Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Điều khiển vị trí động cơ Visme

1 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. 2 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. 3 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 4 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 cho máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một chiều đi kèm. 5 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 6 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 7 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 + - Phương trình cân bằng momen: đñt c (p) (M –M Jp) pp ( ) = ω Từ phương trình phần ứng ta có: 1 1 ö ö N ö R I (p) U(p) N p (p) E(p) T .p   = × φ −   + m với ö ö ö T L R = Trên cơ sở đó ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều tổng quát: 8 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 phương trình tuyến tính hóa được viết như sau: - Mạch phần ứng: 0 0 0 0ö U U R I I pL I I(p) (p) (p) [ (p)K B] (p)+ ∆ = + ∆ + + ∆ + φ + ∆φ ω +         ∆ω     - Mạch kích từ: 0 0 0k k k k k k k (p) (p)U U R . I I pLk I p)I ( + ∆ = + ∆ + +     ∆     Một cách gần đúng ta có phương trình gia số : ( ) 0 1 B ö ö U k k  R I T(p) [ (p) (p)] .( ) pp∆ − ω ∆φ + φ ∆ω = ∆ + ( ) 1 k k k k U (p) R . I (p) T .p∆ = ∆ + 0 0 0c (p) (pKI ) (p. )K I M Jp∆φ + φ ∆ − ∆ ∆ω= 9 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 ký hiệu u K. const Cφ = = ta có: u M C .(p) )I(p = và u E C(p) (p)= ω 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. ( ) 1 ö ö u U(p) R I(p) T. (p )C p= + + ω u c . (p) (pC I –M J.) pp. ( )= ∆ω 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. 10 [...]... 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 điện Trong đó: Msx: máy sản xuất M: động cơ truyền động BĐ: bộ biến đổi R: Các bộ điều chỉnh ĐL: Thiết bị đo 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... 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 của tốc... xác xuất điện động của động cơ 2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển 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 15 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 gia tốc Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Trong... dòng điện Trong đó: Tö = Lö Rö Ti = R.C là hằng số điện từ của động cơ : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện 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: 16 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện Trong đó SI là mô hình đói tượng của bộ điều khiển... Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông tin 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 vị trí,... đĩa từ…thường gặp các hệ điều khiển 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 KHIỂN DÒNG 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng Hình 2.2 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dong điện của động cơ không vượt quá ngưỡng...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... TSI , Tö ) = TSI Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: R I (p) = 1 + pTö Rö = 2p.K I K CL TSI R ö 2.K CL K I TSI  1 × Tö + ÷ p  Vậy bộ điều khiển dòng khi tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu là một bộ PI Kết quả khi tổng hợp mạch vòng bằng phương pháp tối ưu: FI (p) = 1 KI 1 KI ≈ 2 2 1 + 2TSI p + 2TSI p 1 + 2TSI p 2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Rϖ Trong cấu trúc điều khiển... 24 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.3.1 Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v - Vị trí: Nhận xét: Cần hơn 6s để đạt được vị trí mong muốn - Tốc độ: 25 - Dòng điện: 3.3.2 Với momen cản Mc = 100; điện áp đặt 10v - Vị trí: Nhận xét: Cần hơn 7s để đến vị trí mong muốn và ổn định 26 - Tốc độ - Dòng điện 27 3.3.3 Với momen cản Mc = 100; điện áp đặt 15V - Khi tăng điện áp đặt lên 15V, MC = 100 thì mất nhiều thời gian... thấy hệ điều khiển vị trí làm việc tốt ngay cả khi có tải và không có tải Tuy nhiên do có sử dụng khâu hạn chế dòng nên khi tăng độ dài quãng đường sẽ mất nhiều thời gian hơn để hệ đạt được vị trí mong muốn 28 KẾT LUẬN Sau quá trình học tập và nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy Trần Tiến Lương Em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao trong bản đồ án : “Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ . 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,. sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều tổng quát: 8 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. 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 T v0 kể tới sự không đồng thời của tín hiệu T đk là hằng