BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ khí BÀI TẬP LỚN MÔN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Đề tài Xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu Giáo v.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ khí BÀI TẬP LỚN MƠN: MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ động điện chiều nam châm vĩnh cửu Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực TS Phan Đình Hiếu : MSV: 1.Lê Hữu Duy 2019607160 2.Trần Đình Đồn 2019605964 3.Nguyễn Tùng Dương 2019606968 Hà Nội - 2021 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội,ngày tháng năm 2021 Giáo viên hướng dẫn ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giáo viên chấm phản biện MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động điện chiều Hình 2: Mạch phần ứng động điện chiều LỜI MỞ ĐẦU Trong q trình sản xuất cơng nghiệp nay, sản phẩm điện tử từ chỗ sản phẩm khí, tự động hóa cứng cải tiến, thiết kế thành sản phẩm tích hợp Các mạch điện tử thay phần chức hệ khí làm cho phận khí nhỏ gọn đơn giản hơn, đồng thời đảm đương chức thực chương trình hóa Thế hệ máy móc cồng kềnh thay thiết bị nhỏ gọn, tin cậy nhờ thành tựu lĩnh vực điện- điện tử từ tác động trở lại q trình thiết kế chế tạo phận khí Cùng với phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ điều khiển, tự động hố, điện tử kỹ thuật máy tính với ứng dụng rộng rãi vào việc thiết kế chế tạo sản phẩm, khái niệm Cơ điện tử tiếp tục phát triển sau có nhiều định nghĩa khác Nhưng lại hệ thống điện tử để sản phẩm hoạt động cách dễ dàng, thuận lợi với yêu cầu hệ thống đề Trong báo cáo làm rõ hệ thống điều khiển tốc độ động điện chiều nam châm vĩnh cửu cách phân tích vật lí hệ thống đem phương trình mơ tả hệ thống, biểu đồ Bond Graph xây dựng mơ hình hóa hệ thống mơ phỏng, đánh giá phần mềm 20-sim Những kiến thức, lực đạt trình học tập trường đánh giá qua báo cáo với đợt bảo vệ đồ án cuối kỳ Vì vậy, nhóm cố gắng tận dụng kiến thức học trường với tìm tịi, nghiên cứu hướng dẫn tận tình Thầy Phạm Tiền Hùng Thầy/Cơ thuộc Khoa Cơ Khí – Bộ Mơn Cơ Điện Tử-Trường ĐHCNHN để hoàn thành tốt đồ án Mặc dù, trình thực đồ án nhóm em cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong quý Thầy/Cô bạn thông cảm mong nhận ý kiến đóng góp từ q Thầy/Cơ bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Động điện chiều - Động điện chiều hay biết đến động DC Đây động điều khiển dịng có hướng xác định trước Nói cách đơn giản dễ hiểu động chạy nguồn điện áp DC Động DC động chiều nguồn điện áp nguồn chiều Hình 1: Động điện chiều 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều có phần chính: - Stator: Là phần đứng yên, chế tạo sử dụng từ hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, nam châm điện - Rotor: Là phần quay được, lõi quấn cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện - Chổi than (còn gọi brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc tiếp điện cho phận cổ góp - Cổ góp (cịn gọi commutator): Thực nhiệm vụ tiếp xúc chia điện cho cuộn dây phần rotor (phần quay) Hình 2: Cấu tạo động điện chiều DC 1.1.3 Nguyên lý hoạt động động điện chiều - Stato động điện chiều thường nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có cuộn dây quấn kết nối với nguồn điện chiều Một phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lưu, phận làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay rotor liên tục Thông thường, phận có thành phần: cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Hình 3: Ngun tắc hoạt động động điện chiều - Nếu trục động điện chiều kéo lực ngồi động hoạt động máy phát điện chiều, tạo xuất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành chế độ bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động counter-EMF sức điện động đối kháng, đối kháng lại với điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện Như điện áp đặt động bao gồm thành phần: sức phản điện động điện áp giáng tạo điện trở nội cuộn dây phản ứng - Dịng điện chạy qua động tính theo công thức sau: I=(Vnguon-Vphandiendong)/Rphanung - Công suất mà động đưa tính bằng: P=I*Vphandiendong 1.2 Động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Động nam châm vĩnh cửu - Động điện chiều nam châm vĩnh cửu động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu - Một động nam châm vĩnh cửu DC tương tự động thơng thường Động kích từ song song làm từ nam châm vĩnh cửu thay cho động dây quấn cực từ nồi Hình 4: Động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.2.2 Cấu tạo động điện chiều nam châm vĩnh cửu - Các nam châm vĩnh cửu động DC gắn với trụ sắt stator có nhiệm vụ phản hồi chiều từ thơng Rotor có rãnh dây quấn phiến gót chổi than giống máy điện DC thơng thường Hình 5: Động DC động bước sử dụng làm thiết bị truyền động Hình 6: Cấu tạo động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.2.3 Nguyên lý hoạt động động điện chiều nam châm vĩnh cửu - Nguyên lý hoạt động động điện chiều nam châm vĩnh cửu tương tự nguyên lý hoạt động chung tồn động điện chiều Đó sợi dây dẫn mang vào từ trường lực học xuất dây dẫn hướng lực điều chỉnh quy tắc bàn tay trái Fleming - Như động DC nam châm vĩnh cửu, động có phần ứng đặt bên từ trường nam châm vĩnh cửu Các armature quay theo hướng momen lực tạo Ở đây, sợi dây dẫn phận chịu lực tác động đến lực lực F = BIL (N) Trong đó: + B cường độ từ trường, đơn vị tính Tesla (weber/ m ), + I dòng điện chạy dây dẫn đó, tính Ampe (A), + L chiều dài sợi dây dẫn, tính mét (m) 10 chung, bổ sung cho điều khiển P tốt thường sử dụng kết hợp với điều khiển P - Sơ đồ Bond Graph: Hình 12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PI - Thơng số điều khiển PI Hình 13: Thông số điều khiển PI - Thiết lập thông số ban đầu sử dụng mô phỏng: 33 Hình 14: Thơng số mơ ban đầu điều khiển PI - Với Kp = 1: 34 Hình 15: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI với hệ số Kp =1 - Ta thấy biểu đồ thể đáp ứng tốt điều khiển tỷ lệ Tiếp tục tăng Kp =10 đáp ứng thay đổi thể hình đây: Hình 16: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI với hệ số Kp =10 35 - Ta thấy đáp ứng hệ thống tăng mạnh đạt đế giá trị đặt - Kết luận: Nhìn chung, điều khiển PI loại bỏ sai số xác lập thời gian xác lập chậm 4.2.3 Bộ điều khiển PD - Điều khiển vi phân- tỷ lệ PD, tín hiệu điều khiển viết dạng sau đây: - Có thể thấy, tín hiệu điều khiển hàm sai lệch vi phân sai lệch Hai thông số ảnh hưởng tới điều khiển Kp Td Trong đó, thơng số Td số vi phân Đáp ứng điều khiển tích phân nhanh cải thiện độ ổn định điều khiển Nhưng điều khiển có xu hướng khuếch đại tín hiệu nhiễu - Sơ đồ Bond Graph: 36 Hình 17: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PD - Thơng số điều khiển PD: Hình 18: Thông số điều khiển PD - Thiết lập thông số ban đầu sử dụng mô phỏng: 37 Hình 19: Thơng số mơ ban đầu điều khiển PD 38 - Với Kp = 1: Hình 20: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với hệ số Kp =1 - Với Kp = 10: Hình 21: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với hệ số Kp =10 39 - Với Kp = 100 Hình 22: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với hệ số Kp =100 - Ta thấy tăng hệ số Kp tốc độ đạt đến giá trị mong muốn 4.2.4 Bộ điều khiển PID - Thuật toán điều khiển cuối sử dụng thường xuyên điều khiển PID,là viết tắt điều khiển tỷ lệ, đạo hàm tích phân nhau.Rõ ràng, ba thuật toán điều khiển tạo nên điều khiển PID có số ưu điểm số nhược điểm Với cách tiếp cận kết hợp ba điều này, nhà thiết kế hệ thống điều khiển cố gắng tối đa hóa ưu điểm hạn chế tối đa nhược điểm Quá trình thực thực tế cách điều chỉnh ba tham số điều khiển PID, cụ thể Kp, Ti, Td Quá trình điều chỉnh thơng số gọi điều chỉnh - Tín hiệu điều khiển trường hợp viết dạng tổng ba hàm tổng, tỷ lệ, tích phân đạo hàm Tín hiệu điều khiển trường hợp biểu diễn là: 40 - Sơ đồ Bond Graph: Hình 23: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PID - Thông số điều khiển PID: Hình 24: Thơng số điều khiển PID 41 - Thiết lập thông số ban đầu sử dụng mơ phỏng: Hình 25: Thơng số mơ ban đầu điều khiển PID - Khi Kp = 1: Hình 26: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID với hệ số Kp =1 42 - Với Kp = 10: Hình 27: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID với hệ số Kp =10 - Ta thấy khơng phải mong muốn đầu Đầu sửa đổi cách điều chỉnh phù hợp tất biến điều khiển Đối với Kp = 10, Ti = Td = 0,001; phản hồi nhận được hiển thị hình đây: 43 Hình 28: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID sau hiệu chỉnh biến điều khiển - Ta thấy đạt tốc độ quay mong muốn với thời gian xác lập ngắn hệ thống ổn định 44 KẾT LUẬN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động ,NXB Đại học Quốc Gia TPHCM [2] Shuvra Das(2009), Mechatronic Modeling and Simulation Using Bond Graphs, Published March 19,2009 by CRC Press [3] “https://vi.wikipedia.org/” [Online] [4] “https://ctms.engin.umich.edu/” [Online] 45 ... mà động đưa tính bằng: P=I*Vphandiendong 1.2 Động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Động nam châm vĩnh cửu - Động điện chiều nam châm vĩnh cửu động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu - Một động. .. 5: Động DC động bước sử dụng làm thiết bị truyền động Hình 6: Cấu tạo động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.2.3 Nguyên lý hoạt động động điện chiều nam châm vĩnh cửu - Nguyên lý hoạt động động điện. .. : XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ 2.1 Phân tích mơ hình hệ thống điều khiển tốc độ động điện chiều nam châm vĩnh cửu Hình 1: Cấu trúc hệ thống điều