thiet ke he thong truyen dong dien dieu khien dong co mọt chieu bang pid

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BÁO CÁO PROJECT BASED LEARNING THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS NGƠ ĐÌNH THANH LÊ CƠNG VINH NGƠ TRI KHIÊM PHẠM TRÍ HẢI TRẦN VĨNH TỚI TRẦN NGỌC SAM Nhóm: Lớp học phần: FLAMES 19.34A Đà nẵng, 2021 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực PBL, gặp phải nhiều khó khăn giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời từ quý Thầy Cô bạn nên Đồ án hoàn thành tiến độ, với đề tài: “Điều khiển giám sát tốc độ động điện chiều sử dụng PID” Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Ngơ Đình Thanh, thầy Lê Tiến Dũng, thầy Nguyễn Khánh Quang , thầy Giáp Quang Huy, thầy Nguyễn Hồng Mai Trương Thị Bích Thanh anh trợ giảng Hồng Văn Bình tận tình hướng dẫn, bảo kinh nghiệm, kiến thức quý báu Cũng tất thành viên lớp 19TDHCLC3 có ý kiến đóng góp, bổ sung, phê bình, động viên khích lệ giúp chúng em hồn thiện đề tài Mặc dù nhóm thực cố gắng để thực đồ án, kiến thức cịn hạn chế nên q trình thực khó tránh khỏi sai sót Nhóm thực mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy bạn sinh viên Sau nhóm thực xin chúc quý Thầy Cô sức khoẻ, thành công tiếp tục đào tạo sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước Chúc bạn sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ công lao Thầy Cơ giảng dạy Nhóm thực xin chân thành cảm ơn TRÂN TRỌNG! MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG 10 CHƯƠNG : GIỚI THIỆU BÀI TOÁN 1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.2 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT HỆ THỐNG CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 KHÁI NIỆM ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.2 CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.2.1 Phần tĩnh (stator) hay phần cảm 2.2.2 Phần quay (rotor) hay phần ứng 2.3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.4 PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU THEO CẤU TẠO 2.5 ĐẶC TÍNH CƠ-ĐIỆN VÀ ĐẶC TÍNH CƠ 2.5.1 Đặc tính động điện: 2.5.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập: 2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.6.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 2.6.2 Thay đổi từ thơng kích từ động 10 2.6.3 Thay đổi điện áp phần ứng động cơ: 11 2.6.4 Kết luận chung 12 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ ĐỘNG CƠ 13 3.1 MƠ HÌNH TẢI CHUYỂN ĐỘNG QUAY 13 3.2 CÁC THÔNG SỐ CỦA TẢI 13 3.3 MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG TẢI BẲNG SOLIDWORKS 14 3.4 Sơ đồ mô tả tốc độ tải động 15 3.5 TÍNH TỐN ĐẶC TÍNH TẢI YÊU CẦU 16 3.5.1 Momen quán tính tải JL 16 3.5.2 Momen điện từ Tem 16 3.5.3 Công suất động 19 3.6 TỔNG HỢP ĐẶC TÍNH TẢI YÊU CẦU 21 3.7 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 23 3.8 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỘP SỐ 23 3.8.1 Tính chọn động 23 3.8.2 Lựa chọn động 24 3.8.3 Chọn hộp số cho động 25 3.9 LỰA CHỌN CẢM BIẾN 27 3.9.1 Cảm biến tốc độ 27 3.9.2 Cảm biến dòng điện 28 3.10 HOÀN THIỆN HỆ THỐNG 29 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN VÀ MẠCH CẦU H 30 4.1 MẠCH NGUỒN 30 4.1 Giới thiệu chung 30 4.1.2 Sơ đồ tổng quát mạch nguồn: 30 4.1.3 Biến áp 30 4.1.4 Mạch chỉnh lưu 31 4.1.5 Bộ lọc 33 4.1.6 Ổn áp 34 4.2 MẠCH CẦU H 36 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN 39 5.1 MÔ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ 39 5.2 MƠ HÌNH TỐN HỌC BỘ BIẾN ĐỔI 42 5.3 MƠ HÌNH HĨA CẢM BIẾN 43 5.3.1 Phản hồi tốc độ 43 5.3.2 Phản hồi dòng điện 43 5.4 MƠ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 43 CHƯƠNG 6: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 45 6.1 XÁC ĐỊNH TẦN SỐ CẮT 46 6.2 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 46 6.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ 48 CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRÊN MATLAB 50 7.1 SƠ ĐỒ TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG 50 7.2 Khối nguồn 50 7.2 KHỐI MẠCH CẦU H: 52 7.3 KHỐI PHÁT XUNG 53 7.4 KHỐI PID 55 7.5 KHỐI ĐỘNG CƠ 56 7.5.1 Kiểm nghiệm động 56 7.5.2 Kiểm nghiệm hộp số 58 7.5.3 Kiểm nghiệm khả kéo tải 59 7.6 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TỒN HỆ THỐNG 60 7.6.1 Tốc độ 61 7.6.2 Tốc độ, dòng điện momen 62 7.6.3 Tương quan momen, điện áp tốc độ 63 7.6.4 Ảnh hưởng nhiễu đến hệ thống 64 7.7 KẾT LUẬN CHUNG 65 CHƯƠNG 8: CODE VI ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS 66 8.1 GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO UNO R3 66 8.1.1 Arduino Uno R3 gì? 66 8.2 Cấu tạo Arduino Uno R3 68 8.2 TỔNG QUAN LCD 20×4 VÀ GIAO TIẾP I2C 70 8.2.1 LCD 20×4 70 8.2.2 Module I2C 73 8.3 MẠCH LÁI CỰC CỬA CHO MOSFET SỬ DỤNG IR2112 74 8.3.1 Lý cần mạch lái cực cửa 74 8.3.2 IC IR2112 75 8.4 GIỚI THIỆU VỀ ENCODER 76 8.5 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN ACS712 78 8.6 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 80 8.7 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG 82 8.8 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 84 8.8.1 Kiểm nghiệm code đo tốc độ dòng điện 84 8.8.2 Điều khiển tốc độ động 85 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1 - Tải chuyển động quay Hình - Tốc độ yêu cầu tải Hình - Sơ đồ khối tổng quát hệ thống Hình - Các phận máy điện chiều Hình 2 - Cấu tạo stator (phần đứng yên) Hình - Cấu tạo rotor (phần quay) Hình - Nguyên tắc hoạt động (1) Hình - Nguyên tắc hoạt động (2) Hình - Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập Hình - Đặc tính - điện Hình - Đặc tính Hình - Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi Rf Hình 10 - Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi 𝜙 10 Hình 11 - Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi Uư 11 Hình - Mơ hình tải chuyển động quay 13 Hình - Mơ hình tải 3D 14 Hình 3 - Mơ chuyển động 15 Hình - Tốc độ mong muốn tải động 15 Hình - Đồ thị momen điện từ động 18 Hình - Đồ thị cơng suất động 20 Hình - Đồ thị momen điện từ công suất động 21 Hình - Đồ thị điểm làm việc động 22 Hình - Mạch cầu H 23 Hình 10 - Động C23-L33-W20 24 Hình 11 - Hộp số TG112-10A 25 Hình 12 - Encoder Omron E6B2 – CWZ6C 27 Hình 13 - ACS712 28 Hình 14 - Sơ đồ hệ thống truyền động tổng quát 29 Hình - Sơ đồ tổng quát mạch nguồn 30 Hình - Máy biến áp 31 Hình - Diode 31 Hình 4 - Nguyên lý hoạt động 32 Hình - Diode cầu 33 HÌnh - Tụ hóa tụ gốm 33 Hình - IC LM338K 34 Hình - IC 7805 35 Hình - Sơ đồ chi tiết mạch nguồn 35 Hình 10 - Sơ đồ ngun lí mạch cầu H 36 Hình 11 - IRF6609 38 Hình - Sơ đồ nguyên lí thay động chiều kích từ độc lập 39 Hình - Mơ hình tốn học động 40 Hình - Mơ hình tốn học động 41 Hình - Sơ đồ mạch cầu H 42 Hình 5 - Mơ hình tốn biến đổi 43 Hình - Sơ đồ mơ hình tốn hệ thống 44 Hình - Mơ hình tốn hệ thống 45 Hình - Mơ hình tốn hệ thống 45 Hình - Mơ hình tốn mạch vịng dịng điện 46 Hình - Mơ hình tốn mạch vịng tốc độ 48 Hình - Mơ hình tốn mạch vịng tốc độ 48 Hình - Sơ đồ mơ hình tổng thể hệ thống 50 Hình - Sơ đồ chi tiết khối nguồn 50 Hình - Kết mô khối nguồn 51 Hình - Sơ đồ chi tiết khối mạch cầu H 52 Hình - Sơ đồ chi tiết khối phát xung 53 Hình - Dạng sóng tải 54 Hình 7 - Dạng sóng đầu 54 Hình - Sơ đồ chi tiết khối PID 55 Hình - Khối PID dòng điện 55 Hình 10 - Khối PID tốc độ 56 Hình 11 - Sơ đồ chi tiết khối động 56 Hình 12 - Thơng số động 57 Hình 13 - Kết mơ 57 Hình 14 - Động sau lắp hộp số 58 Hình 15 - Kết mơ 58 Hình 16 - Kết mơ 59 Hình 17 - Giá trị đặt momen 60 Hình 18 - Giá trị đặt tốc độ 60 Hình 19 - Kết mơ tốc độ 61 Hình 20 - Kết mơ tốc độ zoom 61 Hình 21 - Kết mơ tốc độ, dịng điện momen 62 Hình 22 - Kết mô tốc độ, điện áp momen 63 Hình 23 - Kết mô tốc độ, điện áp momen zoom lớn 63 Hình 24 - Tín hiệu nhiễu 64 Hình 25 - Đồ thị tốc độ, dòng điện, momen động có nhiễu 65 Hình - Mặt Arduino Uno R3 66 Hình - Mặt Arduino Uno R3 66 Hình – Sơ đồ cấu tạo Arduino 68 Hình - Sơ đồ chi tiết chân Arudino 70 Hình - LCD 20x4 71 Hình - Modulde I2C 73 Hình - Mosfet phía cao 74 Hình 8 - Mosfet phía thấp 74 Hình - IC IR2112 75 Hình 10 – Cấu tạo Encoder 76 Hình 11 - Nguyên lý hoạt động 77 Hình 12 - Sơ đồ nối dây Encoder 78 Hình 13 - Sơ đồ nối dây 79 Hình 14 - Arduino LCD 20×4 82 Hình 15 – Nửa phía bên trái mạch cầu H 82 Hình 16 - Động cảm biến dòng 83 Hình 17 - Toàn hệ thống 83 Hình 18 - Dòng điện dương, tốc độ dương 84 Hình 19 - Dòng điện âm, tốc độ âm 84 Hình 20 - Tốc độ động tăng theo chiều dương 85 Hình 21 - Tốc độ động ổn định 200 rpm 85 Hình 22 - Động giảm tốc tăng tốc theo chiều âm 86 Hình 23 - Tốc độ ổn định -200 rpm 86 Hình 24 - Tốc độ động trở 87 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames hiệu xung A B phổ biến Tín hiệu khe Z tín hiệu để xác định động quay vòng + Absolute encoder (Tuyệt đối): Tương ứng đĩa quay 8bit hay dãy rãnh, cho ngõ dạng mã kỹ thuật số(BCD), Binary (nhị phân), Gray code Hình 12 - Sơ đồ nối dây Encoder 8.5 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN DỊNG ĐIỆN ACS712 - Cảm biến dịng điện ACS712 (Hall Effect Current Sensor) dựa hiệu ứng Hall để đo dòng điện AC/DC Trang 78 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames Hình 13 - Sơ đồ nối dây - Cách sử dụng: + Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ Ip- chiều, dòng điện từ Ip+ đến Ip- Vout mức điện áp tương ứng 2.5~5VDC tương ứng dòng 0A~5A, mắc ngược Vout điện 2.5~0VDC tương ứng với 0A~(-5A) + Khi cấp nguồn 5VDC cho module chưa có dịng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp) Vout = 2.5VDC Trang 79 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames 8.6 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN Trang 80 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames Trang 81 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames 8.7 SƠ ĐỒ MƠ PHỎNG Hình 14 - Arduino LCD 20×4 Hình 15 – Nửa phía bên trái mạch cầu H Trang 82 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames Hình 16 - Động cảm biến dịng Hình 17 - Toàn hệ thống Trang 83 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames 8.8 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 8.8.1 Kiểm nghiệm code đo tốc độ dịng điện Hình 18 - Dịng điện dương, tốc độ dương Hình 19 - Dịng điện âm, tốc độ âm ➢ Nhận xét: Đo tốc độ dịng điện xác Trang 84 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames 8.8.2 Điều khiển tốc độ động Hình 20 - Tốc độ động tăng theo chiều dương Hình 21 - Tốc độ động ổn định 200 rpm Trang 85 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames Hình 22 - Động giảm tốc tăng tốc theo chiều âm Hình 23 - Tốc độ ổn định -200 rpm Trang 86 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames Hình 24 - Tốc độ động trở ➢ Nhận xét: - Tốc độ động trải qua giai đoạn: + Giai đoạn 1: tốc độ động rpm động tăng tốc dần theo chiều dương + Giai đoạn 2: động chạy chạy ổn định tốc độ 200 rpm khoảng thời gian + Giai đoạn 3: tốc độ động giảm + Giai đoạn 5: động tăng tốc dần theo chiều âm + Giai đoạn 5: động chạy ổn định tốc độ -200 rpm khoảng thời gian - Giai đoạn 6: tốc độ động giảm =>> Tốc độ động có dạng giống với đồ thị đặt - Tốc độ cịn có q điều chỉnh - Dòng điện giao động Trang 87 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames 8.9 CODE #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4); #include #define PWM1 #define PWM2 11 #define analogPin A0 #define Kpw 0.10 #define Kdw #define Kiw 0.004 #define Kpi 0.005 #define Kdi #define Kii int value = 0; float T,xung; float tocdo, tocdodat, dongdien,volt; double Ew,E1w,E2w,Ei,E1i,E2i; double alphaw, betaw, gammaw,alphai, betai, gammai; Trang 88 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames double Outputw, LastOutputw,Outputi, LastOutputi; double thoigian; void setup(){ TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000010; pinMode(2,INPUT_PULLUP); pinMode(8,INPUT_PULLUP); pinMode(PWM1,OUTPUT); pinMode(PWM2,OUTPUT); lcd.init(); lcd.backlight(); tocdo=0; Ew=0; E1w=0; E2w=0; Ei=0; E1i=0; E2i=0; Outputw = 0; LastOutputw = 0; Outputi = 0; LastOutputi = 0; T=0.02; attachInterrupt(0,Demxung,FALLING); Timer1.initialize(20000); //don vi us Timer1.attachInterrupt(PID); } Trang 89 PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động điện Nhóm: Flames void loop(){ thoigian=(float)millis()/1000; if (millis()4000)&&(millis()8000)&&(millis()12000)&&(millis()16000)&&(millis() 0) { analogWrite(PWM1, Outputi); analogWrite(PWM2, 0);} else { analogWrite(PWM1, 0); analogWrite(PWM2, abs(Outputi));} } Trang 92 ... Hình 7 - Dạng sóng đầu 54 Hình - Sơ đồ chi tiết khối PID 55 Hình - Khối PID dịng điện 55 Hình 10 - Khối PID tốc độ 56 Hình 11 - Sơ đồ chi tiết khối động ... PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU THEO CẤU TẠO – Phân loại theo chức năng: • Máy phát điện chiều: chuyển đổi thành điện • Động điện chiều: chuyển đổi điện thành - Phân loại theo phương pháp kích từ: •... - Khối mạch chỉnh lưu tồn sóng gồm diode mắc theo hình cầu (diode cầu) - Diode loại linh kiện bán dẫn cho phép dịng điện qua theo chiều mà khơng theo chiều ngược lại Hình - Diode Trang 31 PBL2: