Đề tài thiết kế hệ thống truyền động điện điều khiển băng tải sử dụng động cơ 1 chiều kích từ độc lập

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN  BÁO CÁO PROJECT BASE LEARNING 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN BĂNG TẢI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Giảng viên hướng dẫn: T.S Giáp Quang Huy Trợ giảng: Phạm Đồn Thơi Sinh viên thực hiện: Lưu Quang Thái (nhóm trưởng) Nguyễn Thế Vinh Trương Văn Nhật Nguyễn Lương Khánh Phan Ngọc Nam Nhóm thực hiện: Nhóm Lớp HP: 20.35A Đà nẵng,2022 Mục lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TỐN U CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ Tổng quan hệ thống: .4 1.1 Giới thiệu đề tài đồ án: 1.2 Phương pháp thiết kế: 1.3 Sơ đồ khối toàn hệ thống: Chọn cấu truyền động cho tải: .7 Tính Mơ men quy đầu trục động : Tính cơng suất động cơ: .12 Kiểm nghiệm động mô MATLAB / SIMULINK: 13 Chọn động cơ: 16 CHƯƠNG 2:TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 18 Khái quát động điện chiều: 18 1.1 Phần tĩnh (Stato): .18 1.2 Phần quay (Roto): 18 1.3 Đặc tính cơ: 18 1.4 Điều chỉnh tốc độ động : .19 1.5 Việc cấp nguồn cho động cơ: .20 Chỉnh lưu tia pha có điều khiển (dùng Thyristor): 22 2.1 Cấu tạo: 22 2.2 Hoạt động: 22 2.3 Góc điều khiển (góc kích) : .22 2.4 Điện áp dòng điện chỉnh lưu: .23 Tổng quan chỉnh lưu kép pha: .23 3.1 Cấu tạo: 23 3.2 Chức 23 3.3 Phương pháp điều khiển 24 Tính chọn linh kiện cho chỉnh lưu kép ba pha: 25 Nguyên tắc điều khiển: 27 Thiết kế mạch điều khiển phát xung: .28 Thiết kế lọc: 29 Mô biến đổi công suất: 30 CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG 32 Tính chọn Encoder: 32 Chọn cảm biến dòng: 32 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ 33 Mơ hình tốn học động chiều kích từ độc lập: 33 Mơ hình tốn học chỉnh lưu tia pha: .35 Mơ hình tốn học cảm biến dòng encoder: 36 3.1 Cảm biến dòng điện: 36 3.2 Encoder: .36 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống: 37 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 38 Sơ đồ mô hệ thống matlab Simulink: 38 1.1 Sơ đồ mơ tồn hệ thống: 38 1.2 Sơ đồ mô điều khiển: 38 Kết mô nhận xét: 39 2.1 Mô tốc độ: .39 2.2 Mơ dịng điện: 41 2.3 Mô momen động cơ: .42 2.4 Mô điện áp động cơ: 44 Đánh giá chất lượng hệ thống: 44 Danh mục hình ảnh Hình1.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống Hình 1.2 Hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập với Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển Hình 1.3 Sơ đồ khối toàn hệ thống Hình 1.4 Matlab simulink .7 Hình 1.5 Hình 1.5 Mô Psim Hình 1.6 Hình 1.6 Ngun lý mơ hình băng tải .8 Hình 1.7 Hình 1.7 Đồ thị tốc độ mong muốn tải .9 Hình 1.8 Hình 1.8 Chuyển đổi chuyển động thẳng chuyển động quay Hình 1.9 Đồ thị tốc độ động mong muốn 11 Hình 1.10 Đồ thị momen đầu trục động mong muốn .12 Hình 1.11 Đồ thị cơng suất động theo thời gian 14 Hình 1.12 Sơ đồ mơ động Matlab Simulink 15 Hình 1.13 Đồ thị tốc độ Momen .15 Hình 1.14Đồ thị dịng điện phần ứng dịng điện kích từ 16 Hình 1.15 Đồ thị tốc độ Momen .16 Hình 1.16 Đồ thị dịng điện phần ứng dịng điện kích từ .17 Hình 2.1 Động chiều kich từ động lập 20 Hình 2.2 Cấp điện cho động chiều với băm xung áp 22 Hình 2.3 Cấp điện cho động chiều với băm chỉnh lưu 22 Hình 2.4 Mạch nguyên lý chỉnh lưu tia pha 23 Hình 2.5 Sơ đồ mơ tả chỉnh lưu kép .25 Hình 2.6 Các trạng thái hoạt động chỉnh lưu kép 25 Hình 2.7 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng across 29 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch lấy tín hiệu đồng 30 Hình 2.9 Mơ mạch lấy tín hiệu đồng Proteus 30 Hình 2.10 Kết mô Proteus 31 Hình 2.11 Sơ đồ mạch chỉnh lưu kép mô Psim 32 Hình 2.12 Kết mô lần .33 Hình 3.1 Encoder Omron E6B2-CWZ6C 34 Hình 3.2 Cảm biến dòng điện Senceca T201 34 Hình 4.1 Sơ đồ khối mơ hình tốn học động 35 Hình 4.2 Sơ đồ khối rút gọn mơ hình tốn học động 36 Hình 4.3 Mơ hình tốn học động kích từ độc lập 37 Hình 4.4 Mơ hình tốn học chỉnh lưu .38 Hình 4.5 Mơ hình tốn học cảm biến dòng 39 Hình 4.6 Mơ hình tốn học encoder……………………………………………………………………………………………… 39 Hình 4.7 Mơ hình tốn học tồn hệ thống……………………………………………………………………………………….39 Hình 5.1 Sơ đồ mơ toàn hệ thống Matlab Simulink 40 Hình 5.2 Sơ đồ mơ điều khiển 41 Hình 5.3 Đồ thị tốc độ động mong muốn 41 Hình 5.4 Đồ thị tốc độ động mô 42 Hình 5.5 Đồ thị so sánh tốc độ mong muốn thực tế .42 Hình 5.6 Đồ thị dịng điện thực tế 44 Hình 5.7 Đồ thị momen mong muốn 45 Hình 5.8 Đồ thị momen thực tế .45 Hình 5.9 Đồ thị so sánh momen mong muốn thực tế 46 Hình 5.10 Đồ thị điện áp thực tế 47 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TỐN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ Tổng quan hệ thống: 1.1 Giới thiệu đề tài đồ án: - Yêu cầu: Sinh viên làm việc nhóm để thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tốc độ động điện với tải chuyển động quay - Sản phẩm dự án bao gồm: Bản vẽ hệ thống tải, Mạch nguyên lý, Sơ đồ mô phỏng, Mô điều khiển động mang tải Hình1.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 1.2 - Phương pháp thiết kế: Trong nhiều phương pháp thiết kế, nhóm chúng em xin chọn phương án thiết kế ảnh: Hình 1.2 Hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập với Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển 1.3 - Sơ đồ khối toàn hệ thống: Sau lựa chọn động hệ thống, chúng em tìm hiểu toàn phương pháp triển khai, phát triển xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống sau: Hình 1.3 Sơ đồ khối tồn hệ thống - Chúng em tìm hiểu phương pháp điều khiển tốc độ động lựa chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động phương pháp điều khiển nhóm chúng em - Để điều khiển điện áp phần ứng, có nhiều phương pháp sử dụng mạch cầu H, sử dụng băm xung điều khiển điện áp, nhóm chúng em định sử dụng chỉnh lưu tia pha kép có điều khiển để điều khiển điện áp phần ứng động - Sử dụng chỉnh lưu tia pha kép có điều khiển cần phải tính chọn linh kiện điện tử tương ứng chúng em lựa chọn gần đầy đủ phần báo cáo - Vì nhiều lí khác nên nhóm chúng em định mơ dự án, phần mềm sử dụng nhóm chúng em bao gồm:  Matlab: sử dụng để mơ tồn hệ thống, tinh chỉnh lựa chọn thơng số PID động Hình 1.4 Matlab simulink  Psim: mô sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tia pha kép Hình 1.5 Mơ Psim  Mơ SolidWorks hình dạng băng tải: Chọn cấu truyền động cho tải: - Mơ hình tải băng tải kết hợp với giảm tốc, truyền đai động Hình 1.6 Ngun lý mơ hình băng tải - Trong đó:  M : Khối lượng tải  r : Bán kính pulley  J M : Mơ men qn tính trục động  ω m : Tốc độ quay động  T em : Mô men điện từ động  u : Tốc độ mong muốn tải  f L : Ngoại lực - Ta xác định thông số tải sau:  Vmax = m/s  r= 0.25 m = 25cm  M=4 kg - Yêu cầu tải :  Nguyên lí hoạt động động chia làm giai đoạn sau :  Giai đoạn : Động khởi động thuận từ 0m/s lên 5m/s 1s  Giai đoạn : Động trì tốc độ 5m/s 2s  Giai đoạn : Động hãm 0m/s đảo chiều quay khởi động nghịch lên tốc độ -5m/s 1s  Giai đoạn : Động trù tốc độ -5m/s 2s  Giai đoạn : Động hãm 0m/s 1s cuối Đồ thị tốc độ mong muốn tải (m/s) Tốc độ mong muốn tải (m/s) 0 -2 -4 -6 Thời gian (s) Hình 1.7 Đồ thị tốc độ mong muốn tải Tính Mơ men quy đầu trục động : - Chuyển đổi chuyển động thẳng chuyển động quay: Hình 1.8 Chuyển đổi chuyển động thẳng chuyển động quay - Ta có cơng thức tính tốn:  Mối quan hệ tốc độ dài tốc độ quay: u = r.ωm (m/s) => ωm = u (rad/s) r (1.1)  Momen yêu cầu từ động cơ: Tem = Jm d ωqt dω + r 2.M m + r.fL dt dt (1.2) - Để mô thay đổi điện áp đầu ta cài đặt góc kích sau:  Lần 1: α I =30, α II =150 (bộ chỉnh lưu hoạt động tạo điện áp dương)  Lần 2: α I =60, α II =120 (bộ chỉnh lưu hoạt động tạo điện áp dương)  Kết mô phỏng: - Mô thay đổi điện áp đầu ra:  Lần 1: α I =30, α II =150 Hình 2.14 Kết mơ lần + Lần 2: α I =60, α II =120 33 Hình 2.110 Kết mơ lần  Nhận xét: Mô thay đổi điện áp đầu ra:  Điện áp sau chỉnh lưu điện áp chiều  Khi thay đổi góc kích chỉnh lưu thuận, α I từ 300 đến 600 ta thấy điện áp sau chỉnh lưu giảm → điều chỉnh điện áp đầu  Tương tự điện áp, dòng điện biến đổi điều chỉnh góc kích mở CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG Tính chọn Encoder:  Vì tốc độ động yêu cầu lúc cao 20 rad/s có đảo chiều nên ta chọn Encoder Omron E6B2-CWZ6C 1000 xung pha A,B,Z với thông số sau: - Điện áp sử dụng: 5~24VDC - Dòng tiêu thụ: max 80mA - Số xung: 1000 xung / vòng (1000 p/r) - Số kênh xung: kênh xung riêng biệt A, B, Z - Tần số đáp ứng tối đa: 100Khz 34 Hình 3.1 Encoder Omron E6B2-CWZ6C Chọn cảm biến dịng:  Vì động có dịng điện định mức 6,8A làm việc q tải dịng khoảng 11A có đảo chiều nên ta chọn cảm biến dịng Seneca T201 với thơng số sau: - Nguồn cấp: 5-28VDC - Tốc độ chuyển đổi 100-2500 ms - Tín hiệu đầu : 4-20mA - Tín hiệu đầu vào: nhiều dải đo từ 5-40A Hình 3.11 Cảm biến dịng điện Senceca T201 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ Mơ hình tốn học động chiều kích từ độc lập: - Từ sơ đồ cấu trúc chung, ta thấy tín hiệu vào động điện áp chiều sau chỉnh lưu tín hiệu tốc độ, nên ta có sơ đồ khối sau: Động 35 - Phương trình điện áp mạch phần ứng: - Suất điện động cảm ứng rotor: - Phương trình momen điện từ: - Phương trình mơ tả quan hệ điện-cơ: Chuyển phương trình điện áp phần ứng sang miền Laplace: - Chuyển phương trình suất điện động sang miền Laplace: - Chuyển phương trình momen điện từ sang miền Laplace: Từ phương trình ta rút phương trình: - Từ phương trình ta có mơ hình toán học động điện chiều với giả thuyết momen tải tỉ lệ với tốc độ sau: Hình 4.12 Sơ đồ khối mơ hình tốn học động - Trong đó: - Biến đổi sơ đồ khối động cơ: 36 Hình 4.13 Sơ đồ khối rút gọn mơ hình tốn học động - Tính tốn hàm truyền: Trong đó: tổng hệ số ma sát số thời gian học Với: 37 Ta xét phương trình mẫu hàm truyền đạt : Ta có: Từ số liệu ta có mơ hình tốn học động chiều kích từ độc lập: Hình 4.14 Mơ hình tốn học động kích từ độc lập Mơ hình tốn học chỉnh lưu tia pha: - Khi nhận giá trị thực phản hồi từ cảm biến dòng, với giá trị dịng điện mong muốn điều khiển dịng điện tính tốn điện áp điều khiển để cung cấp cho mạch phát xung, từ điều khiển mạch chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu có tác dụng biến điện áp xoay chiều thành điện áp chiều cung cấp cho động Vậy đầu vào mạch chỉnh lưu điện áp điều khiển Udk đầu điện áp chiều cung cấp cho động Bộ chỉnh lưu Theo nguyên tắc điều khiển arccos, ta có: Điện áp chỉnh lưu: 38 - Nguyên lí hoạt động: Bộ chỉnh lưu hoạt động theo chu kỳ lấy mẫu mạch điều khiển Khoảng thời gian lấy mẫu gây trễ biến đổi Khi thay đổi điện áp điều khiển Thyristor thay đổi trạng thái đóng mở điện áp chưa thay đổi Góc trễ hiệu chỉnh sẵn sàng để thực thi khoảng 60 độ khoảng góc mở Thyritor Vậy nên thời gian trễ lấy nửa khoảng trễ Do chỉnh lưu mơ hình hóa hàm trễ: Ta có mơ hình tốn chỉnh lưu: Hình 4.15 Mơ hình tốn học chỉnh lưu Mơ hình tốn học cảm biến dịng encoder: 3.1 Cảm biến dịng điện: Mơ hình tốn học phản hồi dịng điện biểu diễn hệ số khuếch đại Hc Trong đa số trường hợp không yêu cầu có lọc Chọn hệ số khuếch đại Hc=1: 3.2 Encoder: Hc=1 Hình 4.16 Mơ hình tốn học cảm biến dòng 39 Hàm truyền đạt khâu phản hồi tốc độ: Trong đó: hệ số khuếch đại cảm biến, số thời gian lọc Hằng số thời gian lọc thường 10ms nên ta chọn Suy ra, mơ hình tốn học encoder: =1 = 0.007s Hình 4.6 Mơ hình tốn học Encoder Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống: Từ mơ hình tốn phần tử trên, ta kết hợp lại tạo thành mô hình tốn hồn chỉnh hệ truyền động điện: Udk Udc Ia Bộ điều khiển W Ia W* Hc=1 Hình 4.7 Mơ hình tốn học tồn hệ thống CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sơ đồ mơ hệ thống matlab Simulink: 40 1.1 Sơ đồ mơ tồn hệ thống: Hình 5.17 Sơ đồ mơ toàn hệ thống Matlab Simulink 1.2 Sơ đồ mơ điều khiển: Hình 5.18 Sơ đồ mơ điều khiển Kết mô nhận xét: 2.1 Mô tốc độ: 41 - Đồ thị tốc độ mong muốn động cơ: Hình 5.19 Đồ thị tốc độ động mong muốn - Đồ thị tốc độ động cơ: Hình 5.20 Đồ thị tốc độ động mô - So sánh đồ thị tốc độ: 42 Hình 5.21 Đồ thị so sánh tốc độ mong muốn thực tế - Nhận xét:  Nhìn chung tốc độ thực động đáp ứng tốt tốc độ yêu cầu Từ 01s tốc độ tăng dần, 1-3s tốc độ ổn định, 3-4s tốc độ đảo chiều, 4-6s tốc độ ổn định, 6-7s tốc độ giảm dần Tốc độ gần bám sát tốc độ mong muốn  Thời điểm ban đầu lúc khởi động tốc độ chưa đáp ứng tốc độ mong muốn, đáp ứng trễ nhiên thời gian trễ ngắn  Tốc độ chưa ổn định điểm chuyển đổi trạng thái  Đồ thị tốc độ gần đạt yêu cầu đề 2.2 Mơ dịng điện: 43 - Đồ thị dịng điện động cơ: Hình 5.22 Đồ thị dịng điện thực tế - Nhận xét:  Nhìn chung, từ 0-1s bắt đầu khởi động dịng điện tăng lên, từ 1-3s lúc tốc độ khơng đổi dịng điện 0, từ 3-4s tốc độ lại tăng đảo chiều, 4-6s dòng điện 0, từ 6-7s dòng điện tăng lên giảm tốc  Lúc khởi động dịng điện giao động nhẹ khoảng 0.1s, sau xác lập  Tại vị trí tốc độ đạt định mức bắt đầu đảo chiều dịng điện khơng ổn định  Đồ thị dịng điện đáp ứng yêu cầu đề 2.3 Mô momen động cơ: 44 - Đồ thị momen động mong muốn: - Hình 5.7 Đồ thị momen mong muốn Đồ thị momen mơ động cơ: Hình 5.23 Đồ thị momen thực tế 45 - So sánh đồ thị momen: Hình 5.24 Đồ thị so sánh momen mong muốn thực tế - Nhận xét:  Nhìn chung, đường đặc tính momen động đường đặc tính momen tải dạng với Tuy nhiên giá trị momen thực cao momen tải có thành phần momen qn tính  Đồ thị momen thực đồng dạng với đồ thị dòng điện  Đường đặc tính momen thực động giao động lúc khởi động, giảm tốc đảo chiều khoảng 0.1s nên đáp ứng tốt  Đồ thị momen đáp ứng yêu cầu đề 46 2.4 Mô điện áp động cơ: - Đồ thị điện áp mơ động cơ: Hình 0.25 - Hình 5.10 Đồ thị điện áp thực tế Nhận xét:  Nhìn chung, chỉnh lưu hoạt động tốt, điện áp sau chỉnh lưu có thay đổi đảo chiều được.Tuy nhiên điện áp dao động nhiều  Dạng đồ thị điện áp tương tự tốc độ Vì điều khiển phương pháp thay đổi điện áp phần ứng tốc độ tỉ lệ với điện áp  Đồ thị điện áp đáp ứng yêu cầu đề Đánh giá chất lượng hệ thống:  Tốc độ động đáp ứng tốt yêu cầu đề ra, tốc độ bám sát theo giá trị đặt mong muốn, nhiên giao động số thời điểm nhiều yếu tố khách quan  Dòng điện momen đạt yêu cầu đề ra, nhiên giá trị số thời điểm chưa xác có thêm thành phần momen quán tính  Cần kiểm nghiệm thêm đưa thông số điều khiển để đáp ứng hệ thống tốt  Hệ thống ảnh hưởng tác nhân khách quan chủ quan, cần phải nghiên cứu phát triển kiểm nghiệm cách đầy đủ 47 ... Đánh giá chất lượng hệ thống: 44 Danh mục hình ảnh Hình1 .1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống Hình 1. 2 Hệ thống truyền động điện sử dụng động chiều kích từ độc lập với Bộ biến đổi... .15 Hình 1. 14Đồ thị dịng điện phần ứng dịng điện kích từ 16 Hình 1. 15 Đồ thị tốc độ Momen .16 Hình 1. 16 Đồ thị dịng điện phần ứng dịng điện kích từ .17 Hình 2 .1 Động. .. Hình1 .1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 1. 2 - Phương pháp thiết kế: Trong nhiều phương pháp thiết kế, nhóm chúng em xin chọn phương án thiết kế ảnh: Hình 1. 2 Hệ thống truyền động điện sử dụng động