Đồ án xây dựng hệ điều khiển bám tốc độ cho động cơ một chiều với tín hiệu đặt có dạng hàm bậc 1 và hàm bậc 2

Lời nói đầu Ngày với phát triển khơng ngừng khoa học kỹ thuật tạo thành tựu to lớn, ngành tự động hóa góp phần khơng nhỏ vào thành cơng Một vấn đề quan trọng dây truyền tự động hoá sản xuất đại việc điều chỉnh tốc độ động Từ trước đến nay, động chiều loại động sử dụng rộng rãi kể hệ thống yêu cầu cao Vì em giao đề tài tập lớn Đề 30 : Xây dựng hệ điều khiển bám tốc độ cho động chiều với tín hiệu đặt có dạng hàm bậc hàm bậc theo tiêu chuẩn tối ưu cho module va tối ưu cho module đối xứng , so sánh hai phương án Động có tham số sau đây: - Công suất định mức: Pdm = 1,5kW - Điện áp định mức: 110V -Dòng điện định mức:18A - Tốc độ định mức: ndm = 3000 vòng/phút - Điện trở phần ứng: Ru = 0.514Ω - Mơ men qn tính: J=0.045kgm2 - Điện cảm phần ứng: LA = 0.0116H Trong trình làm tập lớn em nhận hướng dẫn bảo tận tình hướng dẫn thầy giáo Phạm Tâm Thành Em xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành Tuy nhiên, thời gian giới hạn tập lớn với kinh nghiệm kiến thức cịn hạn chế nên tập lớn khơng tránh khỏi thiếu sót mong ý kiến thầy để tập lớn em hoàn thiện Sinh viên thực Đỗ Đức Nam Mục Lục Chương 1: Xây dựng mơ hình động điện chiều 1.1: Động điện chiều .3 1.2 Mơ hình tốn động điện chiều Chương 2: Xây dựng mơ hình điều khiển bám tốc độ tính chọn điều khiển 13 2.1.Xây dựng mơ hình điều khiển bám tốc độ 13 2.2.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul .13 2.3.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng 14 2.4.Tính chọn điều khiển .14 Chương : Mô Simulink 16 3.1 Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul 16 3.2 Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng 19 Chương 1: Xây dựng mơ hình động điện chiều 1.1: Động điện chiều Khái niệm Động điện nói chung động điện chiều nói riêng thiết điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, đặt vào từ trường cho dòng điện chạy qua dây dẫn trường tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) vàlàm dây dẫn làm dây dẫn chuyển động Động điện biến đổi điện thành a Cấu Tạo Gồm hai phần:  - phần đứng yên stato (gọi là phần tĩnh)  - phần chuyển động roto (gọi là phần quay)  Hình 1.1: Mặt cắt ngang trục máy động điện chiều 1.1.1: Phần tĩnh hay stato Hay gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường Gồm có mạch từ dây kích thích lồng ngồi mạch từ (nếu động đượckích từ nam châm điện) - Mạch từ làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) - Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ (êmay) Các cuộn dây điện từ nối tiếp với a Cực từ Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm gắn lại tán chặt.Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với b Cực từ phụ Cực từ phụ đặt cực từ chínhvà dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông c Gông từ Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy d Các phận khác Bao gồm: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang - Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặy lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnhvị trí chổi than cho chỗ.Sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại 1.1.2 Phần quay hay rôto Bao gồm phận sau: Là phần sinh suất điện động Gồm có mạch từ làm vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có sẻ rãnh đẻ lồng dây quấn phần ứng (làm dây điện từ) Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối vơi quy luật định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây đầu dây bối dây nối với phiến đồng gọi phiến góp Các phiến góp ghép cách điện với cách điện với trục gọi cổ góp hay vành góp Tỳ cổ góp cặp chổi than làm than graphit ghép sát vào thành cổ góp nhờ lị xo a Lõi sắt phần ứng   Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt Gắn chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau Gắn lại dặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên người ta cịn dập lỗ thơng gió để Gắn lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng Gắn trực tiếp vào trục Trong động điện lớn trục lõi sắt có đặt giá rơto Dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rơto b Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện trịn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh lõithép Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm có làm tre, gỗ hay bakelit a Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V gắn chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử 1.1.3 Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi có dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dịng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đường sức từ trường Nghĩa lực quay động cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu nó, rotor quay theo quán tính Trong máy điện chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối nhiều phiến góp khác cổ góp Nhờ dịng điện lực quay liên tục khơng bị thay đổi theo vị trí khác rotor 1.1.4Phương pháp kích từ động điện chiều Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều ngư ời ta phân loạitheo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có loại động cơ điện:      Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:  Động điện chiều kích từ độc lập: Dịng điện kích từ lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng  Động điện chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng  Động điện chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng  Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn dây, dây quấn kích từ song song dây quấn kích từ nối tiếp Hình 1.2: Các loại động điện chiều a) Động điện chiều kích từ độc lập b) Động điện chiều kích từ song song c) Động điện chiều nối tiếp d) Động điện chiều kích từ hỗn hợp 1.2 Mơ hình tốn động điện chiều Động điện chiều có cấu tạo gồm phần roto stato Stato làm sắt hay thép có cực từ để quấn cuộn dây Rơt (còn gọi phần ứng) quay quanh trục cấp điện từ bên ngồi thơng qua chổi than cổ góp Mơ hình cấu tạo động minh họa hình vẽ Hình1.3: Sơ đồ thay động điện chiều Trong đó: + CKĐ: cuộn kích từ độc lập + CKN: cuộn kích từ nối tiếp + CB: cuộn bù + CF: cuộn cụm + Uk, Ik: điện áp dịng mạch kích từ + Uu, Iu: điện áp dòng mạch phần ứng Xét động chiều kích từ hỗn hợp với cuộn dây CKĐ CKN động chiều mô tả phương trình tốn sau  Pt mạch kích từ (1.1) Trong : điện áp mạch kích từ : dịng điện mạch kích từ : điện trở mạch kích từ : số vịng dây cuộn CKĐ : từ thơng động  Pt mạch phần ứng (1.2) Trong đó: : điện cảm mạch phần ứng E: suất điện động động : số cuộn dây cuộn CKN Dấu “ ” mô tả cuộn kích từ nối tiếp hay ngược chiều với cuộn kích từ độc lập  Pt momen (pt chuyển động) (1.3) Trong (momen điện động cơ) : Momen cản đặt vào động J: momen quán tính Từ pt kết hợp với quan hệ dịng kích từ động theo đường cong từ hóa ta xây dựng koo hình động sau Laplace (1) => => (2) => (3) => => => gọi số thời gian phần ứng 10 Hình 1.4: Mơ hình tốn động Trong mơ hình quan hệ Ik quan hệ phi tuyến, mặt khác nhiều trường hợp quan hệ quan hệ phi tuyến nên việc thiết kế điều khiển gặp nhiều khó khăn Vì người ta phải tuyến tính hóa mơ hình động quanh điểm làm việc 1.2.1: Mơ hình động chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi (φ=const) Với động kích từ độc lập với từ thơng khơng đổi ta khơng cần viết phương trình mạch kích từ, mơ hình động cịn phương trình  Pt mạch phần ứng 11  Pt momen (1.4) Do có giá trị mạch phần ứng mà khơng có giá trị mạch kích từ nên ta bỏ số u ứng và hiểu giá trị U, I mạch phần (1.5) Từ ta xây dựng mơ hình động sau (1.4)=> (1.5)=> => Từ ta có mơ hình động sau Hình 5: Mơ hình động chiều 12 Chương 2: Xây dựng mô hình điều khiển bám tốc độ tính chọn điều khiển 2.1.Xây dựng mơ hình điều khiển bám tốc độ Hình 2.1Mơ hình điều khiển bám tốc độ 2.2.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul Sow = F OMw= Ru K w Sow (K ∅)T c (1+ p T w ) 2 1+ τ σ p+τ σ p Rw ( p)= Rw ( p ) = F OMw Sow −F OMw S ow 1+2 τ σ p +τ 2σ p2 Ru K w (1− ) 2 K i ( K ∅ ) T c p ( 1+ pT sw ) 1+ τ σ p+τ σ p (2.1) 13 R w ( p )= Ru K w K i ( K ∅ ) T c p ( 1+ pT sw ) ( 2.2 ) τ σ p (1+ τ σ p) Chọn τ σ =T sw Ta có: Rw ( p )= Ki ( K ∅)T c Ru K w 2T sw Vậy khâu Rw làkhâu tỷ lệ (P) Tiêu chuẩn sử dụng hệ thống mang tải , lúc ta khơng coi Ic nhiễu 2.3.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng F ODw= 1+ τ σ p 2 1+ τ σ p+8 τ σ p + τ σ p Rw ( p ) = FODw S ow −F ODw S w 1+4 τ σ p 1+4 τ σ p+ τ 2σ p2 +8 τ 3σ p3 Rw ( p ) = (2.3) Ru K w 1+4 τ σ p [1− ] 2 3 K i ( K ∅ ) T c p ( 1+ pT sw ) 1+ τ σ p+ τ σ p +8 τ σ p Chọn τ σ =T sw có : Rw ( p ) = 1+ T sw p (2.4) Ru K w 2 8τ σ p K i ( K ∅)T c Vậy Rw làkhâu tỷ lệ ,tích phân(PI ) Đây khâu vơ sai bậc đại lương đặt vô sai bậc với đại lượng nhiễu Ic 2.4.Tính chọn điều khiển 14 Ta có: W dm = n 3000 = =314 9.55 9.55 M dm= Pdm 1500 = =4.7 W dm 314 M 4.7 dm Kɸ= I = 18 =0.26 dm Ta có : U wd =w K w Chọn U wd =10 10 =0.031  Kw= 314 Ta có: T sw =T w+ 2T si =0.001+2∗4.6∗10−3 =0.01 J∗Ru 0.045∗0.514 =0.34 T c= ¿ ¿ = 0.26 ChọnU id =19 K i= U id 19 = =1.05 I dm 18  Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul Rw ( p )= K i ( K ∅) T c 1.05∗0.26∗0.34 = 0.514∗0.031∗2∗0.01 =291 Ru K w 2T sw Ru 0.514 =5.81 = ( K ∅ ) T c 0.26∗0.34  Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng Rw ( p ) = 1+ T sw p 1+0.04 p 1+ 0.04 p Ru K w 0.514∗0.031 =292+ = 2= −4 8(0.01) p 1.37∗10−4 p 8τ σ p 1.37∗10 p 1.05∗0.26∗0.34 K i ( K ∅)T c 0.95 Đối tượng điều khiển: ( Ki (1+ 2Tsi)) = 0.0092 s+1 15 Chương : Mô Simulink 3.1 Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul - Tín hiệu t bc +Ti dng bc nhy Hình 3.1: Sơ đồ mô 16 Hình 3.2: Đặc tính +Ti dng ngu nhiờn Hình 3.3:: Sơ đồ mô 17 Hình 3.4: Đặc tính -Tớn hờu t dng bc +Ti dng ngu nhiờn 18 Hình 3.5: Sơ đồ mô Hình 3.6: Đặc tính +Ti dng bc nhy 19 Hình 3.7: Đặc tính 3.2 Tng hp theo tiờu chun ti ưu modul đối xứng - Tín hiệu đặt bậc + Vi ti ngu nhiờn Hình 3.8: Sơ đồ mô pháng Trong khâu PID có th«ng số: 20