Đồ án điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện 1 chiều sử dụng vi điều khiển

lOMoARcPSD|16911414 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN DỰ ÁN LIÊN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA (PBL2) ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN Giảng viên hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY Sinh viên thực hiện: HOÀNG QUỐC HUY NGUYỄN MINH CHUYÊN ĐỖ THANH NGUYÊN PHAN ĐÌNH VƯƠNG LÊ ANH TIẾN LÊ PHÚ NAM Nhóm HP / Lớp: 19N32A Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI Cơ cấu truyền động tải băng chuyền 2 Đồ thị tốc độ dự kiến tải động .2 Xác định momen quán tính momen quán tính hệ quy đổi 3.1 Momen quán tính: 3.2 Momen quán tính quy đổi trục động cơ: 3.3 Momen tải: 3.4 Xác định Momen đẳng trị: 3.5 Xác định công suất yêu cầu hệ .5 3.6 Kết luận: 3.7 Chọn động cơ: CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Tìm hiểu cấu tạo hoạt động: 1.1 Cấu tạo động điện chiều kích từ độc lập: .8 1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều kích từ độc lập: .9 1.6 Các trạng thái hoạt động: Lựa chọn phướng pháp điều khiển dự kiến kết luận: 12 CHƯƠNG 13 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 13 Mạch động lực 13 1.1 Khối biến áp: 14 1.2 Khối van chỉnh lưu: 14 1.3 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu: 15 1.3 Khối lọc 16 Tính tốn mạch động lực: 17 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 2.1 Tính chọn Thyristor: 17 2.2 Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu: 18 2.3 Thiết kế lọc: .19 CHƯƠNG 21 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN .21 Khái quát mạch điều khiển 21 1.1 Khái quát chung: .21 1.2 Phương pháp điều khiển thẳng đứng Arcos: 21 Nguyên lý hoạt động khâu mạch điều khiển: 21 2.1 Khâu đồng 21 2.2 Khâu so sánh 22 2.3 Khâu tạo xung chùm 22 2.4 Khâu khuếch đại phát xung 24 CHƯƠNG 25 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK 25 Mơ hình tốn học .25 1.2 Tính tham số hàm truyền động 25 1.3 Tính tốn thơng số hàm truyền chỉnh lưu 26 1.4 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: 26 1.5 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ: 27 Mạch mơ hàm truyền tốn học : .27 2.1 Mơ hình hàm truyền toán học 27 2.2 Kết mô phỏng: 27 Mô nguyên lý (Matlab Simulink) : 28 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển .28 3.2 Kết mô đáp ứng tốc độ: 28 3.3 Kết mô đáp ứng dòng điện: .29 3.4 Kết mô đáp ứng Moment: .29 3.5 Kết mô đáp ứng điện áp phần ứng: 29 Mô mạch Proteus 29 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 4.1 Sơ đồ mạch điều khiển Proteus: 30 DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BẢNG SỐ LI Hình 1 Mô truyền động cho tải băng chuyền Hình Đồ thị tốc độ mong muốn động băng chuyền Hình Đồ thị momen điện từ động Hình Đồ thị cơng suất động .7 Hình Hình ảnh thực tế đơng Y Hình Cấu tạo động điện chiều Hình Sơ đồ tổng quát điều khiển 13 Hình Sơ đồ mạch động lực .13 Hình 3 Khối biến áp 14 Hình Sơ đồ mạch lọc LC 20 Hình Sơ đồ điều khiển Thyristor 21 Hình Sơ dồ mạch khâu đồng 22 Hình Sơ đồ mạch khâu so sánh 22 Hình Sơ đồ mạch tạo xung chùm tín hiệu kích xung 23 Hình Sơ đồ sóng dạng 23 Hình Sơ đồ mach khâu khuếch đại phát xung Hình Sơ đồ khối hàm truyền động .25 Hình Hàm truyền điều khiển dòng điện .26 Hình Mơ hình hàm truyền tốn học 27 Hình Mơ hình tốn học động matlab 27 Y Bảng Thời điểm mở, khóa van thyristor 26 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Tài liệu tham khảo Ned Mohan, Tore M Undeland, William P Robbins Power Electronics Converters, Applications, and Design 2003 Electric drives - An integrative approach-NED-MOHAN Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa đạt nhiều tiến Tự động hóa trình sản xuất phổ biến rộng rãi hệ thống cơng nghiệp giới nói chúng Việt Nam nói riêng Tự động hóa khơng làm giảm nhẹ sức lao động người mà cịn góp phần lớn việc nâng cao suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm Trong thời buổi đất nước ta bước vào trình cơng nghiệp hóa đại hóa, động điện sử dụng rộng rãi lĩnh vực xã hội đặc biệt ngành công nghiệp sản xuất đại, nhiều lĩnh vực đời sống thiếu động điện, động điện chế tạo đa dạng chủng lại ngày đại hướng tới giảm tổn hao điện năng, tăng hiệu suất công suất làm việc Trong ngành công nghiệp chủ yếu sử dụng động ba pha với ưu điểm công suất lớn, đáp ứng yêu cầu làm việc ngành nghiệp nặng Tuy nhiên việc điểu khiển điểu chỉnh tốc độ động ba pha khó đạt độ xác cần thiết người sử dụng động DC với nhiều ưu điểm hơn, động ba pha, động DC có nhược điểm phần cổ góp dễ hỏng Nhận thấy động DC có nhiều ứng dụng thực tiễn liên quan đến học lớp cúng với kiến thức điện tử công suất, truyền động điện, vi điều khiển, đo lường công tác kỹ thuật đại, Nhóm chúng em chọn đề tài: “Điều khiển giám sát động điện chiều sử dụng vi điều khiển” Em xin cảm ơn Tiến sĩ Giáp Quang Huy hướng dẫn chúng em Do việc xếp thời gian để tiến hành nghiên cứu đồ án chưa hợp lý kiến thức thiếu nhiều nên đồ án nhiều thiếu sót, mong thầy bổ sung thêm để đồ án chúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đồ án gồm chương: CHƯƠNG 1: Thiết kế chọn động CHƯƠNG 2: Phân tích lựa chọn phương án truyền động điện CHƯƠNG 3: Phân tích chọn mạch động lực CHƯƠNG 4: Phân tích chọn mạch điều khiển CHƯƠNG 5: Mơ hệ thống Matlab Simulink Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI CHƯƠNG THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI Cơ cấu truyền động tải băng chuyền Hình 1 Mơ truyền động cho tải băng chuyền Đồ thị tốc độ dự kiến tải động Tốc độ dự kiến băng tải: V = 0.7(m/s), bán kính Rulo R = 0,08 (m).Suy ra: Tốc độ quay Rulo: (rad/s) = 83,5 (vòng/phút) Chọn tốc độ động 3000(vòng/phút) tương đương với 314(rad/s) Nên ta có tỉ số truyền : Tốc độ dài băng tải : GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI Tốc độ quay Rulo Hình Đồ thị tốc độ mong muốn động băng chuyền Dựa vào đồ thị Hình 1.2, ta xác định trình hoạt động động sau : Quá trình động chuyển động theo chiều kim đồng hồ :  Từ đến giây: tốc độ quay động tăng từ ωM = rad/s đến ωM = 314 rad/s  Từ đến giây: động hoạt động ổn định với tốc độ quay ωM = 314 rad/s  Từ đến 10 giây: tốc độ quay động giảm ωM = rad/s Quá trình băng chyền đảo chiều :  Từ 10 đến 12 giây: động đảo chiều, độ lớn tốc độ quay tăng dần lên ωM = 314 rad/s  Từ 12 đến 18 giây: động hoạt động ổn định với độ lớn tốc độ quay ωM = 314 rad/s  Từ giây 18 đến 20s tốc độ quay động giảm ωM = rad/s Xác định momen quán tính momen quán tính hệ quy đổi 3.1 Momen quán tính: Chọn kích thước dự kến cho cấu trúc hệ: - Rulo băng chuyền có kích thước R = (cm), h = (cm), băng chuyền có tất rulo - Bánh có kích thước h = (cm), Khối lượng vật m = 50 (kg) Momen quán tính Rulo Vậy rulo có qn tính là: Momen qn tính bánh có Momen qn tính bánh có GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI 3.2 Momen quán tính quy đổi trục động cơ:  Vậy ta tính được: 3.3 Momen tải: Momen tải chịu tác động lực ma sát, nên Momen tải tính tốn giai đoạn sau:  Từ đến giây:  Từ đến giây 8:  Từ 8s đến 10s:  Từ 10 đến giây 12:  Từ 12 đến giây 18:  Từ 18 đến giây 20: 3.4 Xác định Momen đẳng trị:  Từ momen điện từ ta tính momen định mức sau: GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI Từ ta có đường đồ thị momen điện từ động sau tính tốn sơ bộ: Hình Đồ thị momen điện từ động  3.5 Xác định công suất yêu cầu hệ Công suất động điện chiều xác định qua biểu thức: Từ đến giây:  Từ đến giây 8:  Từ 8s đến 10s:  Từ 10 đến giây 12:  Từ 12 đến giây 18:  Từ 18 đến giây 20: Công suất đẳng trị: Từ công suất đẳng trị ta tính cơng suất định mức:  Tại t=2s  Tại t=8s GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor nêu trên, tầng khuếch đại cuối thường thiết kế transistor cơng suất hình vẽ Để có xung dạng kim gửi đến thyristor, ta dùng biến áp xung (BAX), để khuếch đại cơng suất ta dùng transistor T2, diode D2 D3 bảo vệ T2 cuộn dây sơ cấp BAX T2 khóa đột ngột.3 Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển GVHD: TS.Giáp Quang Huy 24 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK Mơ hình tốn học 1.2 Tính tham số hàm truyền động Hình Sơ đồ khối hàm truyền động - Hàm truyền phần trước Rotor:  1.2.1 Tính hệ số Ra  Trong đó: 1.2.2 Tính hệ số Kb:  Thay vào phương trình dặc tính điện: V Ra Me  a  K e K e K M   Ta áp dụng thông số động làm việc định mức:  Trong đó: , Va= 12V, Ra = 1,2 , Me=0,09  Từ giải phương trình ta có: GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 25 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK 1.2.3 Giải thích chi tiết hàm truyền động cơ:  Các thông số hàm truyền: - B= 0,85; La= 0,028 H; Ra=1,2 (); J=; Kb= 0,09 1.3 Tính tốn thơng số hàm truyền chỉnh lưu - Hàm truyền chỉnh lưu: Do nhóm chúng em sử dụng nguyên tắc thẳng đứng Arccos, chúng em xác định được: 1.4 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: 1.4.1 Sử dụng phương pháp tối ưu Module: Cho chu kì lấy mẫu T=0,5s nên tần số lấy mẫu:        Ta có hàm truyền điều khiển dòng điện là:  1.5 Tổng hợp Hình mạch5.vịng điều khiểnbộtốc độ:khiển dịng điện Hàm truyền điều GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 26 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK   - Hàm truyền điều khiển tốc độ:  Mạch mô hàm truyền tốn học : Hình Mơ hình hàm truyền tốn học 2.1 Mơ hình hàm truyền tốn học Hình Mơ hình tốn học động matlab 2.2 Kết mô phỏng: - Đồ thị tốc độ đáp ứng : GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 27 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK - Đồ thị dòng điện mong muốn đáp ứng Mô nguyên lý (Matlab Simulink) : 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển 3.2 Kết mô đáp ứng tốc độ: GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 28 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK 3.3 Kết mơ đáp ứng dịng điện: 3.4 Kết mô đáp ứng Moment: 3.5 Kết mô đáp ứng điện áp phần ứng: GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 29 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK Mơ mạch Proteus 4.1 Sơ đồ mạch điều khiển : GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 30 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 31 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK CHƯƠNG 6: CẢM BIẾN Cảm biến dòng: Sử dụng IC ACS712          Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp Thời gian tăng đầu để đáp ứng với đầu vào 5µs Điện trở dây dẫn 1.2mΩ Nguồn : 5VDC Độ nhạy đầu từ 63-190mV/A Điện áp ổn định ACS 712 5A (x05B): Ip: 5A đền -5A Độ nhạy: 180 - 190 mV/A  Nguyên lý hoạt động: Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ Ip- chiều, dòng điện từ Ip+ đến IpVout mức điện áp tương ứng 2.5~5VDC tương ứng dòng 0~Max, mắc ngược Vout điện 2.5~0VDC tương ứng với 0~(-Max) Khi cấp nguồn 5VDC cho module chưa có dịng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp) Vout = 2.5VDC, dịng Ip( dịng tải) Max Vout=5DC, Vout tuyến tính với dòng Ip khoản 2.5~5VDC tương ứng với dòng 0~Max, để kiểm tra dùng đồng hồ VOM thang đo DC để đo Vout  Code vi điều khiển: /* Code đo dòng chiều DC */ const int analogIn = A0; GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 32 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK int mVperAmp = 66; /* Sử dụng mVerAmp = 185 cho Module 5A = 100 cho Module 20A = 66 cho Module 30A */ int RawValue= 0; // Giá trị thô int ACSoffset = 2500;// Giá trị bù double Voltage = 0; // double Amps = 0; void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { RawValue = analogRead(analogIn); Voltage = (RawValue / 1024.0) * 5000; // Lấy giá trị mV Amps = ((Voltage - ACSoffset) / mVperAmp); Serial.print("Raw Value = " ); // In giá trị thô Serial.print(RawValue); Serial.print("\t mV = "); // Vol đo Serial.print(Voltage,3); Serial.print("\t Amps = ");//Dòng đo Serial.println(Amps,3); delay(1000); } GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 33 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK Cảm biến tốc độ: Sử dụng Encorder GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 34 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 35 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK Code điều khiển tốc độ: GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 36 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK Vi điều khiển: Chọn arduino làm vi điều khiển: Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 tiêu chuẩn, biến thể gần có thơng số tương đương Arduino Uno xây dựng với phần nhân vi điều khiển ATmega328P, sử dụng thạch anh có chu kì dao động 16 MHz Với vi điều khiển này, tổng cộng có 14 pin (ngõ) / vào đánh số từ tới 13 (trong có pin PWM, đánh dấu ~ trước mã số pin) Song song đó, có thêm pin nhận tín hiệu analog đánh kí hiệu từ A0 - A5, pin sử dụng pin / vào bình thường (như pin - 13) Ở pin đề cập, pin 13 pin đặc biệt nối trực tiếp với LED trạng thái board Trên board cịn có nút reset, ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn Khi làm việc với Arduino board, số thuật ngữ sau cần lưu ý:  Flash Memory: nhớ ghi được, liệu khơng bị tắt điện Về vai trị, hình dung nhớ ổ cứng để chứa liệu board Chương trình viết cho Arduino lưu Kích thước vùng nhớ dựa vào vi điều GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 37 lOMoARcPSD|16911414 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB SIMULINK   khiển sử dụng, ví dụ ATmega8 có 8KB flash memory Loại nhớ chịu khoảng 10.000 lần ghi / xoá RAM: tương tự RAM máy tính, liệu ngắt điện, bù lại tốc độ đọc ghi xố nhanh Kích thước nhỏ Flash Memory nhiều lần EEPROM: dạng nhớ tương tự Flash Memory có chu kì ghi / xoá cao - khoảng 100.000 lần có kích thước nhỏ Để đọc / ghi liệu dùng thư viện EEPROM Arduino Ngồi ra, Arduino board cung cấp cho pin khác pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND, GVHD: TS.Giáp Quang Huy Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) 38 ... lOMoARcPSD |16 911 414 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Tìm hiểu cấu tạo hoạt động: 1. 1 Cấu tạo động điện chiều kích từ độc... lOMoARcPSD |16 911 414 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. 2 Nguyên lý làm vi? ??c động điện chiều kích từ độc lập: Nguyên lý làm vi? ??c: Khi đặt điện áp vào phần úng động cơ, dây... với kiến thức điện tử công suất, truyền động điện, vi điều khiển, đo lường cơng tác kỹ thuật đại, Nhóm chúng em chọn đề tài: ? ?Điều khiển giám sát động điện chiều sử dụng vi điều khiển? ?? Em xin