Thiết kế bộ điều khiển để ổn định tốc độ động cơ điện một chiều

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - LÊ VĂN TRIỂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Đại học Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử NGƢỜI HƢỚNG DẪN: THS ĐÀO ANH QUÂN Phú Thọ, 2017 ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG LỜI CẢM ƠN Trong sống khơng có thành công mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp ngƣời khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập trƣờng đến nay, em nhận đƣợc nhiều quan tâm, giúp đỡ q thầy cơ, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Công nghệ đặc biệt thầy cô môn Điện, điện tử - Trƣờng Đại học Hùng Vƣơng dùng tâm huyết, lịng nhiệt tình với kiến thức có đƣợc để truyền đạt, bảo cho em kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trƣờng Và đặc biệt, học kỳ Nếu khơng có hƣớng dẫn, bảo tậm tình thầy báo cáo em khó hồn thiện đƣợc Bài báo cáo đồ án em đƣợc thực khoảng thời gian khoảng tháng Bƣớc đầu vào thực tế nghiên cứu em nhận thấy vốn kiến thức thân hạn chế gặp nhiều khó khăn Nhƣng nhờ có giúp đỡ, bảo giảng viên hƣớng dẫn thầy ThS Đào Anh Quân nên vấn đề em đƣợc giải Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc tới Thầy, xin chúc thầy sức khỏe, công tác tốt với thầy cô trƣờng đào tạo sinh viên ƣu tú phục vụ cho đất nƣớc Trong trình nghiên cứu, nhƣ trình viết báo cáo, khó tránh khỏi sai sót, nên em mong nhận đƣợc quan tâm với bảo, ý kiến đóng góp thầy cô bạn sinh viên đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Phú Thọ, ngày 10 tháng 05 năm 2017 Sinh viên thực Lê Văn Triển ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm gần đây, phát triển kỹ thuật điều khiển truyền động điện cho dây chuyền sản xuất công nghiệp đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn Cùng với phát triển phƣơng pháp điều khiển động đƣợc nghiên cứu phát triển ngày tối ƣu Bên cạnh việc sâu tìm hiểu giải pháp điều khiển cho động chiều đƣợc nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Đã có nhiều tài liệu nghiên cứu điều khiển động chiều Trong nhiều phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc ứng dụng thực tế chế tạo thành sản phẩm thƣơng mại đƣợc nghiên cứu rộng rãi công nghiệp Tuy nhiên phƣơng pháp điều khiển đƣợc ứng dụng phƣơng pháp truyền thống, dựa phƣơng pháp điều khiển sử dụng phần tử bán dẫn thơng dụng điều khiển góc mở cho van bán dẫn Trong năm gần có số cơng trình nghiên cứu sử dụng vi điều khiển ứng dụng điều khiển đại Đã giúp tối thiểu hóa mạch điều khiển hệ truyền động nâng cao tính linh hoạt điều khiển tự động truyền động điện Việc điều khiển số động chiều quan trọng cần thiết Vì việc nghiên cứu điều khiển PID để điều khiển, ổn định tốc độ động điện chiều phù hợp cần thiết Trong dây truyền sản xuất nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp ln có máy sản xuất cơng nghiệp đòi hỏi phải điều chỉnh trơn tốc độ theo u cầu cơng nghệ Từ đó, điều chỉnh tốc độ động cho phù hợp với yêu cầu công nghệ đặt Để có nhiều cấp tốc độ khác ta thay đổi cấu truyền động khí máy nhƣ tỷ số truyền thay đổi tốc độ động truyền động Tuy nhiên, phƣơng pháp có nhƣợc điểm khơng điều chỉnh trơn đƣợc tốc độ động Điều chỉnh tốc độ truyền động điện thay đổi tốc độ động để phù hợp với yêu cầu sản xuất Muốn điều chỉnh đƣợc tốc độ động ta phải dựa vào nhiều yếu tố nguồn điện, tải, ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG yếu tố thay đổi tốc độ động thay đổi ứng với yếu tố ta có phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động tƣơng ứng Trong thực tế điều chỉnh tốc độ động điện chiều có ba phƣơng pháp để điều chỉnh tốc độ là: + Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động (Uƣ) + Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông (  ) + Điều chỉnh giá trị điện trở phụ mạch phần ứng (Rf) Cấu trúc phần động lực hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động điện chiều cần có biến đổi Các biến đổi cấp cho mạch phần ứng động mạch kích từ động nhà máy sản xuất có bốn biến đổi: + Bộ biến đổi máy điện gồm: Động sơ cấp kéo máy phát chiều máy điện khuếch đại (KĐM) + Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT) + Bộ biến đổi chỉnh lƣu bán dẫn: Chỉnh lƣu thysistor + Bộ biến đổi xung áp chiều: Thysistor transistor Trong ngành sản xuất nay, công nghệ tiên tiến, dây truyền thiết bị hiên đại thâm nhập vào nƣớc ta Vớí sách mở cửa Đảng Nhà nƣớc, chắn kỹ thuật tiên tiến giới ngày thâm nhập vào Việt Nam Tác dụng công nghệ dây truyền, thiết bị đại góp phần tích cực thúc đẩy phát triển nghiệp cơng nghiệp hố, đại hoá nƣớc ta Các máy điện đại lĩnh vực đa phần hoạt động nhờ vào điện thông qua thiết bị chuyển đổi điện thành năng, nhiệt Trong dây truyền đại, thiết bị máy móc khác muốn hoạt động, vận hành không kể đến động điện, có động điện chiều ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG Trong nhiều máy móc cần đến loại động điện chiều với mức công suất to nhỏ khác phù hợp với chức hoạt động Động điện chiều dùng để biến đổi điện thành hay thành điện (khi hãm) Nói tóm lại động điện chiều đƣợc sử dụng rộng rãi phổ biến dây truyền thiết bị, cấu vận hành nhƣ thang máy, máy nâng Nó có vai trị quan trọng cần thiết q trình cơng nghiệp hố đại hoá đất nƣớc ta Với cấu tạo khơng q phức tạp khó khăn cho chế tạo sửa chữa Góp phần cải thiện sống, sức lao động ngƣời nói chung nhân dân Việt Nam ta nói riêng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Hiện động điện chiều đóng vai trị quan trọng ngành công nghiệp nhƣ sống Động điện chiều đƣợc ứng dụng phổ biến ngành cơng nghiệp khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm cánh tay Robot Để thực nhiệm vụ công nghiệp điện tử với độ xác cao, lắp ráp dây chuyền sản xuất, yêu cầu có điều khiển tốc độ Đối với phƣơng pháp điều khiển kinh điển, cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, vi phân) đƣợc dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Chất lƣợng hệ thống phụ thuộc vào tham số KP, TI, TD điều khiển PID Nhƣng hệ số điều khiển PID đƣợc tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, trình vận hành phải hiệu chỉnh hệ số cho phù hợp với thực tế Để phát huy tốt hiệu điều khiển ta phải biết xác thông số kiểu đối tƣợng cần điều khiển Hơn nữa, điều khiển xác giai đoạn tuyến tính cịn giai đoạn phi tuyến phƣơng pháp điều khiển kinh điển khơng thực đƣợc Mục tiêu điều khiển nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển tự động ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG Tuy nhiên, thực tế có nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau, với yêu cầu đặc tính phức tạp khác Do cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm phƣơng pháp điều khiển cụ thể cho đối tƣợng Mục đích cuối tìm kiếm điều khiển cho hệ truyền động điện ngày đạt đƣợc chất lƣợng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, hiệu đạt đƣợc cao nhất, đáp ứng yêu cầu tự động hoá truyền động điện dây chuyền sản xuất Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, ngành kỹ thuật điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt vấn đề địi hỏi phải nghiên cứu hồn thiện hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu ngày cao thực tế sống phù hợp với xu phát triển khoa học công nghệ Việc nghiên cứu xây dựng điều khiển tốc độ cho động điện chiều dựa lý thuyết điều khiển đại vấn đề cần thiết, việc gắn liền nhiệm vụ nghiên cứu thực tiễn sống Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, phƣơng pháp đƣợc nhiều nhà khoa học ngồi nƣớc sử dụng nhiều phƣơng pháp điều khiển PID số Trong đề tài này, sử dụng phƣơng pháp điều khiển PID số phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mơ hình hố mô hệ thống điều khiển, công cụ đắc lực trợ giúp việc nghiên, có khả ứng dụng vào việc nghiên cứu mô hệ truyền động động chiều Động điện chiều thƣờng dùng hệ thống truyền động điện địi hỏi chất lƣợng cao Chính mà hệ thống điều khiển cho hệ truyền động phải đáp ứng nhiều tiêu chặt chẽ Đối với động điện chiều, thông số thƣờng bị thay đổi làm ảnh hƣởng chất lƣợng điều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ máy điện bị bão hòa làm điện cảm mạch phần ứng Lƣ động suy giảm Điện trở mạch phần ứng Rƣ máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, số thời gian mạch phần ứng Tƣ = Lƣ/Rƣ thay đổi trình làm việc Với mạch kích từ, từ thơng Φ bị thay đổi dẫn đến số thời gian học Tc thay đổi Khi xét đến tải hệ truyền động mơ men qn tính ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG tải thƣờng bị thay đổi, làm cho mơmen qn tính hệ quy đổi trục động thay đổi Nếu phƣơng pháp điều khiển kinh điển gặp nhiều khó khăn việc tính tốn, thiết kế điều khiển đạt đƣợc chất lƣợng cao Do việc nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp điều khiển PID số để điều khiển tốc độ động điện chiều hƣớng nghiên cứu đƣợc nhiều ngƣời quan tâm hƣớng nghiên cứu có nhiều triển vọng, nhƣ có nhiều giá trị ứng dụng thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế chế tạo thành công điều khiển để ổn định tốc độ động điện chiều ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG PHẦN NÔI DUNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo, phân loại động điện chiều a Cấu tạo động điện chiều  Động điện chiều phân thành hai phần chính: Phần tĩnh phần động Cổ góp Chổi than Rãnh Cực từ Cuộn dây Stator Rotor Hình 1.1 Cấu tạo động điện chiều  Phần tĩnh hay stato hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trƣờng gồm có: + Mạch từ dây kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động đƣợc kích từ nam châm điện), mạch từ đƣợc làm sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ đƣợc làm dây điện từ, cuộn dây điện từ đƣợc mắc nối tiếp với + Cực từ chính: Là phận sinh từ trƣờng gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG Bu lông Vỏ máy Lõi sắt cực từ Dây quấn kích từ Hình 1.2 Cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5mm đến 1mm, chúng đƣợc ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông Dây quấn kích từ đƣợc quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây đƣợc bọc cách điện kỹ thành khối, phủ sơn cách điện trƣớc đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đƣợc đặt cực từ đƣợc nối tiếp với + Cực từ phụ: Cực từ phụ đƣợc đặt cực từ Lõi thép cực từ phụ thƣờng làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống nhƣ dây quấn cực từ Cực từ phụ đƣợc gắn vào vỏ máy nhờ bulông + Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thƣờng dùng thép dày uốn hàn lại, máy điện lớn thƣờng dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy + Các phận khác: Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hƣ hỏng dây ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG quấn an toàn cho ngƣời khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trƣờng hợp nắp máy thƣờng làm gang Cơ cấu chổi than: Để đƣa dịng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than đƣợc cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay đƣợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ, sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại  Phần quay hay rotor: Bao gồm phận sau + Phần sinh sức điện động gồm có: Mạch từ đƣợc làm vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có rãnh để lồng dây quấn phần ứng Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với theo quy luật định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây đầu dây bối dây đƣợc nối với phiến đồng gọi phiến góp, phiến góp đƣợc ghép cách điện với cách điện với trục gọi cổ góp hay vành góp Tỳ cổ góp cặp trổi than làm than graphit đƣợc ghép sát vào thành cổ góp nhờ lị xo + Lõi sắt phần ứng: Rãnh Lỗ đục thơng gió Hình 1.3 Lõi sắt phần ứng ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phƣơng Hà, Điều khiển tự động, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 1996 [2] Nguyễn Văn Hoà, Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1998 [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dƣơng Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2008 [4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ Sở Truyền Động Điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [5] Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1994 [6] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 75 PHỤ LỤC Sau thời gian nghiên cứu đề tài thử nghiệm lập trình hai phần mềm Matlab & Simulink phần mềm Arduino IDE, em có viết thêm chƣơng trình điều khiển vị trí phần mềm Arduino IDE ngơn ngữ lập trình C cho mơ hình sản phẩm thêm phong phú Đây phần mở rộng đề tài nghiên cứu Ứng với góc quay có số KP KI KD khác để điều khiển động Khi thay đổi hệ số đồng nghĩa với việc ta thay đổi góc quay động Việc xác định hệ số dựa vào phƣơng pháp Zeigle – Nichols Ta có Code chƣơng trình điều khiển vị trí quay góc  động nhƣ sau: #include double T, xung, vong; double vitri, vitridat; double E, E1, E2; double alpha, beta, gamma, Kp, Kd, Ki; double Output, LastOutput; void setup() { // put your setup code here, to run once: pinMode(2, INPUT_PULLUP); // chan ngat _encoder pinMode(3, INPUT_PULLUP); // chan encoder pinMode(5, OUTPUT); // chan pwm pinMode(10, OUTPUT); // chan dir1 pinMode(11, OUTPUT); // chan dir2 ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 76 vitridat =  ; vitri = 0; E = 0; E1 = 0; E2 = 0; Output = 0; LastOutput = 0; // thong so PID T = 0.1; Kp = x; Kd = y; Ki = z; // voi x, y, z la bo ba he so Kp, Ki, Kd Serial.begin(9600); attachInterrupt(0, Demxung, FALLING); Timer1.initialize(10000); Timer1.attachInterrupt(PID); } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: int i; for (i = 0; i < 10; i++) delay(1); Serial.println(vitri); } void Demxung() { if (digitalRead(3) == LOW) xung++; else xung ; } ĐẠI HỌC HÙNG VƢƠNG 77 void PID() { vitri = ((xung*360)/100); //xung = 0; E = vitridat - vitri; alpha = * T * Kp + Ki * T * T + * Kd; beta = T * T * Ki - * Kd - * T * Kp; gamma = * Kd; Output = (alpha * E + beta*E1 + gamma * E2 + * T * LastOutput) / (2 * T); LastOutput = Output; E2 = E1; E1 = E; if (Output > 255) Output = 255; if (Output < -255) Output = -255; if (Output > 0) { analogWrite(5, Output); digitalWrite(10, LOW); digitalWrite(11, HIGH); } else if(Output