởng của khâu tỉ lệ đến hệ thống, với ba giá trị Kp, Ki và Kd là các hằng số.
Hình 2.13 Sơ đồ PID khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ đƣợc cho bởi:
: thừa số tỉ lệ đầu ra
Độ lợi tỉ lệ (Kp) là thông số điều chỉnh sai số, được tính bằng cách lấy sự chênh lệch giữa giá trị thực (SP) và giá trị mong muốn (PV) theo thời gian Độ lợi cao ở khâu tỉ lệ cho thấy sự thay đổi lớn ở đầu ra trong khi sai số chỉ thay đổi nhỏ, tuy nhiên nếu độ lợi quá cao, hệ thống sẽ trở nên không ổn định Ngược lại, độ lợi thấp dẫn đến phản ứng đầu ra yếu trong khi sai số đầu vào lớn, làm cho bộ điều khiển kém nhạy và phản ứng chậm Nếu độ lợi quá thấp, tác động điều khiển có thể không đủ mạnh để đối phó với nhiễu trong hệ thống Do đó, mục tiêu chính của khâu tỉ lệ P là giảm thiểu sai số xác lập.
Khâu tích phân, hay còn gọi là reset, có mối quan hệ tỉ lệ thuận với biên độ sai số và khoảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian được gọi là tích phân sai số, giúp điều chỉnh tích lũy bù Tích lũy sai số này được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả các tác động điều chỉnh phụ thuộc vào độ lợi tích phân Khâu tích phân đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hệ thống ở trạng thái bền vững, giảm thiểu sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị hiện tại, và có khả năng loại bỏ hoàn toàn sai số Đồ thị biến quá trình (PV) tương ứng với ba giá trị Ki, trong khi Kp và Kd giữ nguyên.
Hình 2.14 Sơ đồ PID khâu tích phân
Thừa số tích phân đƣợc cho bởi:
: thừa số tích phân đầu ra
Ki: độ lợi tích phân, là một hệ số điều chỉnh
: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
: một biến tích phân trung gian
Khâu tích phân, khi kết hợp với khâu tỉ lệ, giúp tăng tốc độ chuyển động đến điểm đặt và giảm thiểu sai số ổn định, tỷ lệ này chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, do khâu tích phân phản ánh sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể dẫn đến hiện tượng giá trị hiện tại vượt qua điểm đặt, gây ra độ lệch và chuyển hướng không mong muốn.
Khâu vi phân giúp giảm độ vọt lố và kéo dài thời gian xác lập, yêu cầu bù với biến đặt tỷ lệ Tốc độ thay đổi của sai số được tính bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian và nhân với độ lợi tỷ lệ Kd Biên độ của phân phối khâu vi phân, hay còn gọi là tốc độ, bị giới hạn bởi độ lợi vi phân Đồ thị biến quá trình (PV) theo thời gian với ba giá trị Kd cho thấy mối liên hệ này, trong khi Kp và Ki giữ nguyên.
Hình 2.15 Sơ đồ PID khâu vi phân
Thừa số vi phân đƣợc cho bởi:
: thừa số vi phân đầu ra
Kd: độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh
: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
Khâu vi phân giúp giảm tốc độ thay đổi đầu ra của bộ điều khiển, điều này rất quan trọng để đạt được điểm đặt mong muốn Bằng cách sử dụng điều khiển vi phân, ta có thể giảm biên độ vọt lố do thành phần tích phân gây ra, từ đó tăng cường độ ổn định cho bộ điều khiển hỗn hợp.
Phép vi phân của tín hiệu có thể làm tăng nhiễu, khiến cho quá trình trở nên nhạy cảm hơn với sai số và có khả năng gây ra sự không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân quá lớn Vì lý do này, việc sử dụng một xấp xỉ bộ vi sai với băng thông giới hạn là phổ biến hơn, chẳng hạn như trong mạch bù sớm pha.
2.2.1.4 Tính toán thông số PID
Có nhiều phương pháp để chọn thông số cho bộ điều khiển PID, trong đó nổi bật là phương pháp Ziegler – Nichols và điều chỉnh thử sai Những phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điều khiển.
Để duy trì trạng thái online của hệ thống, cần điều chỉnh PID bằng cách thiết lập Ki và Kd bằng không, sau đó tăng Kp cho đến khi đầu ra dao động Kp nên được đặt ở khoảng một nửa giá trị dao động để đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Tiếp theo, Ki cần được tăng lên để đảm bảo thời gian xử lý, nhưng cần lưu ý rằng Ki quá lớn có thể gây mất ổn định Cuối cùng, Kd có thể được điều chỉnh để hệ thống nhanh chóng phục hồi giá trị đặt sau khi bị nhiễu, tuy nhiên, Kd quá lớn sẽ dẫn đến đáp ứng dư và vọt lố Đối với những hệ thống không chấp nhận vọt lố, cần thiết lập Kp nhỏ hơn một nửa giá trị Kp gây dao động để giảm thiểu tình trạng này.
Bảng 2.1: Bảng điều chỉnh PID thủ công
Thông số Thời gian khởi động
Qúa độ Thời gian xác lập Sai số ổn định Độ ổn định
Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể
Kd Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết không tác động
Phương pháp Ziegler–Nichols, do John G Ziegler và Nathaniel B Nichols phát triển, là một kỹ thuật điều chỉnh bộ điều khiển PID Phương pháp này bắt đầu bằng cách đặt thông số độ lợi khâu I (tích phân) và khâu D (vi phân) về 0 Độ lợi khâu P (tỷ lệ, khuếch đại) được tăng dần từ 0 cho đến khi đạt độ lợi Ku tối đa, tại đó đầu ra của vòng điều khiển dao động với biên độ không đổi Các giá trị Ku và chu kỳ dao động Tu sau đó được sử dụng để xác định độ lợi P, I và D tùy thuộc vào loại điều khiển áp dụng.
Bảng 2.2: Bảng điều chỉnh PID Ziegler - Nichols
2.2.2 Các phương pháp đồng bộ
2.2.2.1.Các phương pháp đồng bộ tốc độ hai động cơ
2.2.2.1.1 Phương pháp chủ tớ (Master-Slave)
Cấu hình thiết bị mẫu và thiết bị phụ thuộc cho hệ thống hai động cơ được trình bày trong hình 2.16 Tốc độ đầu ra của động cơ chính đóng vai trò là tham chiếu cho thiết bị phụ thuộc, với ý tưởng rằng tải rối loạn áp dụng cho thiết bị mẫu sẽ được phản ánh và theo sau bởi thiết bị phụ thuộc Tuy nhiên, xáo trộn trong bất kỳ thiết bị phụ thuộc nào sẽ không được phản hồi lại cho thiết bị mẫu hoặc các thiết bị phụ thuộc khác Cấu hình này được khuyến nghị trong các ứng dụng công nghiệp khi việc đồng bộ hóa tốc độ hoặc vị trí không phải là yếu tố chính, do trong các tác động tải, đồng bộ hóa giữa các trục không thể được đảm bảo.
Hình 2.16 Cấu trúc Master-Slave
PID 0.6 Ku 2Ku/Tu KuTu/8
2.2.2.1.2 Phương pháp kỹ thuật ghép chéo (Cross Coupling)
Kỹ thuật này, được Koren đề xuất cho hệ thống sản xuất và mở rộng bởi Tomizuka, sử dụng một sơ đồ để minh họa Điểm khác biệt chính của cấu trúc này so với phương pháp chủ-tớ là sự bổ sung tín hiệu phản hồi từ sự khác biệt về tốc độ hoặc góc giữa hai hệ thống Sự sắp xếp này cho phép phản ánh bất kỳ biến thể tải nào trong cả hai hệ thống, sử dụng tín hiệu bổ sung như một "tương đối" tín hiệu theo dõi thông qua tăng trọng, từ đó cải thiện mức độ đồng bộ hóa.
Hình 2.17 Cấu trúc kỹ thuật cặp đôi chéo
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG
Phần cứng
3.1.1.Động cơ Động cơ Planet 24V, 60W, 468RPM
Hình 3.1 Động cơ Planet 60W 468rpm
Tải sử dụng trong hệ thống là tải trụ đồng chất bằng thép, có khối lượng 270g và đường kính 0.025m Khoảng cách từ trục tung đến trọng tâm tải là m, trong khi khoảng cách từ trục hoành đến trọng tâm tải cũng là m.
=> rad/s (3.3) Thời gian vận tốc đi từ 010 là 2s => (3.4) rad/
Ta lại có: hệ số ma sát nhớt của con lăn là nên Moment tải đƣợc tính:
Với moment tải tính đƣợc là 9.7kgf.cm thì với động cơ planet có moment tải định mức là 15kgf.cm đáp ứng đƣợc yêu cầu của hệ thống
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ Planet 60W 468rpm Điện áp hoạt động DC 0-24V Công suất tối đa 60W
Tỉ số hộp số 1:19.2 Tốc độ sau hộp số 468rpm Momen tải định mức 15kgf.cm
OEM AB-2P-600P Rotary Encoder 600 Xung NPN
Hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, vì vậy việc sử dụng Encoder với độ phân giải cao là rất cần thiết Encoder có độ phân giải 600 xung được coi là phù hợp để đảm bảo độ chính xác tối ưu cho hệ thống.
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật Rotary Encoder 600 Xung
Hiệu suất 600 xung/vòng Điện áp hoạt động DC 5-24V Tốc độ cơ khí tối đa 6000 vòng/phút Tần số đáp ứng điện 20.000/giây
Nguồn tổ ong trong hệ thống động cơ planet có công suất 60W, với hai động cơ, yêu cầu nguồn cấp có công suất lớn Điều này đảm bảo rằng khi hệ thống nâng cấp lên động cơ có công suất lớn hơn, vẫn có thể sử dụng nguồn hiện tại mà không cần thay thế.
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật nguồn tổ ong Điện áp hoạt động 110VAC-220VAC
Công suất 250W Điện áp ngõ ra 24VDC Đầu ra 3 cặp
Cầu H-IR2184 có điện áp hoạt động 2.5A và tích hợp tính năng bảo vệ ngắn mạch, giúp bảo vệ hệ thống khỏi hiện tượng ngắn mạch nguy hiểm, đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống.
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật mạch cầu H Điện áp hoạt động 0-24VDC
Led báo chiều động cơ Có Bảo vệ ngắn mạch Có
Hình 3.4 Mạch cầu H 3.1.5.Vi điều khiển STM32F04 Discovery
Vi điều khiển ARM Cortex M4 trên KIT STM32F04 có tốc độ xử lý nhanh và kích thước nhỏ gọn, với 6 chân đọc Encoder và 6 chân PWM Điều này cho phép nâng cấp hệ thống số lượng cơ cấu chấp hành mà không cần thay thế bộ điều khiển mới.
STM32F4DISCOVERY cung cấp các tính năng sau:
Vi điều khiển STM32F407VGT6 có ARM Cortex® -M4 32 bit với lõi FPU,
Bộ nhớ Flash 1 Mbyte, RAM 192 Kbyte trong gói LQFP100
ST-LINK / V2 trên STM32F4DISCOVERY hoặc ST-LINK / V2-A trên
ARM® mbed Enables ™ chỉ với ST-LINK / V2-A
USB ST-LINK với khả năng liệt kê lại và ba giao diện khác nhau:
Cổng COM ảo (chỉ có ST-LINK / V2-A)
Lưu trữ lớn (chỉ với ST-LINK / V2-A)
Nguồn điện bên ngoài: 3 V và 5 V
Hệ điều hành Windows® (XP, 7, 8 và 10), Linux® 64 bit hoặc macOS ™
Cáp USB loại A đến Mini-B
Hình 3.6 CP2102 Mạch Chuyển Đổi USB To TTL UART
KIT STM32F04 không có khả năng truyền nhận dữ liệu, do đó cần sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu để tác giả có thể đọc dữ liệu trả về và điều chỉnh hệ thống một cách chính xác hơn.
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của UART
Trong hệ thống, tải ma sát gây cản trở chuyển động của động cơ, đòi hỏi các moment tải phải thay đổi Vì vậy, nhóm đã quyết định chọn phanh đĩa Bolids để làm giảm cản trở chuyển động của động cơ trong nghiên cứu này.
Kích thước 26.5 x 15.6 mm Điện áp ngõ ra 3V và 5V
Bảng 3.6: Thông số của phanh đĩa Bolids Đường kính 160mm Độ dày 1.5mm
Tải này đƣợc sử dụng trong mô hình thực để khảo sát sai số:
Bảng 3.7: Thông số tải Đường kính 50mm Đường kính lỗ xoay 6mm
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối phần cứng
Chân L&N của mạch nguồn sẽ nối với chân L&N của điện xoay chiều
Chân V+ nối với chân M1 của cầu H và chân V- nối với chân M2 của cầu H
Chân DIR- nối tắc với chân PWM- nối với chân GND của STM32F04
Chân DIR+ nối với chân D11 của KIT STM32F04 và chân PWM+ sẽ nối với chân D12 trên KIT STM32F04 (D12)
Chân DIR- nối tắc với chân PWM- nối với chân GND của STM32F04
Chân DIR+ nối với chân B7 của KIT STM32F04 và chân PWM+ sẽ nối với chân B9 trên KIT STM32F04 (B9)
Kênh CH-A của Encoder nối với chân E9 của KIT STM32F04 và Kênh CH-B của Encoder nối với chân E11 của KIT STM32F04
Kênh CH-A của Encoder nối với chân A0 của KIT STM32F04 và kênh CH-B của Encoder nối với chân A1 của KIT STM32F04.
Phần mềm
Phần mềm Matlab được sử dụng để nhận dạng hàm truyền động cơ và mô phỏng hệ thống thông qua các phương pháp đồng bộ Ngoài ra, tác giả cũng biên soạn mã điều khiển thực nghiệm trên nền tảng Matlab/Simulink.
MATLAB đƣợc định nghĩa là:
MATLAB, viết tắt của Matrix Laboratory, là phần mềm toán học do hãng Mathworks phát triển, nổi bật với khả năng lập trình và tính toán số liệu, đồng thời cung cấp tính trực quan cao cho người dùng.
MATLAB chủ yếu xử lý ma trận, với ma trận có kích thước mxn được tổ chức thành m hàng và n cột Phần mềm này hỗ trợ nhiều kiểu dữ liệu khác nhau, trong đó chuỗi ký tự được coi là dãy các ký tự hoặc mã số tương ứng của chúng.
MATLAB dùng để giải quyết các bài toán về giải tích số, xử lý tín hiệu số, xử lý đồ họa, … mà không phải lập trình cổ điển
3.2.1.2.`Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của Matlab, các ứng dụng
Dữ liệu của Matlab thể hiện dưới dạng ma trận (hoặc mảng - tổng quát), và có các kiểu dữ liệu đƣợc liệt kê sau đây:
Kiểu dữ liệu đơn single tiết kiệm bộ nhớ vì yêu cầu ít byte hơn, tuy nhiên không được sử dụng trong các phép toán học do độ chính xác kém.
Kiểu double kiểu này là kiểu thông dụng nhất của các biến trong Matlab
Kiểu uint8, uint8, uint16, uint64
Kiểu char ví dụ “Hello”
Trong Matlab kiểu dữ liệu double là kiểu mặc định sử dụng trong các phép tính số học
Matlab tạo điều kiện thuận lợi cho:
Các khoá học về toán học
Các kỹ sƣ, các nhà nghiên cứu khoa học
Dùng Matlab để tính toán, nghiên cứu tạo ra các sản phẩm tốt nhất trong sản xuất
Toolbox là công cụ thiết yếu trong Matlab, giúp người dùng áp dụng các kỹ thuật để phân tích, thiết kế và mô phỏng các mô hình một cách hiệu quả.
Ta có thể tìm thấy toolbox ở trong mô trường làm việc của:
3.2.2.Các khối chức năng của waijung blockset
Waijung Blockset là một thư viện giúp lập trình code trên Matlab/Simulink, được phát triển bởi Aimagin Software Thư viện này tương thích với tất cả các phiên bản KIT STM32F04 Family của ST Electrics Bài viết này sẽ trình bày các khối chức năng cơ bản của Waijung Blockset, hỗ trợ lập trình điều khiển cho các mô hình thực nghiệm.
3.2.2.1.Khối khai báo thông số STM32F04
Hình 3.10 Khối khai báo thông số STM32F04
Chúng ta sẽ chọn loại chip tên board và cấu hình xung nhịp phù hợp với loại board chúng ta sử dụng
3.2.2.2.Khối giao tiếp với máy tính
Hình 3.11 Khối giao tiếp với máy tính
Nhƣ trên hình ta sẽ khai báo UART Module, Baud rate, Tx Pin và chân Rx Pin
Khối Timer IRQ dùng để điều khiển hàm đọc Encoder, cứ sau mỗi thời gian đặt thì sẽ thực hiện hàm đƣợc đặt trong khối đọc Encoder
Khối này có chức năng đọc giá trị xung từ encoder, sau đó thực hiện tính toán để chuyển đổi thành tốc độ động cơ và xuất giá trị tốc độ ra bên ngoài.
Hàm bên trong khối đọc Encoder
Khối Encoder đọc giá trị từ Encoder và thông qua khối Gain đầu tiên, chuyển đổi giá trị này thành xung/s Tiếp theo, qua khối Gain thứ hai, giá trị được chuyển đổi thành vòng/phút và sau đó xuất ra bên ngoài.
Khối này sẽ truyền dữ liệu tốc độ động cơ sau khi tính toán truyền ra các màn hình hiển thị
Hình 3.14 Khối xuât dữ liệu
Chức năng của mạch điều khiển là cung cấp giá trị điện áp cho chân điều khiển, từ đó điều chỉnh điện áp động cho động cơ, giúp động cơ hoạt động với tốc độ nhanh hoặc chậm theo yêu cầu.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK
Mô phỏng động cơ
Ta có mô hình động cơ nhƣ:
Hình 4.1 Sơ đồ mạch động cơ
Bảng 4.1: Bảng thông số động cơ
Ký hiệu Chú thích và đơn vị Điện áp phần ứng (V) Điện trở phần ứng (Ω) Độ tự cảm phần ứng (H) Dòng điện phần ứng (A) Sức điện động trả về (V)
Ký hiệu Chú thích và đơn vị
Vị trí góc quay của rotor (rad)
Mô men xoắn của động cơ (Nm) Lực quán tính Rotor (Kgm 2 )
Hệ số ma sát (Nm/A) Hằng số mô men xoắn (Nm/A) Hằng số suất điện động trả về (Vs/rad)
4.1.1.Hàm truyền vị trí bằng phương trình toán
Sau khi chuyển đổi Laplace ta có hàm truyền giữa vị trí và điện áp đặt:
4.1.2.Hàm truyền tốc độ bằng phương trình toán
Sau khi chuyển đổi Laplace ta có hàm truyền giữa tốc độ và điện áp đặt:
Nhận dạng hàm truyền của động cơ
Nhận dạng hàm truyền cho động cơ là một bước quan trọng trong quá trình mô phỏng, giúp xác định khả năng đồng bộ giữa hai động cơ và động cơ đã chọn Công việc này không chỉ kiểm tra tính khả thi mà còn chứng thực các phương pháp đồng bộ trong mô phỏng.
4.2.1.Thu thập dữ liệu đầu vào
Tác giả thu thập dữ liệu đầu vào là điện áp và đầu ra là tốc độ động cơ, sau đó sử dụng công cụ nhận dạng trong Matlab để xác định hàm truyền của động cơ.
Encoder AB-2P-600P Rotary Encoder 600 Xung NPN
Chân L&N của mạch mạch nguồn sẽ nối với chân L&N của điện xoay chiều
Chân V+ nối với chân M1 của cầu H và chân V- nối với chân M2 của cầu H
Chân DIR- nối tắc với chân PWM- nối với chân GND của STM32F04
Chân DIR+ nối với chân D11 của KIT STM32F04 và chân PWM+ sẽ nối với chân D12 trên KIT STM32F04 (D12)
Kênh CH-A của Encoder nối với chân E9 của KIT STM32F04 và Kênh CH-B của Encoder nối với chân E11 của KIT STM32F04
Hình 4.2 Sơ đồ kết nối
4.2.3.Điều chế độ rộng xung PWM cấp cho cầu H
Tác giả dùng điện áp cấp cho động cơ chuyển đổi qua % xung và cung cấp cho khối PWM và sử dụng công thức chuyển đổi:
4.2.4 Dùng phần mềm Terminal để ghi dữ liệu và nhập dữ liệu vào Matlab
Giao diện phần mềm Terminal
Sau đó nhấn send để gửi dữ liệu đến file mong muốn và lưu tại đó
Tiếp tục nhập dữ liệu vào matlab bằng cách thiết lập một ma trận gồm dữ liệu ngõ vào và dữ liệu ngõ ra
Hình 4.4 Thu thập dữ liệu
Mỗi động cơ tác giả thu thập khoảng 51000 mẫu dữ liệu
Lấy dùng hàng matlab lấy hai cột dữ liệu điện áp và tốc độ để đƣa vào công cụ Ident nhận dạng
4.2.5.Sử dụng công cụ Matlab/Ident để nhận dạng hàm truyền động cơ
Giao diện làm việc Tool Ident
Đƣa dữ liệu đầu vào vào công cụ ident
Hình 4.6 Dữ liệu đầu vào công cụ Ident
Input đƣa dữ liệu vào u1 và output đƣa dữ liệu vào là v1
Sau đó nhấn Import để đƣa dữ liệu vào Tool Ident
Bắt đầu quá trình xử lý dữ liệu chọn process model để vào trong phần chọn bậc của hàm truyền
Hình 4.7 Xử lí dữ liệu
Nhấn chọn bậc của model sau đó nhấn Estimate để bắt đầu nhận dạng ta sẽ thu đƣợc hàm truyền nhƣ hình 4.8
Hình 4.8 Kết quả thu đƣợc
Khảo sát mô phỏng về phương pháp đồng bộ tốc độ hai động cơ
Môi trường được mô phỏng là môi trường lý tưởng, không có nhiễu và không có ma sát, tạo điều kiện thuận lợi cho mọi hệ thống hoạt động hiệu quả.
Không dùng phương pháp đồng bộ
Không đồng bộ là cách điều khiển động cơ độc lập có thể cùng hoặc khác giá trị đặt
Hình 4.9 Không dủng phương pháp đồng bộ
Phương pháp đồng bộ Master-Slave
Phương pháp đồng bộ Master – Slave là kỹ thuật điều khiển động cơ, trong đó động cơ đầu tiên nhận giá trị đặt mong muốn làm ngõ vào, và ngõ ra của động cơ này sẽ trở thành ngõ vào cho động cơ thứ hai Nhờ đó, động cơ thứ hai sẽ tự động điều chỉnh theo giá trị ngõ ra của động cơ đầu tiên, đảm bảo sự đồng bộ trong quá trình hoạt động.
Hình 4.10 Phương pháp Master - Slave
Phương pháp đồng bộ Cross Coupling
Phương pháp đồng bộ Cross Coupling là kỹ thuật điều khiển ghép chéo hai động cơ, trong đó giá trị ngõ ra của động cơ thứ nhất được trừ đi giá trị ngõ ra của động cơ thứ hai Kết quả này sau đó được hồi tiếp để điều chỉnh hoạt động của cả hai động cơ, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình vận hành.
Hình 4.11 Phương pháp Cross Coupling
4.3.1.Ngõ vào là hằng số
Giá trị đặt ở trường hợp này là 300 vòng/phút
4.3.1.1.Động cơ không tải và các phương pháp đồng bộ Động cơ không tải là hai trục tải của mỗi động cơ không mang tải
Hình 4.12 Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.12 minh họa phản ứng của hệ thống khi động cơ không tải trong các phương pháp đồng bộ, với đường màu đen biểu thị tín hiệu đặt, đường màu đỏ đại diện cho động cơ thứ nhất và đường màu xanh lá thể hiện cho động cơ thứ hai.
Sai số vận tốc từng động cơ so với giá trị đặt
Hình 4.13 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.13 cho thấy sai số giữa các động cơ so với giá trị đặt trong các phương pháp đồng bộ, với đường màu đen đại diện cho động cơ thứ nhất và đường màu đỏ cho động cơ thứ hai Kết quả cho thấy phương pháp Cross Coupling đạt hiệu quả tốt nhất, đáp ứng cả hai tiêu chí đồng pha và sai số nhỏ Tiếp theo là phương pháp Master-Slave, mặc dù không đồng bộ hai động cơ nhưng vẫn được đánh giá cao hơn do đáp ứng tiêu chí pha Khi ổn định, sai số của Master-Slave cũng đạt yêu cầu Ngược lại, hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ có hiện tượng nghịch pha, gây ảnh hưởng tiêu cực đến cơ cấu chấp hành của hệ thống.
Sai số hai động cơ
Hình 4.14 Sai số giữa hai động cơ
Hình 4.14 minh họa sự sai số giữa các động cơ, trong đó đường màu đen đại diện cho hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ, đường màu xanh lá cho phương pháp Cross Coupling và đường màu đỏ cho phương pháp Master-Slave Kết quả cho thấy phương pháp Cross Coupling có sai số nhỏ nhất, trong khi Master-Slave gặp sai số lớn khi khởi động nhưng giảm xuống khi ổn định Đặc biệt, hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ khởi động tốt hơn Master-Slave với sai số nhỏ hơn.
4.3.1.2.Động cơ có tải đơn và các phương pháp đồng bộ Động cơ có tải đơn là một trong hai trục tải của động cơ mang tải
Động cơ có tải đơn ở động cơ thứ nhất có giá trị 500Nm
Hình 4.15 Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.15 minh họa phản ứng của hệ thống khi động cơ thứ nhất hoạt động dưới tải trong các phương pháp đồng bộ Đường màu đen biểu thị tín hiệu đặt, đường màu đỏ đại diện cho động cơ thứ nhất, và đường màu xanh lá thể hiện cho động cơ thứ hai.
Sai số từng động cơ
Hình 4.16 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.16 minh họa sai số giữa các động cơ so với giá trị đặt trong các phương pháp đồng bộ, với đường màu đen đại diện cho sai số của động cơ thứ nhất và đường màu đỏ cho động cơ thứ hai Tác giả nhận thấy rằng phương pháp đồng bộ Cross Coupling có những đặc điểm nổi bật trong việc giảm thiểu sai số.
Trong hệ thống 47 và Master Slave, các động cơ hoạt động đồng pha Tuy nhiên, khi không sử dụng phương pháp đồng bộ, động cơ thứ nhất và động cơ thứ hai sẽ hoạt động nghịch pha với nhau.
Sai số hai động cơ với nhau
Hình 4.17 Sai số giữa hai động cơ
Hình 4.17 cho thấy sự sai số giữa các động cơ, trong đó đường màu đen đại diện cho hai động cơ không áp dụng phương pháp đồng bộ, đường màu xanh lá thể hiện phương pháp Cross Coupling, và đường màu đỏ là phương pháp Master-Slave Kết quả cho thấy sai số của phương pháp Cross Coupling là nhỏ nhất, tiếp theo là sai số của hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ, và cuối cùng là sai số của phương pháp Master-Slave.
Động cơ có tải đơn ở động cơ thứ hai có giá trị 500Nm
Hình 4.18 Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.18 minh họa phản ứng của hệ thống khi động cơ thứ hai chịu tải, với đường màu đen thể hiện tín hiệu đặt, đường màu đỏ đại diện cho động cơ thứ nhất và đường màu cam biểu thị cho động cơ thứ hai.
Sai số từng động cơ
Hình 4.19 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.19 thể hiện sai số giữa các động cơ so với giá trị đặt trong các phương pháp đồng bộ Đường màu đen biểu thị sai số của động cơ thứ nhất, trong khi đường màu đỏ đại diện cho động cơ thứ hai Quan sát cho thấy phương pháp đồng bộ Cross Coupling và Master-Slave ban đầu lệch pha, nhưng sau đó đồng pha Ngược lại, khi không sử dụng phương pháp đồng bộ, động cơ thứ nhất và động cơ thứ hai có pha ngược nhau.
Sai số hai động cơ với nhau:
Hình 4.20 Sai số giữa hai động cơ
Hình 4.20 cho thấy sự sai số giữa các động cơ, với đường màu đen đại diện cho hai động cơ không sử dụng phương pháp động bộ, đường màu xanh lá cho phương pháp Cross Coupling, và đường màu đỏ cho phương pháp Master-Slave Kết quả cho thấy sai số của phương pháp Cross Coupling là nhỏ nhất, trong khi sai số của hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ và phương pháp Master-Slave gần như tương đương nhau.
Giá trị đặt của hệ thống được xác định theo công thức (4.8) và áp dụng cho hai loại động cơ: không sử dụng phương pháp đồng bộ và hai phương pháp đồng bộ là Master-Slave và Cross Coupling.
( ) ( 4.8) Với: A là biên độ = 75; f là tần số = 0.01 Hz; là góc pha = 0; b là hệ số Bias = 225;
4.3.2.1.Động cơ không tải và các phương pháp đồng bộ Động cơ không tải là hai trục tải của mỗi động cơ không mang tải
Hình 4.21 Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.21 minh họa phản ứng của hệ thống khi động cơ hoạt động không tải, với tín hiệu đặt được thể hiện bằng đường màu đen, động cơ thứ nhất bằng đường màu đỏ và động cơ thứ hai bằng đường màu xanh lá.
Sai số từng động cơ:
Hình 4.22 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Khảo sát mô phỏng về đồng bộ vị trí hai động cơ
Gía trị đặt tại trường hợp này tác giả đặt là
4.4.1.1 Hai động cơ không tải và phương pháp đồng bộ Động cơ không tải là hai trục tải của mỗi động cơ không mang tải
Hình 4.30 Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.30 minh họa sự đáp ứng vị trí của hệ thống khi cả hai động cơ hoạt động mà không có tải, với đường màu đen thể hiện giá trị đặt cho động cơ thứ nhất (màu đỏ) và động cơ thứ hai (màu xanh lá).
Sai số mỗi động cơ:
Hình 4.31 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.31 cho thấy sai số vị trí của hai động cơ so với giá trị đặt trong các phương pháp đồng bộ Đường màu đen đại diện cho động cơ thứ nhất, trong khi đường màu đỏ biểu thị cho động cơ thứ hai Từ hình ảnh này, tác giả nhận thấy rằng phương pháp Cross Coupling và Master-Slave hoạt động đồng pha, trong khi hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ thì lại nghịch pha nhau.
Sai số hai động cơ với nhau:
Hình 4.32 Sai số giữa hai động cơ
Hình 4.32 thể hiện sai số giữa hai động cơ theo từng phương pháp đồng bộ Đường màu đen đại diện cho hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ, đường màu đỏ biểu thị phương pháp Master-Slave, và đường màu xanh lá thể hiện phương pháp Cross Coupling Qua quan sát, tác giả nhận thấy rằng phương pháp Cross Coupling có sai số nhỏ nhất, tiếp theo là hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ, và cuối cùng là phương pháp Master-Slave.
4.4.1.2.Động cơ có tải đơn 500Nm và các phương pháp đồng bộ Động cơ có tải đơn là một trong hai trục tải của động cơ mang tải
Động cơ thứ nhất mang tải có giá trị là 500Nm
Hình 4.33 Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.33 minh họa đáp ứng vị trí của hệ thống khi động cơ thứ nhất chịu tải theo các phương pháp khác nhau, với đường màu đen thể hiện giá trị đặt màu đỏ cho động cơ thứ nhất và màu xanh lá cho động cơ thứ hai.
Sai số mỗi động cơ:
Hình 4.34 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.34 cho thấy sai số vị trí của hai động cơ so với giá trị đặt trong các phương pháp đồng bộ Đường màu đen đại diện cho động cơ thứ nhất, trong khi đường màu đỏ biểu thị cho động cơ thứ hai Qua đó, tác giả nhận thấy rằng phương pháp Cross Coupling và Master-Slave hoạt động đồng pha, trong khi hai động cơ không áp dụng phương pháp đồng bộ lại có sự nghịch pha.
Sai số hai động cơ với nhau:
Hình 4.35 Sai số giữa hai động cơ Đông cơ thứ hai mang tải
Hình 4.35 cho thấy sai số giữa hai động cơ theo từng phương pháp đồng bộ, với đường màu đen đại diện cho hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ, đường màu đỏ cho phương pháp Master-Slave, và màu xanh lá cho phương pháp Cross Coupling Qua quan sát, tác giả nhận thấy phương pháp Cross Coupling có sai số nhỏ nhất, tiếp theo là hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ, và cuối cùng là phương pháp Master-Slave Đặc biệt, phương pháp Master-Slave có thời gian đáp ứng nhanh nhất, sau đó là Cross Coupling và hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ.
Động cơ thứ hai mang tải có giá trị 500Nm
Hình 4.36 Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.36 minh họa phản ứng vị trí của hệ thống khi động cơ thứ hai chịu tải bằng các phương pháp khác nhau Đường màu đen thể hiện giá trị đặt cho động cơ thứ nhất (màu đỏ) và động cơ thứ hai (màu xanh lá).
Sai số mỗi động cơ:
Hình 4.37 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.37 trình bày sai số vị trí của hai động cơ so với giá trị đặt trong các phương pháp đồng bộ Động cơ thứ nhất được biểu thị bằng đường màu đen, trong khi động cơ thứ hai bằng đường màu đỏ Qua đó, tác giả nhận thấy rằng phương pháp Cross Coupling và Master-Slave hoạt động đồng pha, trong khi hai động cơ không áp dụng phương pháp đồng bộ lại hoạt động nghịch pha.
Sai số hai động cơ với nhau:
Hình 4.38 Sai số giữa hai động cơ
Hình 4.38 thể hiện sai số giữa hai động cơ theo từng phương pháp đồng bộ, trong đó đường màu đen đại diện cho hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ, đường màu đỏ cho phương pháp Master-Slave, và đường màu xanh lá cho phương pháp Cross Coupling Qua quan sát, tác giả nhận thấy phương pháp Cross Coupling có sai số nhỏ nhất, tiếp theo là hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ và cuối cùng là phương pháp Master-Slave.
Giá trị đặt của hệ thống được xác định theo công thức (4.9) và áp dụng cho hai loại động cơ: không sử dụng phương pháp đồng bộ và hai phương pháp đồng bộ Master-Slave và Cross Coupling.
( ) ( 4.9) Với: A là biên độ = ; f là tần số = 4 Hz; là góc pha = 0; b là hệ số Bias = 0;
4.4.2.1 Hai động cơ không tải và phương pháp đồng bộ Động cơ không tải là hai trục tải của mỗi động cơ không mang tải
Hình 4.39: Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.39 minh họa ngõ ra của vị trí theo hàm sin qua các phương pháp đồng bộ, trong đó đường màu đen thể hiện giá trị đặt màu đỏ cho động cơ thứ nhất và màu xanh lá cho động cơ thứ hai.
Sai số mỗi động cơ:
Hình 4.40 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.40 trình bày sai số giữa hai động cơ sử dụng các phương pháp đồng bộ, với đường màu đen đại diện cho động cơ thứ nhất và màu đỏ cho động cơ thứ hai Tác giả nhận thấy rằng phương pháp Cross Coupling và Master-Slave hoạt động đồng pha, trong khi hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ lại có sự nghịch pha.
Sai số hai động cơ với nhau:
Hình 4.41 Sai số giữa hai động cơ
Hình 4.41 cho thấy sự sai số giữa hai động cơ trong các phương pháp đồng bộ Trong số đó, phương pháp Cross Coupling đạt sai số nhỏ nhất, trong khi sai số của hai động cơ không sử dụng phương pháp đồng bộ đứng thứ hai Phương pháp Master-Slave có sai số lớn nhất trong các phương pháp được so sánh.
4.4.2.2.Động cơ có tải đơn 500Nm và các phương pháp đồng bộ Động cơ có tải đơn là một trong hai trục tải của động cơ mang tải có giá trị 500Nm
Hình 4.42: Đáp ứng ngõ ra (a) Không dùng phương pháp đồng bộ; (b) Phương pháp
Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
Hình 4.42 thể hiện ngõ ra của vị trí theo hàm sin khi động cơ thứ nhất hoạt động với tải qua các phương pháp đồng bộ Đường màu đen biểu diễn giá trị đặt của động cơ thứ nhất (màu đỏ) và động cơ thứ hai (màu xanh lá).
Sai số mỗi động cơ:
Hình 4.43 Sai số của hai động cơ so với giá trị đặt (a) Không dùng phương pháp đồng bộ;
(b) Phương pháp Master – Slave; (c) Phương pháp Cross Coupling
