Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Điều khiển vị trí động cơ Visme

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 ngànhcông nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện 1 chiều đượcứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cánthép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot; để thực hiện cácnhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dâychuyền 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 bềnvững nên các bộ điều khiển PID (tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) được dùng phổ biếntrong các hệ điều khiển công nghiệp Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chấtlượng các hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đốitượng 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 hệtruyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phíthấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyềnđộng 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

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 máybao 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 cógắn 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 đặtcuộn dây phần ứng Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc Ngoài ra trênlõi thép còn dập một số lỗ thông gió để làm mát Thân máy, cực từ và lõi thépphần 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 nhiềuvòng dây được xếp trong các rãnh của lõi thép Hai đầu phần tử nối với với 2phiến góp, 2 cạnh tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2cực 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-lôngxuyên

Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụtròn, sau đó gắn vào trục roto, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và đượccách điện với trục bằng lớp mica mỏng Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hànvới 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 đỡhình 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 tạothành mạch điện khép kín Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dâyquấn 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 vậykéo 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 đổimịn tốc độ

- Khuyết điểm:

Nhược điểm của máy điện một chiều là bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp vàđắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vậnhành nên cần bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên Ngoài ra tia lửa điện phátsinh 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 khicần cho máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điệnmột 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 làđộng 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

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 từđộc lập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơđiện 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

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 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:

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:

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 cácphương trình tuyến tính hóa được viết như sau:

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 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 cânbằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học

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 tượngtuyến 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)

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 côngnghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ Cùng với những ưu điểm khác vềcấu tạo, dải điều chỉnh, cấu trúc mạch lực và ứng dụng của các phương phápđiều khiển thông minh, hệ truyền động điện một chiều ngày càng được ứng dụng

nhiều trong thực tế đem lại những hiệu quả cao trong sản xuất và góp phần giảmnhẹ sức lao động.

1.4 VISME

Cơ cấu vít-me và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động cơthành chuyển động tịnh tiến của đai ốc Khi động cơ quay thì đai ốc sẽ chuyểnđộng tịnhtiến 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 lắp với một ống được tiện ren trong sao cho 2 ren nay phải cùng dạng vàcùng bước ren với nhau Hình bên dưới là một minh họa về ăn khớp giữa trục vít

và đai ốc Cơ cấu này chính làcơ cấu của bu-lông và đai ốc Khi bu-lông dichuyển thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến Tiếp xúc giữa bu-lông và đai ốc làtiếp xúc mặt nên đai ốc sẽ di chuyển tương đối khó do ma-sát lớn

Hình 1.12 Vít me đai ốc thườngVít 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 lắpđầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, những viên bi cuộn tròn trong mốiren của 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 đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao

- Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

- Giá thành hạ hơn so với Vít me đai ốc bi

- Khả năng chịu tải cao hơn so với Visme đai ốc bi

Nhượ

c điểm

- Khả năng chịu tải kém hơn Vít me thường

- Khó chế tạo, giá thành cao

- Ma sát cao do tiếp xúc 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 động BĐ: bộ biến đổi

R: Các bộ điều chỉnh ĐL: Thiết bị đo lườngĐộng 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 biếnđổi

Các bộ biến đổi thường được dùng là các bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor,các bộ biến 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 mangthông 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,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 cắtgọt kim loại…

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điềukhiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình địnhtrước, thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển độngtrong không gian phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chươngtrình điều khiển được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ…thường gặp các hệ điềukhiển theo chương trình trong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động củarobot 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 điềukhiển động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dong điện của động cơ không vượtquá ngưỡng cho phép Mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập giá trịdòng bằng 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 thờiđiểm đó có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn hơn nhiều lần so với sự thayđổi của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi Khi cần điềukhiển chính xác 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

các mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo củađộng 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

LTR



là hằng số điện từ của động cơi

T R.C : 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:

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

nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chấtlượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện.

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

u S I

K JR

k.T 

1 4 1

S

kk

Chương 3 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK

3.1 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MÔ PHỎNG

- Hàm truyền bộ biến đổi:

KW

ö ö I

R TR

- Tốc độ

- Dòng điện

3.3.3 Với momen cản M c = 100; điện áp đặt 15V

- Khi tăng điện áp đặt lên 15V, MC = 100 thì mất nhiều thời gian hơn để đạt vịtrí cần đến (hơn 9s)

Nhận xét: Sau khi mô phỏng trên simulink ta 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 hạnchế dòng nên khi tăng độ dài quãng đường sẽ mất nhiều thời gian hơn để hệ đạtđược vị trí mong muốn

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 – 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”.

Các nhiệm vụ đó là:

- Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập

- Xây dựng mô hình điều khiển truyền động cho hệ

Em xin chân thành cảm ơn!

Tài liệu tham khảo: “Điều chỉnh tự động truyền động điện” Bùi Quốc Khánh

– Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi, Nhà xuất bản khoahọc và kỹ thuật Hà Nội 2006