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

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: Thông số kỹ thuật Yêu cầu • Công suất động cơ 10KW • Điện áp nguồn 110 VDC • Trọng lượng tải 4000kg • Tốc độ lớn nhất 0.05m/s • Hệ số ma sát 0.5 • Tỉ số hộp truyền 10/1 • Xây dựng mô hình động cơ một chiều • Xây dựng mô hình điều khiển cho hệ • Tính chọn các bộ điều khiển • Mô phỏng đáp ứng trên simualink với các nhiễu, tải khác nhau và đánh giá kết quả LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện 1 chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot; để thực hiện các nhiệm vụ trong công 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 vững nên 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 hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất,đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây chuyền 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 là máy 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 stato Chung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây phần ứng. Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc. Ngoài ra trên lõi thép còn dập một số lỗ thông gió để làm mát. Thân máy, cực từ và lõi thép phần ứng tạo thành mạch từ của máy điện một chiều. Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiều vòng dây 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 cố định 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 chỉnh lưu 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 cách điện với trục bằng lớp mica mỏng. Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn với đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng. Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hình hộp. Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắt chặt 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 thành mạch điện khép kín. Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dây quấn phần ứng 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 kéo được tải nặng khi khởi động. Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảng nhảy 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 đắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên. Ngoài ra tia lửa điện phát sinh trên cổ góp – 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 một chiều 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 và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Hình 1.4. Sơ đồ nối dậy của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ: ( ) 2 f đñt đñm đm ö ö U R R M k k + ω = + × φ φ Với U ư : điện áp phần ứng R ư : điện trở mạch phần ứng R f : 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 độc lập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơ điện một 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 - U ư : Điện áp phần ứng - U kt : Điện áp kích từ - I ư : Dòng điện phần ứng - I kt : Dòng điện kích từ - CF: Cuộn dây cực từ phụ - CB: Cuộn bù - M đt : Momen điện từ - M c : Momen cản - ω: Tốc độ góc của động cơ - φ kt : Từ thông kích từ 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: ö ö U I .R E = + - Biểu thức momen và suất điện động: öđt M K. .I . = φ ω Trong đó: 2 = π K p.N (/ a) là hệ số cấu trúc động cơ p: số cặp cực từ chính của động cơ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số nhánh song song Từ các biểu thức trên ta suy ra được biểu thức tính tốc độ góc: ( ) 2 ö ö ö ö ö đñt R U R I M K K K U K ω = − φ = − φ φ φ Biểu thức trên cho phép xây dưng đặc tính điện cơ và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều trong chế độ xác lập, cũng như các phương pháp điều chỉnh tóc độ và đảo chiều quay của nó. 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: k k k k U R .I N .p.(p) (p) = + φ -Với mạch phần ứng: ö ö Nö ö ö U R .I L .p.I( N .pp) ( .p) (p) (p) (p)E = + ± φ + [...]... được giao trong bản đồ án : Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng bộ điều khi n cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập Các nhiệm vụ đó là: - Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập - Xây dựng mô hình điều khi n truyền động cho hệ - Tính chọn các bộ điều khi n - Mô phỏng đáp ứng trên Simulink với các... lường Động cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ xoay 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 khi n tiristor, các bộ biến tần tranzitor….Các bộ điều khi n ở đây có hai chức năng: Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông tin để điều khi n. .. phép Mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khi n là thiết lập giá trị dòng bằng giá trị điều khi n trước sự tác động của nhiễu Đối với động cơ một chiều bộ điều khi n dòng có thể tổng hợp theo hai cách: - Tổng hợp bộ điều khi n RI bỏ qua sức điện động phần ứng - Tổng hợp bộ điều khi n 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... 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 v trí, trong đó cần điều khi n tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng ta thường gặp ở truyền động quay... Cu I(p) – M c (p) = J.p.∆ω( p) Từ hai phương trình trên ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông khòn đổi.Trong trường hợp này động cơ là đối tượng tuyến tính 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... từ thường gặp các hệ điều khi n theo chương trình trong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động của robot trong sản xuất 2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHI N DÒNG 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khi n dòng Hình 2.2 Cấu trúc mạch vòng điều khi n dòng Mạch vòng điều khi n có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khi n động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dong điện của động cơ không vượt quá ngưỡng cho phép... I J k ω Cu.4TSω Vậy bộ điều khi n tốc độ tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu là một bộ P Kết quả khi tổng hợp bằng modul tối ưu có TSϖ rất nhỏ nên ta có: 1 kω ω ≈ = Fω ωñđ 1 + p.TS ω 2.4 MẠCH VÒNG ĐIỀU KHI N VỊ TRÍ Hình 2.8 Mạch vòng điều khi n vị trí - Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ như sau: 1 kω 1 + 4Tω Fω = - Đối tượng điều khi n cho mạch vòng dịch chuyển vị trí: Sϕ = kϕ 1 kω kr... 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 ký hiệu K.φ = const = C u ta có: M(p) = Cu I(p) và E(p) = C uω(p) Trong trường hợp này mô hình toán của động cơ chỉ có hai phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học U(p) = R ö I(p) ( 1... rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại… - Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điều khi n vị trí nhưng đại lượng điều khi n phải tuân theo một chương trình định trước, thông thường đại lượng điều khi n ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chương trình điều khi n được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ thường... không đổi Khi cần điều khi n chính xác thì ta cần phải tính đến xác xuất điện động của động cơ 2.2.2 Tổng hợp bộ điều khi n RI Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản có chức năng cơ bản của các mạch 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 . 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 khi n cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ. đề tài : Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng. Xây dựng bộ điều khi n cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập . Em. 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 độc lập hay được sử dụng