Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vữngnên các bộ điều khiển PID tỉ lệ, tích phân, đạo hàm được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp.

THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

Đề bài: Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập Với các thông số sau:

 Công suất động cơ 10KW

LỜI NÓI ĐẦU 5

Chương 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6

1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6

1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều 6

a) Khái niệm 6

b) Cấu tạo 6

c) Phân loại 8

d) Ưu – nhược điểm của máy điện một chiều 8

1.1.2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 9

1.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 10

1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập 10

1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều 11

1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi 13

1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI (CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA) 14

1.4 VISME 15

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý 15

a) Cấu tạo 15

b) Nguyên lý 16

1.4.2 Ưu - nhược điểm 16

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 17

2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 17

2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG 18

2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng 18

2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI 18

2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ R 20

2.4 MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 22

Chương 3 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 24

3.1 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 24

3.1.1 Các thông số đã biết 24

3.1.2 Các thông số chọn: 24

3.1.3 Tính toán thông số 24

3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 27

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 28

3.3.1 Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v 28

3.3.2 Với momen cản Mc = 100; điện áp đặt 10v 29

3.3.3 Với momen cản Mc = 100; điện áp đặt 15V 31

KẾT LUẬN 32

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các ngành côngnghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện 1 chiều được ứngdụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhàmáy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot; để thực hiện các nhiệm vụ trongcông nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất,yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vữngnên các bộ điều khiển PID (tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) được dùng phổ biến trong các

hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệthống điều khiển tự động Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiểnkhác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau Do đó cần phải tiếnhành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện ngàycàng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được làcao nhất,đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dâychuyền sản xuất

Trong học kì này em đã nhận được đề tài :“Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng bộ điều khiển cho

hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập”

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên Mặc dù đã dành nhiều cố

gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sự góp

ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô

Chương 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều

a) Khái niệm

Động cơ điện một chiều là loại máy điện làm việc với nguồn điện một chiều.Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc theo chế độ động cơ Nghĩa làmáy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại

b) Cấu tạo

Cấu tạo máy điện một chiều gồm 3 phần chính:

- Stato: Còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy, thường

được chế tạo bằng gang hay thép đúc Stato là mạch từ cũng là vỏ máy bao bọc các

bộ phận bên trong Phía mặt trong của stato được gắn các cực từ, phần cuối của cực

từ được làm loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ có gắn cuộn dây kích từ

Hình 1.1 Cấu tạo máy điện một chiều

- Roto: còn gọi là là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng

- Lõi thép: có hình trụ được ghép từ các lá ghép kĩ thuật điện, ghép cách điện với

nhau nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy

Hình 1.2 Lá thép statoChung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dâyphần ứng Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc Ngoài ra trên lõi thép còndập một số lỗ thông gió để làm mát Thân máy, cực từ và lõi thép phần ứng tạothành mạch từ của máy điện một chiều

Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiều vòngdây được xếp trong các rãnh của lõi thép Hai đầu phần tử nối với với 2 phiến góp,

2 cạnh tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2 cực khác tên.Phần ứng được bắt chặt trên trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn Nắp máy giữ cốđịnh hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bu-lông xuyên

- Cổ góp – chổi than

Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện giữa phần ứng của máy điện với thiết

bị bên ngoài Khi hoạt động ở chế độ máy phát điện cổ góp còn có nhiệm vụ chỉnhlưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều trước khi đưa ra mạch điện ngoài

Hình 1.3 Cổ góp và chổi than

Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụ tròn,sau đó gắn vào trục roto, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được cáchđiện với trục bằng lớp mica mỏng Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn với đầudây của phần tử dây quấn phần ứng

Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hìnhhộp Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắtchặt vào nắp máy Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò xo

ép chặt

Các đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng được nối với nhau tại cổ góp tạo thànhmạch điện khép kín Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dây quấn phầnứng thành các mạch nhánh song song

c) Phân loại

Máy điện một chiều được phân loại theo dạng mạch kích từ:

- Mấy điện một chiều kích từ song song

- Máy điện một chiều kích từ độc lập

- Máy điện một chiều được kích từ hỗn hợp

d) Ưu – nhược điểm của máy điện một chiều

- Ưu điểm của máy điện một chiều:

Ưu điểm nổi bật của máy điện một chiều là có momen mở máy lớn, do vậy kéođược tải nặng khi khởi động Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảngnhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa khi cần thay đổi mịn tốc độ.

- Khuyết điểm:

Nhược điểm của máy điện một chiều là bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp và đắttiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận hành nêncần bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên Ngoài ra tia lửa điện phát sinh trên cổgóp – chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ.Nhược điểm nữa là

do mạng điện cung cấp chủ yếu ở dạng xoay chiều nên khi cần chomáy điện mộtchiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một chiều đi kèm

1.1.2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi mạch điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch kích từ mắc vào 2 nguồn độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động

Rư: điện trở mạch phần ứng

Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng

Hình 1.5 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Động cơ điện một chiều có nhiều loại nhưng động cơ điện một chiều kích từ độclập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơ điệnmột chiều như sau:

Hình 1.6 Hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- ĐC: Động cơ điện một chiều

- Uư: Điện áp phần ứng

1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập

- Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U I R ö ö E

- Biểu thức momen và suất điện động: Mđt K .I  ö 

Trong đó:K p.N ( / 2a)là hệ số cấu trúc động cơ

p: số cặp cực từ chính của động cơN: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứnga: số nhánh song song

Từ các biểu thức trên ta suy ra được biểu thức tính tốc độ góc:

1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:

- Với mạch kích từ: Uk(p)R Ik k N p.k (p)

-Với mạch phần ứng: Uö(p)R Iö ö(p)L p.Iö ö(p)N pN (p)E(p)

- Phương trình cân bằng momen: Mđñt(p)– Mc(p) Jp ( )p

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều tổng quát

Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ

đồ là rất cao Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phươngtrình tuyến tính hóa được viết như sau:

- Mạch phần ứng:

 U  U(p)R I  I (p)  pL I  I(p) K[  (p)] B (p)

- Mạch kích từ:

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ kích từ độc lập

1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi

Khi từ thông kích từ của động cơ kích từ độc lập không đổi ( const ) thì với kýhiệu K. const C uta có: M(p)C u I(p) và E(p)Cu(p)

Trong trường hợp này mô hình toán của động cơ chỉ có hai phương trình cân bằngđiện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc động cơ kích từ độc lập với từ thông không đổi.

1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI (CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA)

Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Hình 1.10 Mạch động lực

Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát bộ biến đổi

Trong đó Tv0 kể tới sự không đồng thời của tín hiệu

Tđk là hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu

Kcl là hằng số khuếch đại của bộ chỉnh lưu

Kết luận: Động cơ một chiều với những ưu điểm như điều chỉnh tốc độ dễ dàng và

khả năng quá tải lớn nên được ứng dụng nhiều trong những ngành công nghiệp cóyêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ Cùng với những ưu điểm khác về cấu tạo, dảiđiều chỉnh, cấu trúc mạch lực và ứng dụng của các phương pháp điều khiển thôngminh, hệ truyền động điện một chiều ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tếđem lại những hiệu quả cao trong sản xuất và góp phần giảm nhẹ sức lao động

1.4 VISME

Cơ cấu vít-me và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thànhchuyển động tịnh tiến của đai ốc Khi động cơ quay thì đai ốc sẽ chuyển độngtịnhtiến dọc theo trục của vít-me

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý

a) Cấu tạo

Vít me có kết cấu đa dạng nhưng chúng đề có dạng chung gồm: Trục vít me, đai

ốc, vòng bi, ống hồi tiếp…

Vít me đai ốc thường:Vit-me đai ốc thường bao gồm một trục được tiện ren và lắpvới một ống được tiện ren trong sao cho 2 ren nay phải cùng dạng và cùng bước renvới nhau Hình bên dưới là một minh họa về ăn khớp giữa trục vít và đai ốc Cơ cấunày chính làcơ cấu của bu-lông và đai ốc Khi bu-lông di chuyển thì đai ốc sẽchuyển động tịnh tiến Tiếp xúc giữa bu-lông và đai ốc là tiếp xúc mặt nên đai ốc sẽ

di chuyển tương đối khó do ma-sát lớn

Hình 1.12 Vít me đai ốc thường

Vít me đai ốc bi: Để khắc phục hiện tượng trên ta tiện các rãnh của trục vít-me

có hình tròn thay vì hình thang hoặc tam giác và những rãnh này sẽ được đặtvào những viên bi sắt Mối ghép vít me bi và đai ốc là những đường được lắp đầybởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, những viên bi cuộn tròn trong mối rencủa trục vít và đai ốc

- Đảm bảo truyền động ổn đinh vì gần nhưu ma

sát không phụ thuộc vào tốc độ

- Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên

Nhược

điểm

- Khả năng chịu tải kém hơn Vít me thường

- Khó chế tạo, giá thành cao

- Ma sát cao do tiếpxúc mặt trực tiếp

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ

2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điệnTrong đó: Msx: máy sản xuất

M: động cơ truyền độngBĐ: bộ biến đổi

R: Các bộ điều chỉnhĐL: Thiết bị đo lườngĐộng cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộxoay chiều, động cơ bước Các động cơ điện được cấp nguồn điện từ bộ biến đổi.Các bộ biến đổi thường được dùng là các bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor, các bộbiến tần tranzitor….Các bộ điều khiển ở đây có hai chức năng:

Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thôngtin để điều khiển các thông số đầu ra bộ biến đổi

* Hệ truyền động điện một chiều thường được phân loại:

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước

không đổi Ví dụ: Duy trì tốc độ không đổi, duy trì mômen không đổi

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vịtrí, trong

đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng ta

thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọtkim loại…

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điều khiển

vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình định trước, thôngthường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gianphức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chương trình điều khiển đượcghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ…thường gặp các hệ điều khiển theo chương trìnhtrong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động của robot trong sản xuất

2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG

2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng

Hình 2.2 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòngMạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiểnđộng cơ một chiều, nó cũng hạn chế dong điện của động cơ không vượt quángưỡng cho phép Mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập giá trị dòngbằng giá trị điều khiển trước sự tác động của nhiễu

Đối với động cơ một chiều bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo hai cách:

- Tổng hợp bộ điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ứng

- Tổng hợp bộ điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứng

Trong trường hợp quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện nghĩa là tại thời điểm

đó có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn hơn nhiều lần so với sự thay đổi củatốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi Khi cần điều khiển chínhxác thì ta cần phải tính đến xác xuất điện động của động cơ

2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển R I

Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành thìmạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản có chức năng cơ bản của cácmạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ,ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Trong đó: ö ö

ö

LT

Bỏ qua sự ảnh hưởng của suất điện động ta có:

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua E

Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động thì ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau:

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điệnTrong đó SI là mô hình đói tượng của bộ điều khiển dòng

Kết quả khi tổng hợp mạch vòng bằng phương pháp tối ưu:

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độTheo hình 2.6 ta có đối tượng cho bộ điều khiển:

1 I

SI

kCuS

2 2 1 2

1 2

12

1I

Hình 2.7 Sơ đồ rút gọn mạch vòng tốc độ

u S I

u I S

u S I

K JR

Chương 3 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK

3.1 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MÔ PHỎNG

- Hàm truyền bộ biến đổi:

KW

R TR

khau han che

khau han che

3.8072 s

bu tich phan

Scope5 Scope4

Scope3

Scope2 Scope1

100 Mc

1 10s Khuech dai TD

22 0.003s+1 Kbd/(1+Tbd.p)

1 0.1

Do vi tri1

0.10 0.2s+1

Do vi tri

0.064 0.001s+1

Do toc do

0.168 0.002s+1

Do dong

1.3

Cu

1.3 Cu

15 Constant

PD(s) BDK vi tri

P(s) BDK toc do

PI(s) BDK dong

1 0.56s 1/Jp

1 0.002s+1 1/(Tv.p+1)

5 0.07s+1 1/(Tu.p+1)

3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK