ĐIỀU KHIỂN và GIÁM sát tốc độ ĐỘNG cơ điện một CHIỀU TRÊN máy TÍNH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN DỰ ÁN LIÊN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2 (PBL 2) ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MÁY TÍNH GVHD TS NGÔ ĐÌNH THANH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN DỰ ÁN LIÊN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA (PBL 2) ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MÁY TÍNH GVHD: TS.NGƠ ĐÌNH THANH PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG TS GIÁP QUANG HUY TS TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH SV: DƯ CHÍ TUYẾN ĐÀO TIẾN DŨNG PHẠM QUANG TRUNG HỒNG VĂN CƠNG NGUYỄN THÁI TRUNG 1) 6)Tính tốn thơng số mơ hệ thống…… …………………………….30 6.1) Tính tốn thông số Kpc , K ic, Kps , K is …………………………………………30 6.2) Mô MATLAB, kiểm nghiệm đánh giá chất lượng hệ thống……………………………………………………………………………………………… 35 1) MÔ TẢ DỰ ÁN Dự án yêu cầu sinh viên làm việc nhóm để thiết kế hệ thống truyền động điện với tải chuyển động quay chuyển động tịnh tiến Thực điều khiển biến đổi công suất để thay đổi điện áp đặt lên động cơ, từ thay đổi tốc độ chuyển động động Sản phẩm dự án bao gồm: Bản vẽ mô hình hệ thống tải, mạch ngun lý, sơ đồ mơ phỏng, chương trình mơ hệ thống truyền động điện mang tải, báo cáo thuyết minh dự án, file trình chiếu powerpoint, vẽ thiết kế mạch chi tiết hệ thống Trong trường hợp quay lại trường sớm nhóm làm prototype sản phẩm Hình 1a - Sơ đồ khối tổng quát hệ thống Hình 1b - Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 1.1)Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập SV lựa chọn loại biến đổi Bộ chỉnh lưu (cơng suất động trung bình) Bộ biến đổi Bộ băm áp (công suất động nhỏ) Hình - Hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập với Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển Hình - Hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập với Bộ biến đổi băm xung áp \ Yêu cầu: từ đặc tính tải chuyển động quay hay chuyển động tịnh tiến, nhóm tính tốn lựa chọn động để thiết kế điều khiển phù hợp cho hệ thống, từ lựa chọn mạch cơng suất, thiết kế mạch điều khiển phát xung Số thành viên tối đa nhóm thành viên Sau thống nhóm, thành viên khơng phép đổi nhóm Mỗi thành viên có trách nhiệm, thống phân chia vai trò nhiệm vụ để phối hợp thiết kế hệ thống phải am hiểu toàn hệ thống Các thành viên thống lựa chọn phương án thiết kế phù hợp đồng ý giảng viên hướng dẫn * Tải chuyển động tịnh tiến: Tài liệu tham khảo dự án: + Tài liệu học tập môn học: Truyền động điện, Điện tử công suất + GV cung cấp thêm tài liệu trình hướng dẫn 1.2) Phương trình đặc tính 1.2.1 Khởi động Nếu khởi động cách đóng điện trực tiếp cấp nguồn cho động với giá trị định mức, động khởi động với đặc tính tự nhiên: ω= ω= Lúc khởi động, tốc độ quay động 0: ω =0 = Do điện trở cuộn dây phần ứng động thường nhỏ, nên dòng điện khởi động động lớn, thường gấp 10 đến 25 lần dòng điện định mức động Với giá trị dòng điện khởi động lớn, không cho phép mặt chuyển mạch vành góp, sụt áp nguồn điện gây xung lực cấu truyền động Mô-men khởi động lớn gây vặn xốn, gãy trục nối động với tải Tác hại nghiêm trọng hệ thống cần khởi động, hãm máy nhiều lần trình làm việc ω= *Giải pháp hạn chế dòng điện khởi động động Starting resistors Nối thêm cấp điện trở phụ mạch phần ứng động cắt dần trình khởi động Soft starter Khởi động với điện áp phần ứng ban đầu có giá trị nhỏ, sau tăng dần q trình khởi động: 1.2.2 Đảo chiều Có cách để đảo chiều động điện chiều kích từ độc lập: + Đảo chiều điện áp phần ứng + Đảo chiều từ thơng kích từ Phương trình đặc tính đảo chiều: ω=- -M Nếu giữ nguyên điện áp định mức, dòng điện đảo chiều có giá trị lớn, đốt nóng động Đồng thời gây mô-men đảo chiều lớn => Gây xung lực, vặn xoắn nguy hiểm cho động cơ, tải hệ thống sản xuất = = Đảo chiều điện áp phần ứng kích từ Đảo chiều từ thơng Đặc tính đảo chiều Đặc tính đảo chiều động • Ban đầu động làm việc ổn định điểm A hình vẽ • Trong giai đoạn động đảo chiều đường đặc tính theo đường mũi tên hình vẽ • Sau động hoạt động ổn định sau trải qua trình độ động làm việc ổn định điểm C hình vẽ 1.3 Mơ hình tốn học động chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý động điện phần ứng động chiều kích từ độc lập từ độc lập Phương trình điện áp mạch phần ứng: (1) Sơ đồ thay mạch điện chiều kích Phương trình mô-men điện từ: (t) (2) Suất điện động cảm ứng rotor: (3) = Phương trình mơ tả quan hệ điện-cơ: J (4) Chuyển phương trình điện áp mạch phần ứng từ miền thời gian sang miền Laplace: (5) Chuyển phương trình suất điện động cảm ứng rotor từ miền thời gian sang miền Laplace : (6) Thay phương trình (6) vào (5) rút ra: Tương tự, từ phương trình (3) (4) rút được: 2) CHỌN ĐỘNG CƠ 2.1) Chọn thông số Chọn tốc độ dài động vào lúc ổn định 0,2 m/s Chọn tốc độ dài động lúc khởi động 0,2 m/s Tải nặng 1,5kg Chiều dài băng tải 1m Bán kính bánh 2cm Khối lượng băng tải 0,2 kg Tốc độ dài lúc ổn định : ωOD = = 0,2 / 0,02 = 10 (rad/s) Tốc độ dài lúc khởi động : ωKD = = 0,2/ 0,02 = 10 (rad/s) Chọn thời gian khởi động : 1s Chọn thời gian ổn định : 3s Chọn thời gian đảo chiều 2s Chọn thời gian từ lúc ổn định tốc độ âm 1s => Trong thời gian từ lúc ổn đinh 10 rad/s tốc độ góc thời gian từ lúc ổn đinh tốc độ dài 1s => Trong thời gian tăng từ đến -10 rad/s tốc độ góc thời gian từ lên 0,25 m/s tốc độ dài 1s Thời gian khởi động từ →1s Thời gian ổn định lúc đầu → 4s Thời gian đảo chiều → 6s Thời gian ổn định lúc sau với động quay ngược chiều → 9s Thời gian lúc dừng động từ khoảng ổn định thời điểm 10s 2.2) Tính tốn momen điện từ cơng suất động Ta có cơng thức: Tem = r2 M + r fL Trong đó:_r bán kính rịng rọc 6) Tính tốn thơng số mơ hệ thống 6.1) Tính tốn thơng số Kpc , K ic, Kps , K is Ta đưa mơ hình tốn hệ thống dạng sau: Hình 6.1 – Mơ hình tốn hệ thống Trong Gcs(s) hàm truyền đạt điều khiển tốc độ, Gcc(s) hàm truyền đạt điều khiển dòng điện Trong phần này, xét trường hợp động có cơng suất nhỏ bỏ qua ảnh hưởng suất điện động cảm ứng sơ đồ mơ hình tốn học Khi đó, mơ hình tốn học hệ truyền động điện đưa dạng: Hình 6.2 – Mơ hình tốn hệ thống A Xác định tần số cắt: Chọn tần số lấy mẫu fsp = 4000 Tần số cắt hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện ωcc bị ảnh hưởng yếu tố: tần số chuyển mạch tần số lấy mẫu Các nghiên cứu lý thuyết nên hạn chế bang thơng tần số lấy mẫu, đó: fcc = fsp = 4000 = 160 ωcc = 2π fcc = 2π 160 = 320π rad/s Tần số lấy mẫu mạch vòng tốc độ chậm so với mạch vịng dịng điện Do đó, chọn tần số cắt ωcs hàm truyền hở mạch vòng tốc độ bằng: ωcs = = B = 64π rad/s Tổng hợp mạch vịng dịng điện: Hình 6.3 – Mơ hình tốn mạch vịng dịng điện Hàm truyền hệ hở đưa dạng: K ic  s +  K pc Gc ( s ) = K pc   s     L a  Κ PWM  s + Ra  La  Để loại trừ điểm cực không (pole-zero cancellation method) chọn Kpc Kic cho: La Kic = Ra K pc Chúng ta có biên độ hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện cho tần số cắt: Gc ( jωcc ) = ωcc =  La   K pc Κ PWM  ÷ ÷  =1 K pc Κ PWM La Từ đó, xác định hệ số Kpc Kic điều khiển dòng điện: K pc K ic = C La ωcc 0,84 10−3 320π = = = 0.3519 Κ PWM 2.4 K Κ Ra R ω 1.320π K pc = a cc = pc PWM = = 418,879 La Κ PWM 2, 2, Tổng hợp mạch vịng tốc độ: Hình 6.4 – Mơ hình tốn mạch vịng tốc độ Hình 6.5 – Mơ hình tốn mạch vịng dịng điện Tương tự cách làm tổng hợp mạch vòng dòng điện, xác định hàm truyền hệ hở mạch vòng tốc độ đưa dạng: K is  s +  K ps  Gcs ( s) = K ps  s    Kt  J eq   s+ B  J eq  Theo phương pháp zero-pole cancellation, chọn Kps Kis cho: Lis B = R ps J eq Khi hàm truyền hệ hở viết lại:  Kt J Gcs ( s ) = K ps  eq  s     =   J eq     K ps K t  s ÷ ÷  Chúng ta có biên độ hàm truyền hệ hở mạch vòng tốc độ cho tần số cắt: 1,84.10−6 K ps = ωcs = 64π = 1, 2332 Kt 0, 03 J eq Từ đó, xác định hệ số Kps Kis điều khiển tốc độ: B ωcs 5.10−5.64π B K is = K ps = = = 0,3351 J eq Kt 0, 03 6.2) Mô MATLAB, kiểm nghiệm đánh giá chất lượng hệ thống A Sơ đồ MATLAB: Các thơng số: Nguồn đầu vào dịng điện pha lấy từ lưới điện nhà 220 VAC Sau qua máy biến áp 30 VAC Bộ lọc LC có giá trị cuộn cảm 470 μH giá trị tụ điện 470 μC Động có điện trở phần ứng điện kháng phần ứng 2,3 Ω 0,84 mH Động có mơ-men qn tính 1,84 10-6 kg/m.s2 Hệ số ma sát Viscous 10-5 Ta có hệ số Kpc Kic điều khiển dòng điện : Kpc = 0,3519 Kic = 418,879 Ta có hệ số Kps Kis điều khiển tốc độ : Kps = 1,2232 Kis = 0,3361 B Bộ điều khiển băm xung góc phần tư DC – DC : Ta thấy rằng, điều khiển phát xung cho băm xung DC – DC có phản hồi tổng hợp từ dòng điện tốc độ đầu đưa qua giới hạn tới khâu phát xung Bên khâu phát xung có tín hiệu điện áp tam giác so sánh với điện áp tham chiếu đưa đến ngõ van băm xung Vì tín hiệu van đảo tín hiệu van tín hiệu van tín hiệu đảo tín hiệu van nên không xảy trường hợp trùng dẫn gây cháy động C Kiểm nghiệm đánh giá kết mô Kết đặc tính tốc độ, dịng điện mơ men tải: Đồ thị tốc độ động : _Nhận xét: Đồ thị tốc độ động đạt mong muốn, bám sát với yêu cầu hệ thống Khi tăng Kps đồ thị sát với thực tế, cịn giảm độ Kí biên độ đập mạch giao động giảm Khâu P có tác dụng tỉ lệ với đầu vào khâu I có tác dụng triệu tiêu sai lệch lại tăng thời gian đáp ứng Đồ thị dòng điện phần ứng: _Nhận xét: Đồ thị dòng điện phần ứng mong muốn, bám sát với yêu cầu thực nghiệm Tuy có biên độ đập mạch độ dập mạch nhỏ mức cho phép Cũng giống với điều khiển tốc độ, hệ số Kpc Kic dòng điện điều chỉnh độ độ, vọt lố giúp cho đồ thị mô sát với yêu cầu hệ thống Khâu tỉ lệ có tác dụng tỉ lệ đầu vào khiến đồ thị bám sát lý thuyết khâu I giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh, giảm độ giao động lại khiến tăng thời gian đáp ứng Ban đầu dịng điện tăng thời gian ngắn dịng điện khởi động ban đầu cao lúc khởi động chưa có tốc độ động I a (t ) = Va − K E Φ t ω (t ) K e Φ t Ban đầu tốc độ động = nên IKĐ lớn Đồ thị Momen điện từ: Nhận xét: Đồ thị dòng điện phần ứng mong muốn, bám sát với yêu cầu thực nghiệm Tuy có biên độ đập mạch độ dập mạch nhỏ mức cho phép Hệ số Kpc Kic dòng điện điều chỉnh độ độ, vọt lố giúp cho đồ thị mô sát với yêu cầu hệ thống Khâu tỉ lệ có tác dụng tỉ lệ đầu vào khiến đồ thị bám sát lý thuyết khâu I giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh, giảm độ giao động lại khiến tăng thời gian đáp ứng Sở dĩ có giống đồ thị dòng điện phần ứng độ thị Momen điện từ ta có cơng thức : M e (t ) = K M Φ t I a (t ) D Phân tích: +) Các khoảng thời gian chuyển giao tốc độ yêu cầu tăng tùy thuộc vào dấu tốc độ (quay thuận chiều hay ngược chiều) công thức: I a (t ) = Va − K E Φ t ω (t ) K e Φ t +) Khi tốc độ động khơng biến thiên, momen dịng điện biến thiên +) Xét < � ≤ 1: tốc độ yêu cầu động thay đổi nên momen dòng điện động quay theo chiều thuận +) Xét ≤ � ≤ 4: tốc độ động khơng đổi khiến cho dịng điện Momen điện từ không đổi +) Xét ≤ � ≤ 5: tốc độ động giảm dần theo chiều dương nên dòng điện Momen tăng( Khi động quay thuận tốc độ tăng dịng điện Momen giảm) +) Xét ≤ � ≤ 6: tốc độ động tăng theo chiều âm (góc phần tư thứ tư tiến trục Oy) khiến cho dòng điện Momen điện từ giảm +) Xét ≤ � ≤ 9: Tốc độ động không đổi nên mô men không đổi +) Xét ≤ � ≤ 10: Tốc độ động giảm theo chiều ngược lại giúp cho momen tăng, hãm ngược Nhận xét: Tuy nhiên, khâu lọc chưa thiết kế tốt nên dao động nhiều kết đầu ảnh khoảng dao động tương đối bé khiến ta khó nhận thay đổi E Tương quan momen, điện áp tốc độ _Phân tích: +) Khi tốc độ yêu cầu động tăng, điện áp đặt vào phần ứng( Va(t) ) động tăng để tốc độ thực đạt yêu cầu +) Khi tốc độ không đổi, điện áp đặt vào động momen không đổi +) Khi tốc độ đảo chiều, chỉnh lưu đảo chiều điện áp cấp cho động cơ, momen đảo chiều tương ứng Bộ băm xung nên dung chỉnh lưu có điều khiển hồn tồn đề phịng trường hợp tốc độ đảo chiều chỉnh lưu lại không cho điện áp chạy qua khiến cho động bị khựng lại đột ngột, tốc độ cao dễ gây hỏng hóc động _Nhận xét: +) Điện áp trung bình theo gần giá trị tính tốn, tương ứng với thay đổi momen tốc độ +) Với ≤ � ≤ 10: điện áp đảo chiều dẫn đến đảo chiều tốc độ, đồ thị đặc tính đối xứng với khoảng thời gian trước tốc độ đối xứng _Nhận xét chung hệ thống rút kinh nghiệm : Hệ thống hoạt động tương đối tốt với giá trị trung bình đại lượng tốc độ, momen, dòng điện điện áp theo với giá trị tính tốn lí thuyết Khâu lọc LC ngồi thực tế khác lý thuyết có sai số từ động cơ, đo đạc sai số từ linh kiện cuộn cảm, tụ điện( Tụ điện khơng có điện điện dung lý tưởng cuộn cảm khơng có độ từ thẳm vơ cùng) nên khơng thể làm cho dịng điện phẳng hồn tồn Kết đầu Momen dịng điện phần ứng có đập mạch nhỏ => lọc LC PI hoạt động tương đối hiệu Đối với tải tương đối nhỏ khoảng vài kg tương đối khó phát thay đổi giai đoạn thay đổi tốc độ động (do nhóm em thiết kế theo dự kiến học offline nên nhóm em chọn động có điện áp định mức tải tương đối nhỏ để phù hợp chọn động thật tìm động phù hợp với giá tiền) Trong thực tế, tải vài tram kg trở lên phải dung động cơng suất lớn dễ dàng phát thay đổi lớn Nếu có điều kiện kinh tế chọn động có cơng suất cao tải lớn giúp nhận thay đổi theo lý thuyết học dễ dàng ... Peq cơng suất đẳng trị _n tốc độ động cơ( vòng/phút) Tùy theo động mà ta có tốc độ khác 2.3) Chọn động Động chọn phải thỏa mãn cho : Chọn Động DC giảm tốc GA25 Encoder 250rpm Điện áp cấp cho động. .. khởi động cách đóng điện trực tiếp cấp nguồn cho động với giá trị định mức, động khởi động với đặc tính tự nhiên: ω= ω= Lúc khởi động, tốc độ quay động 0: ω =0 = Do điện trở cuộn dây phần ứng động. .. hệ thống truyền động điện với tải chuyển động quay chuyển động tịnh tiến Thực điều khiển biến đổi công suất để thay đổi điện áp đặt lên động cơ, từ thay đổi tốc độ chuyển động động Sản phẩm dự