Dự án liên môn kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (pbl2) đề tài thiết kế hệ thống truyền động điện

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: Thiết kế hệ thống truyền động điện Giảng viên hướng dẫn: T.S Giáp Quang Huy Phạm Đồn Thơi (Trợ Giảng) Sinh viên thực hiện: Trần Thanh Lân Phạm Văn Quốc Hùng Đào Nguyên Đán Châu Đức Hồng Đỗ Viết Huy Nhóm HP / Lớp: 20.32 / 20TDH2 Nhóm Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Tieu luan MỤC LỤC CHƯƠNG 1: Tổng quan hệ thống, tính tốn u cầu tải công suất động 1.1 Tổng quan hệ thống 1.1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mơ tả tốn đề tài .7 1.1.2 Xây dựng sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động điện 1.2 Tính tốn tải chọn động 10 1.2.1 Tính tốn u cầu tải 11 1.2.2 Phân tích chọn phương án truyền động cho động 15 1.3 Tính chọn công suất động 18 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT 22 2.1 Chọn biến áp .22 2.2 Thiết kế chỉnh lưu: 23 2.2.1 Sơ dồ nguyên lý 23 2.2.2 Nguyên lý hoạt dộng 23 2.2.3 Tính chọn Diode 24 2.3 Thiết kế mạch lọc 26 2.4 Thiết kế mạch cầu H sử dụng Mosfet 28 2.4.1 Nguyên lý mạch cầu H: .28 2.4.2 Mạch cầu H sử dụng Mosfet điều khiển tốc độ: 29 CHƯƠNG 3: Chọn Vi điều khiển 30 3.1 Lựa chọn vi điều khiển phù hợp 30 3.2 Chọn cảm biến 34 3.2.1 Cảm biến đo dòng điện ACS712 20A .34 3.2.2 Cảm biến đo tốc độ 35 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TỔNG HỢP PHẦN ĐIỀU KHIỂN 37 Tieu luan 4.1 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống 37 4.1.1 Mơ hình tốn học động 37 4.1.2 Mơ hình tốn học băm điện áp:(Bộ biến đổi công suất) 39 4.1.3 Mơ hình tốn học cảm biến: 39 4.1.4 Mơ hình toán học hệ thống truyền động điện: .40 4.1.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 40 4.1.6 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 41 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG SIMULINK VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 43 LỜI KẾT 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 Tieu luan LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, với phát triển khơng ngừng khoa học kỹ thuật tạo thành tựu to lớn, ngành tự động hóa góp phần khơng nhỏ vào thành cơng Một vấn đề quan trọng dây truyền tự động hoá sản xuất đại việc điều chỉnh tốc độ động Động điện sử dụng rộng rãi lĩnh vực đời sống xã hội, đặc biệt ngành công nghiệp sản xuất đại nhiều lỉnh vực đời sống khơng thể thiếu động điện,vì loại động điện chế tạo ngày hoàn thiện Từ trước đến nay, động chiều loại động sử dụng rộng rãi kể hệ thống yêu cầu cao Với Đồ án Tổng hợp hệ thống truyền động điện đề tài: “Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lâp” giúp chúng em hiểu rõ động điện chiều kích từ độc lập, ứng dụng thực tế đời sống Với đề tài này, giúp em thấy cần thiết đông điện sống tại, phương pháp lựa chọn động cơ, tính tốn tải … nhằm xây dựng hệ thống điều khiển đảm bảo tính tin cậy, xác, đảm bảo vấn đề kinh tế, kỹ thuật Với đề tài báo cáo em gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống, tính tốn u cầu tải tính cơng suất động Chương 2: Tính tốn mạch điện tử cơng suất Chương 3: Tính chọn phần đo lường, điều khiển hoàn thiện sơ đồ mạch phần cứng toàn hệ thống Chương 4: Thiết kế, tổng hợp phần điều khiển Chương 5: Mô đánh giá kết Tieu luan Việc hoàn thành đề tài không tránh sai lầm thiếu sót Em mong nhận phê bình, đánh giá Thầy Cơ để chúng em rút kinh nghiệm nhằm bổ sung kiến thức cho Tieu luan LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài, nhóm chúng em nhận giúp đỡ Thầy Cô ban dạy môn PBL2 môn học liên quan, đặc biệt hướng dẫn tận tình từ Thầy/Cơ để nhóm chúng em hoàn thành đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn! Ngoài chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến anh Phạm Đoàn Thơi – trợ giảng cho đồ án liên mơn bạn Khoa, Trường giúp em hồn thành đồ án mơn học Đà nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2022 Tieu luan CHƯƠNG 1: Tổng quan hệ thống, tính tốn u cầu tải công suất động 1.1 Tổng quan hệ thống 1.1.1 Giới thiệu yêu cầu đề tài, mơ tả tốn đề tài Dự án yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tốc độ hệ thống truyền động sử dụng động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu với tải chuyển động quay Yêu cầu hệ truyền động: điều khiển động để làm vật có khối lượng M chuyển động quay (mơ tả Hình 1.1) với tốc độ mong muốn (mơ tả Hình 6) Cụ thể đề tài ta chọn tải Hình Tải chuyển động quay + Trong - M: Khối lượng tải r: Bán kính tải - Jm: Mơ men qn tính trục động - 𝜔m: Tốc độ quay động - 𝑇em: Mô men điện từ động Tieu luan - 𝜔: Tốc độ mong muốn tải + Theo yêu cầu ta có tải dạng máy tiện, để đáp ứng yêu cầu trục rotor động cần phải quay với tốc độ mong muốn truyền động cho máy tiện + Từ đồ thị tốc độ mong muốn tải mơ tả Hình ta xác định giai đoạn hoạt động động sau: - Khởi động, tăng tốc lên tốc độ mong muốn Hoạt động ổn định tốc độ mong muốn Hãm dừng, giảm tốc độ Đảo chiều tăng tốc lên theo chiều ngược lại Hoạt động ổn định tốc độ mong muốn Hãm dừng, giảm tốc độ 1.1.2Xây dựng sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động điện + Cấu trúc - Phần lực (mạch lực): Lưới điện (nguồn điện) cấp điện đến biến đổi (BBĐ) động điện (ĐC) truyền động phụ tải (MSX) Các biến đổi: + Bộ biến đổi máy điện (máy phát điện chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại) + Bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà) + Bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu thyristor, diode, điều áp chiều, biến tần transistor, thyristor) Động điện: + Một chiều, xoay chiều, loại động đặc biệt - Phần điều khiển (mạch điều khiển): + Các cảm biến (để đo phản hồi tốc độ, dòng điện… động cơ) + Bộ điều khiển (sử dụng vi xử lý, vi điều khiển, máy tính công nghiệp, PLC, …) Sử dụng thông tin từ cảm biến để điều khiển động theo mong muốn -  Từ yêu cầu chuyển động tải ta đưa mối quan hệ phận hệ truyền động: Tải chuyển động quay truyền động từ trục Rotor động Tieu luan - Để động hoạt động cần cấp nguồn điện phù hợp với thông số định mức động → cần có biến đổi cơng suất Để giám sát tốc độ động cần phải có cảm biến đo tín hiệu cần dùng → cần có cảm biến dịng, cảm biến tốc độ Từ giá trị cảm biến thu giá trị mong muốn hệ truyền động đáp ứng, ta tính tốn đưa tín hiệu điều khiển cho động → cần có điều khiển Hình Tổng quan hệ thống Đề tài nhóm chúng em thiết kế máy tiện (sử dụng động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu để điều khiển giám sát hoạt động động với tải quay theo mong muốn) Hình Hình minh họa mơ hình Tieu luan 1.2 Tính tốn tải chọn động Hình Sơ đồ khối động lực + Khối động lực gồm có phần biến đổi công suất, động điện, hộp số tải máy tiện hình Dưới mô tả chức phần khối động lực: - - Bộ biến đổi công suất: Các biến đổi thường dùng hệ truyền động điện đại biến đổi điện tử công suất chỉnh lưn Cụ thể đề tài biến đổi cơng suất có nhiệm vụ biến đổi từ nguồn điện xoay chiều pha cố định cho sang nguồn điện DC cấp cho động Động cơ: Sử dụng động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu để truyền động cho tải Trục Rotor động có chức truyền động trực tiếp cho tải Trong trường hợp chọn động có tốc độ cao mong muốn, ta sử dụng hộp số để giảm tốc độ động cho phù hợp với mong muốn Hình Sơ đồ khối điều khiển 10 Tieu luan Hình 36 Cảm biến tốc độ góc Thơng số kỹ thuật 36 Tieu luan CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TỔNG HỢP PHẦN ĐIỀU KHIỂN 4.1 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống 4.1.1 Mơ hình tốn học động Phương trình điện áp phần ứng : Va(t) = ea(t) + Raia(t) + La d ia ( t ) dt (1) Phương trình suất điện động cảm ứng rotor: Ea(t) = Keϕω (t) (2) Phương trình mơ-men điện từ: Me(t) = KMϕ ia(t) (3) Phương trình mơ tả quan hệ điện - : Me(t) - Mc(t) = J dω ( t ) dt (4) Chuyển phương trình điện áp mạch phần ứng (1) từ miền thời gian sang miền Laplace: Va(s) = Ea(s) + RaIa(s) + LasIa(s) (5) Chuyển phương trình suất điện động cảm ứng rotor (2) từ miền thời gian sang miền Laplace: Ea(s) = Keϕω ( s ) (6) Thay phương trình (6) vào (5) rút : Ia(s) = V a ( s )−K e ϕω ( S ) La s+ R a (7) Tương tự, từ phương trình (3) (4) rút được: 37 Tieu luan ω(s) = K M ϕ I a ( s )−M c ( s ) Js (8) Từ phương trình ta có mơ hình tốn học động điện chiều với giả thuyết momen tải tỉ lệ với tốc độ sau:      ++    +   +     Biến đổi sơ đồ khối dạng: Hàm truyền hệ động là: KM ϕ ω (s) = V a( s) ( L ¿ ¿ a s+ Ra ) ( Js )+ K M ϕ K e ϕ ¿ - Các thông số động cần thiết cho việc tính tốn:  𝑅𝑎 = 0.115 (ohm)  𝐿𝑎 = 0.024 (mH)  Kt=Kb=0.016  𝐽 =r2×M=1,08.10-2 (𝑘𝑔𝑚2)  Va=12 (V)  B=0 -Trong La, Ra lấy từ datasheet động cơ, J lấy từ datasheet hộp số 38 Tieu luan 4.1.2 Mơ hình tốn học băm điện áp:(Bộ biến đổi công suất) - Bộ băm điện áp điều khiển theo nguyên lý PWM mô hình hóa khâu khuếch đại: V a =K PWM v c Trong v c điện áp điều khiển biến đổi 4.1.3 Mơ hình tốn học cảm biến: - Phản hồi dịng điện: + Mơ hình tốn học phản hồi dịng điện biểu diễn hệ số khuếch đại Hc Bỏ qua thời gian trễ cảm biến ACS712 5µs -> Cảm biến dịng có hệ số khuếch đại Hc=1 - Phản hồi tốc độ: + Hàm truyền đạt khâu phản hồi tốc độ: GCS = Kω T ω s +1 Trong đó: K ω hệ số khuếch đại cảm biến T ω :hằng số thời giancủa lọc - Chọn Gω=1 4.1.4 Mơ hình tốn học hệ thống truyền động điện:   +   +           +     39 Tieu luan Trong Gcs(s) hàm truyền đạt điều khiển tốc độ, Gcc(s) hàm truyền đạt điều khiển dòng điện - Trong sơ đồ khối ta thấy sức điện động Eb ( s) xem nhiễu mạch vòng dòng điện, động có cơng suất nhỏ nên ta bỏ qua ảnh hưởng sức điện động cảm ứng mơ hình tốn học Khi mơ hình tốn học hệ truyền động điện đưa dạng +  +           4.1.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện - Ta có mơ hình tốn học mạch vịng dịng điện: +       - Ta sử dụng thuật toán điều khiển PI cho điều khiển dòng điện, đó: GCC ( s )=K pc + K ic s K ic K pc La K PWM - Hàm truyền mạch vòng dòng điện: K pc s Ra s+ La R a K ic - Để loại trừ điểm cực không, ta chọn K pc K ic cho: = La K pc s+ 40 Tieu luan - Gọi tần số cắt hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện ω cc, ta có biên độ hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện tần số cắt 1: GCC ( jω cc )= ( ) La ω cc K pc K PWM =1 ω cc lấy 100π - Vậy ta tính thơng số K pc K ic điều khiển sau: La ω cc 0,024.10−3 100 π −3 = =7,54.10 K PWM Ra 0.115 −3 =36.13 + K ic =K pc =7,54.10 −3 La 0,024.10 + K pc = 4.1.6 Tổng hợp mạch vịng tốc độ - Ta có mơ hình tốn học mạch vòng dòng điện: +       Hình Mơ hình tốn học mạch vịng tốc độ - Bộ điều khiển tốc độ sử dụng thuật tốn PI, ta tổng hợp mạch vịng tốc độ tương tự mạch vòng dòng điện: + GCS ( s ) =K ps+ K is s + Tần số cắt ω cs lấy ωcc + Hàm truyền hệ hở mạch vòng tốc độ: K ps B K is + Chọn K ps K is cho: = + GCS ( j ωcs ) = J ( K K ) ω J ps t =1 cs s+ K is K t K ps J s B s+ J K ps J ωcc 1,08.10−2 100 π = =53 Kt 4.0,016 B −3 =0 + K is =K ps J =1.52 10 −2 1,08 10 + K ps = 41 Tieu luan 42 Tieu luan CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG SIMULINK VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ - Bộ chỉnh lưu cầu Diode pha: Hình 37 Bộ chỉnh lưu cầu Diode pha - Mạch cầu H sử dụng Mosfet để điều khiển động cơ: 43 Tieu luan Hình 38 Mạch cầu H sử dụng Mosfet để điều khiển động - Bộ phát xung cho Mosfet: Hình 39 Bộ phát xung cho Mosfet - Động cơ: 44 Tieu luan Hình 40 Động - Đồ thị tín hiệu mong muốn: Hình 41 Đồ thị momen mong muốn 45 Tieu luan Hình 42 Tốc độ mong muốn - Bộ PI(s) controller: Hình 43 PI(s) Controller - Tồn hệ thống: 46 Tieu luan Hình 44 Tổng quát hệ thống - Kết mơ phỏng: Hình 45 Đồ thị động 47 Tieu luan Hình 46 Đồ thị dòng điện điện áp 48 Tieu luan LỜI KẾT Cuối cùng, tập thể nhóm xin trân trọng bày tỏ lòng biết ớn sâu sắc tất Thầy Cô ban dạy môn PBL2 tạo cho chúng em điều kiện để tiếp xúc, học hỏi tích góp kinh nghiệm làm đồ án thực tế, kiến thức quý báu cho PBL sau đồ án tốt nghiệp Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn Đà nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2022 49 Tieu luan TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Truyền động điện – PGS-TS Lê Tiến Dũng, TS Giáp Quang Huy [2] Giáo trình Điện tử công suất – ThS Khương Công Minh 50 Tieu luan ... cầu đề tài, mơ tả tốn đề tài Dự án yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tốc độ hệ thống truyền động sử dụng động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu với tải chuyển động quay Yêu cầu hệ truyền. .. dịng điện động điều khiển - Bộ điều khiển lập trình thuật tốn điều khiển truyền động điều chỉnh q trình cơng nghệ Từ thơng tin phản hồi với giá trị đặt mong muốn đầu vào, thuật toán điều khiển. .. thiếu động điện, vì loại động điện chế tạo ngày hoàn thiện Từ trước đến nay, động chiều loại động sử dụng rộng rãi kể hệ thống yêu cầu cao Với Đồ án Tổng hợp hệ thống truyền động điện đề tài: “Thiết