THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Thiết kế bộ điều khiển ổn định tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi sử dụng mạch động lực là chỉnh lưu tia Thyristor – Động cơ.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Lựa chọn cấu trúc điều khiển Các thành phần cấu trúc Hàm truyền thiết bị Sơ đồ đấu nối thiết bị với 12 Xây dựng mô mô hình đối tượng (Matlab Simulink) .15 Tính tốn điều khiển 17 Mơ tồn hệ thống 22 Đánh giá kết .25 ĐỀ 65: Thiết kế điều khiển ổn định tốc độ động chiều kích từ độc lập sử dụng mạch động lực chỉnh lưu tia Thyristor – Động Thông số kỹ thuật: - Động Л-72 Yêu cầu nội dung: - Xây dựng mơ minh mơ hình động chiều - Xây dựng mơ hình điều khiển truyền động cho hệ - Tính chọn điều khiển - Tính chọn phần tử cơng suất - Thiết kế mạch điều khiển Lựa chọn cấu trúc điều khiển Sơ đồ khối chức hệ thống mạch vịng điều chỉnh tốc độ có tham gia mạch vòng điều chỉnh dòng điện: Động đối tượng điều khiển có đại lượng điều chỉnh tốc độ - Tác động điều khiển U - Nhiễu loạn M C Tác dụng mạch vòng dòng điện Si giữ cho đại lượng không đổi Trong phần tử phi tuyền HCD phần tử hạn chế điện áp trình độ Khau hạn chế làm việc U tăng lên lớn đứt mạch phản hồi Kết tổng hợp mạch vòng dòng điện tiêu chuẩn module tối ưu: F Omi ( p )= Ui( p) = Uid ( p) 1+2 Tsip+2 Tsi p2 Coi hàm truyền mạch vịng khâu qn tính bậc nhất, sơ đồ cấu trúc hệ trở thành: Sơ đồ thu gọn: Trong đó: So ω= 1 Ru Kw Ru Kw Ru Kw × × × = = 1+ 2Tsi p Ki K ∅ Tcp 1+ pTw Ki K ∅ Tc p ( 1+ pT sw ) Ki ( K ∅ ) Tc(1+ pTsw) Với Tsω=2 Tsi+Tw , Tsw nhỏ 2 Các thành phần cấu trúc  Hệ thống thực tế bao gồm: - Cơ cấu chấp hành động chiều kích từ độc lập Đây đối tượng để điều khiển ổn định tốc độ - Cảm biến phản hồi encoder Từ giá trị xung đọc qua kênh encoder, tính tốn tốc độ thời để xác định sai số - Bộ điều khiển vi xử lý Có nhiệm vụ xử lý tính tốn, từ sai số đo tính tốn điện áp theo phương pháp PID để cấp cho động - Mạch động lực có nhiện vụ dựa vào tín hiệu điều khiển, mở van Thyristor cung cấp điện áp hoạt động cho động Bộ điều khiển xuất xung PWM cấp tín hiệu cho mạch cầu động lực Mạch động lực xuất điện áp chiều cấp cho động từ điều khiển tốc độ động Với điện áp lớn động quay nhanh ngược lại Encoder đóng vai trị cảm biến trả tín hiệu xung, điều khiển đọc xung này, xử lý tính tốn tốc độ thông số động cơ, từ tính tốn tín hiệu điều khiển cấp cho mạch cầu Đây chu trình điều khiển liên tục hệ điều khiển kín  Động Л-72: Thông số kỹ thuật: - Loại: động điện chiều kích từ độc lập có hộp số - Công suất định mức: 25 kW - Điện áp định mức: 220 VDC - Dòng điện định mức: 132 A - Tốc độ: 1500 vòng/phút - Điện trở phần ứng (Rư): 0.0966 Ohm - Điện cảm phần ứng (Lư): 0.0063 H - Moment quán tính (J): 1.2 kg.m^2  Mạch động lực chỉnh lưu tia Thyristor: Sơ đồ mạch: Mạch thực tế: Thông số kỹ thuật: - IC chính: Thyristor - Điện áp đầu vào: 20 - 220VDC - Cơng suất tối đa: 30 kW - Dịng điện tối đa: 150 A - Điện áp điều khiển: – 24 VDC - Mức điện áp logic: Low: VDC - 1.5 VDC High: 2.3 VDC - Vss - Kích thước: 43mm x 43mm x 27mm  Encoder Omron E6B2-CWZ6C 500P/R 2M: Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 5~24VDC - Độ phân giải: 500 xung/vòng - Pha đầu ra: A,B Z - Loại ngõ ra: NPN cực thu hở - Tần số đáp ứng: 100 KHz - Loại: Encoder tương đối - Đường kính trục: 6mm - Đường kính thân: 40mm Tài liệu tham khảo:  Vi xử lý STM32f103c8t6: Thông số kỹ thuật: - Module: KIT STM32 - Dòng: Embedded - Microcontrollers - Nhân xử lý: ARM® Cortex®-M3 - Độ phân giải: 32-Bit - Tốc độ tối đa: 72MHz - Kết nối: CAN, I²C, IrDA, LIN, SPI, UART/USART, USB - Giao tiếp ngoại vi: DMA, Motor Control PWM, PDR, POR, PVD, PWM, Temp Sensor, WDT - Số ngõ vào I/O: 37 - Kích thước nhớ: 64KB (64K x 8) - Kích thước nhớ RAM: 20K x - Điện áp cung cấp (Vcc/Vdd): V ~ 3.6 V - Nhiệt độ làm việc: -40°C ~ 85°C Tài liệu tham khảo: Sơ đồ đấu nối thiết bị với  Mạch động lực - Chân Power Power GND nối vào nguồn cấp động lực - Chân Output A nối vào động - Chân 5V nối vào nguồn 5V vi điều khiển - Chân Input nối vào chân A0 vi điều khiển để nhận tín hiệu điều khiển  Vi điều khiển - Chân 5V GND nối vào nguồn cấp điều khiển - Chân PWM (A0) nối vào chân Input mạch cầu để cấp xung điều khiển - Chân Kênh A (B0) nối vào kênh A (channel A) encoder để đọc tín hiệu xung từ kênh A - Chân Kênh B (B1) nối vào kênh B (channel B) encoder để đọc tín hiệu xung từ kênh B  Encoder - Trục encoder kết nối với trục động khớp nối mềm - Chân 5V GND nối vào nguồn cấp điều khiển - Kênh A nối vào chân B0 vi điều khiển cấp tín hiệu xung - Kênh B nối vào chân B1 vi điều khiển cấp tín hiệu xung  Sơ đồ nối dây hệ thống hoàn chỉnh: Hàm truyền thiết bị  Động điện chiều: Để mơ hình hóa động điện chiều kích từ độc lập, cần chia thành phần điện phần hình sau: Rm : điện trở động (ohm) Lm: hệ số điện kháng (H) K b : số phản điện (V/(rad/sec)) K t : số momen (Nm/A) J m : momen qn tính rơto (kg m2 ) C m: hệ số ma sát nhớt (Nm/(rad/sec)) T f : momen ma sát (Nm) τ : momen xoắn cản (Nm) ω : vận tốc motor (rad/s) τ m: mơ men xoắn nội (Nm) θ¿ m: góc xoay trục động (rad) ¿ Phần điện: e=Lm di di + Rm i+ Eb= Lm + Rm i+ K b ω (với Eb =K b ω) dt dt (1) Phần cơ: Jm dω =τ m−T f −Cm ω−τ 1=K t i−T f −Cm ω−τ (với τ m=K t i ) dt (2) Công suất điện: Pe =E b i ¿ (3) Công suất cơ: Pm=τ m ω ¿ (4) Theo định luật bảo toàn lượng: Pe =Pc → Eb i=τ m ω K b ωi=K t iω→ K b=K t (5) Từ (1) (2) biến đổi Laplace có dạng sau: ( ) ,(7) ¿ (Trong Ω ω viết hoa) Giả thiết T f số T f =K f sgn(¿ Ω) ¿ { ¿ 1(Ω> 0) sgn(¿ Ω)= K f số : ¿ 0(Ω=0) ¿ −1 ( Ω Kt [ E( s)−K b Ω( s)] (Lm s+ R m)(J m s+C m ) ] Kb E (s) K t Ω( s)= ( Lm s+ R m)(J m s+C m ) ( Lm s+ R m)(J m s+C m ) Hàm truyền động xác định: Với thông số xác định: Rm =0.0966( Ω) K b =K t =0.01 Lm=0.0063(H ) J m =1.2(kg m2) Cm=0.1 N.m.s Hàm truyền cuối cùng : Xây dựng mô mô hình đối tượng (Matlab Simulink) - Khối Step: Khối tín hiệu dạng bước nhảy đóng vai trị khối tín hiệu đặt Cài đặt bước nhảy có biên độ thời gian 1(s) - Khối Transfer Fcn: Khối mô hàm truyền động Cài đặt thông số tính tốn hàm truyền - Khối Scope: Hiển thị đáp ứng động so với tín hiệu đặt  Mơ hình đối tượng xây dựng hồn chỉnh:  Xét tính ổn định hàm truyền hệ thống, kết mô thời gian 10(s) hàm truyền, tín hiệu đặt(tím), đáp ứng(vàng): Kết biểu đồ thể hàm truyền chưa đạt đến độ ổn định giá trị xác lập nhỏ giá trị đặt Do đó, cần thiết lập điều khiển PID để hệ thống hoạt động tốt ổn định 6 Tính tốn điều khiển  Thiết kế điều khiển P: Sử dụng phương pháp Zeigler-Nichols: Dựa vào đáp ứng độ hệ hở, thông số điều khiển P,PI,PID chọn theo bảng sau: Biến đổi: , Dựa vào bảng tính ra: (do ), ... điện áp hoạt động cho động Bộ điều khiển xuất xung PWM cấp tín hiệu cho mạch cầu động lực Mạch động lực xuất điện áp chiều cấp cho động từ điều khiển tốc độ động Với điện áp lớn động quay nhanh...ĐỀ 65: Thiết kế điều khiển ổn định tốc độ động chiều kích từ độc lập sử dụng mạch động lực chỉnh lưu tia Thyristor – Động Thông số kỹ thuật: - Động Л-72 Yêu cầu nội dung:... gồm: - Cơ cấu chấp hành động chiều kích từ độc lập Đây đối tượng để điều khiển ổn định tốc độ - Cảm biến phản hồi encoder Từ giá trị xung đọc qua kênh encoder, tính toán tốc độ thời để xác định