Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập. Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập với bộ biến đổi là bộ băm xung áp. Mô phỏng trên phần mềm matlab simulink.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, TÍNH TOÁN YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều rộng lẫn chiều sâu,điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng, không thể thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao
Tổng quan về động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ động cơ Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện :
Kích từ độc lập : khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau : I= I ư
Kích từ song song : khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi,mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên :
Kích từ nối tiếp : cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có :
Với mỗi loại động cơ trên thì sẽ tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kĩ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong đề tài này ta chỉ xét đến động cơ một chiều kích từ độc lập.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải
Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp – chổi than nên vận hanh kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Hình 5 : Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiếu góp chiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng hay không thay đổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải ở động cơ chiều suất điện động Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động Khi đó ta có phương trình : U = Eư + Rư.Iư
Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau
E ư : Sức điện động phần ứng
R ư : Điện trở mạch phần ứng
I ư : Dòng điện của mạch phần ứng
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
P: Số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Ф: Từ thông kích từ dưới một cực từ ω : Tốc độ góc (rad/s)
Đặc tính cơ của động cơ
Phương trình đặc tính cơ : là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ ( ω ) và momen (M) được xây dựng từ các phương trình trên của động cơ có dạng chung. ω = KeФ Uư - Rư Iư Ke Ф Phương trình trên là đặc tính cơ điện của động cơ
Mặc khác, momen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi
M dt (t) = Km.Ф.iư (t) Với Iư = K M dt m Ф thay vào phương trình đặc tính cơ ta được ω = K U ư e Ф – R ư
K e K m Ф 2 M Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Giả thiết phần ứng bù đủ, từ thông Ф là không đổi, thì các phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ được xem là tuyến tính đồ thị của chúng được biểu diễn là những đường thẳng
Hình 6 : Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Theo đồ thị khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có ω = KeФ Uư = ω 0 ,ω 0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
I nm và M nm được gọi là dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch
Từ đó phương trình đặc tính cơ có thể viết lại là : ω=ω o−¿∆ω
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ : từ thông động cơ, điện áp phần ứng, điện trở phần ứng động cơ.
Các trạng thái hoạt động của động cơ
1.5.1 Các trạng thai làm việc của động cơ
Hình 7 : các góc làm việc của động cơ
Trạng thái hãm và trạng thái động cơ được phân bố như trên hình tương ứng với chiều của momen và tốc độ
I,III : trạng thai động cơ ( tốc độ cùng chiều với momen điện từ )
II,IV : trạng thái hãm (tốc độ ngược chiều với momen điện từ)
Nếu khởi động bằng cách đóng điện trực tiếp từ nguồn cấp cho động cơ với các giá trị định mức động cơ sẽ khởi động với các đặc tính tự nhiên : ω = K U ư e Ф - K R ư I ư e .Ф ω = K U ư e Ф – R ư
K e K m Ф 2 MLúc mới khởi động, tốc độ quay của động cơ bằng 0 : ω=0
Do điện trở cuộn dây phần ứng R ư của động cơ thường rất nhỏ, nên dòng điện khởi động rất lớn thường gấp 10 đến 25 lần dòng định mức của động cơ
Với giá trị dòng điện khởi động lớn sẽ không cho phép về mặt chuyển mạch ở vành góp, sụt áp trên nguồn điện và gây xung lực trong các cơ cấu truyền động
Momen khởi động lớn có thể gây vặn xoắn gãy trục nối giữa động cơ với tải tác hại của việc này còn nghiêm trọng hơn đối với hệ thống cần khởi động, hãm máy nhiều lần trong quá trình làm việc.
Hình 8 : đặc tính cơ khi khởi động
Phương pháp khởi động mền là tăng dần giá trị điện áp phần ứng từ một giá trị ban đầu điện áp phần ứng đucpjw lập trình cho phép đặt tham số để tăng theo quy luật tuyến tính / phi tuyến từ một giá trị được xác định đến một điện áp có định mức
Các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ
1.6.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
Nguyên lý điều khiển : trong phương pháp này người ta giữ U = U dm Ф = Ф dm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng
Hình 10 : Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ
Khi ta thêm điện trở phụ thì các đường đặc tính cơ thay đổi cụ thể là thay đổi hệ số góc khi thêm điện trở phụ các đường đặc tính cơ sẽ thấp hơn và điểm làm việc sẽ thay đổi theo đường đặc tính cơ Phương pháp này chủ yếu sử dụng để khởi động hạn chế momen gây ra
1.6.2 Phương pháp thay đổi từ trường
Nguyên lý điều khiển : giả thiết U = U dm , Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dông điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ
Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Ф Ф max ¿ mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Ф thì tốc độ không tải lý tưởng ω o = KeФ Uư tăng, còn độ cứng đặc tính cơ β= Ke Km Ф 2
R ư giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên
Hình 11 : Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dông điện tăng và tăng vượt quá giá trị cho phép nếu momen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dông điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải Me theo cùng tỉ lệ
1.6.3 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động
Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so cới động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không
Hình 12 : Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng ω=ω o U dk −¿ M
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để
Hình 13 : Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp
Nhận xét : Cả ba phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao
Ghi chú : vì có một vài khó khăn trong việc thiết kế và chọn lọc nên nhóm đã quyết định chọn động cơ kích từ vinh cửu thay cho động cơ kích từ độc lập
Chọn tải
Để hiểu rõ hơn về ứng dụng của hệ thống điều khiển nhóm chúng em chọn tải tịnh tiến để sử dụng cho hệ thống
Hình 14 : mô hình tải tịnh tiến
Tổng khối lượng băng tải :1.5kg
Khối lượng tối đa có thể tải : 5kg
Đường kính bánh bị dẫn : D2 = 32mm
Tốc độ vận hành của tải : v = 1m/s
Số lượng puli truyền động : 2pc
Tính toán thông số của tải
Hình 15 : trạng thái của tải
Hình 16 : đồ thị vận tốc
Bảng thông số về lực Momen, đạo vận tốc góc theo thời gian cảu tải
Th iời gian (s) f1 = m* dv dt
Bảng thông số công suất và vận tốc góc
Công suất đẳng trị peq = √ ∑ P emi 2 t i ∗∆ t i = √ [ 2.5 × 2+3.125 ×1.5+ 15.5 2.5× 2+ 3.125× 1.5 ] = 1.87w
Công suất điện của động cơ
Để tránh hỏng động cơ trong quá trình tính toán chúng ta nhân hệ số dự trữ
Chọn động cơ
Hình 17 : động cơ một chiều kích từ vĩnh cửu
Công suất định mức : Pđm = 3.9(W)
Điện áp định mức phần ứng : Uđm = 24 (VDC)
Tốc độ quay định mức : n đm = 4300 (vòng/phút)(chưa qua hộp số )
Momen xoắn cực đại : M = 0.5 (Nm)
Điện trở phần ứng: Ru = 0,6 (ohms)
Điện cảm phần ứng: Lu = 7,3.10 -3 (H)
Momen quán tính của roto: J = 6,5.10 -4 kg.m 2
Hộp số động cơ
Sau quá trình tính toán thì nhóm đã chọn ra được động cơ phù hợp sau nhưng tốc độ của động cơ còn chênh lệch rất lớn so với tốc độ băng tải vì vậy nhóm sử dụng hộp số để giảm tốc độ của động cơ xuống
Tốc độ băng tải V1 = 62.5 rad/s
Tốc độ động cơ V2 = 450 rad/s
TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Mạch động lực
Hình 18 : sơ đồ mạch động lực
Chuyển điện áp lưới một pha xoay chiều thành một pha xoay chiều có điện áp thấp hơn phù hợp với tải
Các ly với điện áp lưới
Khối van chỉnh lưu : biến đổi điện áp xoay chiều thanh một chiều
Khối lọc : giúp điện áp đầu ra mạch chỉnh lưu là điện một chiều băng phẳng theo yếu câu
Hình 19 : nguyên lý máy biến áp
Nguyên lý của biến áp : Máy biến áp một pha là thiết bị điện tĩnh dùng để biến đổi điện áp của dòng xoay chiều một pha từ cấp này sang cấp khác mà vẫn giữ nguyên tần số
Cấu tạo : Máy biến áp một pha gồm hai bộ phận chính
Lõi thép : Lõi thép được làm bằng các lá thép kĩ thuật điện ghép lại thành một khối. Lõi thép dùng để dẫn từ cho máy biến áp
Làm bằng dây điện từ được quấn quanh lõi thép.
Máy biến áp một pha thường có hai cuộn dây quấn.
Dây quấn sơ cấp: Nối với nguồn điện, có điện áp là U1 và số vòng dây là N1
Dây quấn thứ cấp: Lấy điện ra, có điện áp là U2 và số vòng dây là N
Dựa vào các thông số động cơ như : điện áp định mức, dòng điện định mức thì chúng ta cần chọn biến áp biến đổi từ 220v AC sang 24v AC để cấp nguồn cho động cơ
2.1.3 Mạch chỉnh lưu Để cấp nguồn cho động cơ một chiều ta cần một mạch chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều sang một chiều để cấp cho động cơ
Hình 21 : mạch chỉnh lưu cầu
Nguyên lý chỉnh lưu : từ sơ đồ ta có thể thấy mỗi diode nối với cuộn thứ cấp máy biến áp làm việc như một mạch chỉnh lưu nửa sóng Đầu ra của hai mạch chỉnh lưu này kết hợp với nhau tạo thành mạch chỉnh lưu cả sóng cho tải Hơn nữa dòng điện một chiều trong hai nửa chu kỳ bằng nhau và ngược chiều trên cuộn thứ cấp không gây nên các vấn đề liên quan đến bão hòa từ trong lõi thép Dạng sóng của điện áp và dòng điện chỉnh lưu cả sóng trong hình Theo đồ thị điện áp trên các diode V D 1 và V D2, biên độ điện áp ngược trên mỗi diode là 2 V m Do đó điện áp ngược cực đại lặp lại của diode V RRM phải được chọn lớn hơn 2 V m để tránh bị đánh thủng Điện áp một chiều chính là điện áp trung bình trên tải được xác định theo biểu thức:
Trị hiệu dụng của điện áp trên tải V L
Diode công suất được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản như : dông tải, sơ đồ mạch, điện áp làm việc Bỏ qua sự sụt áp trên các van
Dòng điện trung bình chả qua diode Id = ( 1 - )It với giá trị dòng điện định mức của động cơ là 0.162A Điện áp ngược đặt lên mỗi diode là U = 220 v
Chọn hệ số quá điện áp Ku = 2 => Unguoc = 2*ω 220 = 440v Chọn diode 1N4004
Hình 22 : sơ đồ các cực diode
hệ số san bằng : K sb =¿ 6.14
số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu : m dm =2
Các tham số của mạch lọc LC
Tham số điện cảm L được xác định
L ¿ L min = m 2 R d dm πff(m¿¿dm¿¿2−1)¿ ¿ Trong đó
R d điện trở của tải : R d =0.6Ω (chưa bao gồm điện trở dây dẫn)
f tần số của điện áp xoay chiều : f = 50 Hz
2.1.6 Sơ đồ mạch chỉnh lưu và bộ lọc
Hình 24 : sơ đồ mạch chỉnh lưu kết hợp mạch lọc
Điều khiển tốc độ động cơ
Nguyên lý hoạt động của cầu H:
Khi ta cấp điện thế dương (+) vào một cực của động cơ và cấp điện thế âm (-) vào cực còn lại thì động cơ sẽ quay theo một chiều cố định Và khi ta cấp điện thế ngược lại, đảo chiều dương âm thì động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại. Để đảo chiều điện áp ở hai đầu động cơ ta sử dụng mạch cầu H cho mục đích này
Hình 25 : sơ đồ mạch cầu H Để động cơ DC có thể quay thuận hoặc quay nghịch tùy thuộc vào cách mắc cực âm và dương vào động cơ, dựa trên nguyên lý đó ta xây dựng một mạch cầu H có thể đảo chiều động cơ.
Khi ta đóng khóa S1 và S4 thì lúc này cực dương và cực âm của động cơ sẽ trùng với cực dương và âm của nguồn nên dòng điện chạy từ nguồn xuống qua S1, qua động cơ, qua S4 về mass và làm cho động cơ quay thuận.
Hình 27 : Sơ đồ mạch cầu H khi S3,S2 đóng
Như vậy mạch cầu H sẽ đảo chiều quay của động cơ
Lưu ý : Không được đóng S1,S2 hoặc S3,S4 cùng lúc hoặc đóng cả 4 khóa Nếu làm như vậy thì Vcc sẽ nối trực tiếp với GND và gây ra hiện tượng ngắn mạch Có thể gây hư hỏng các thiết bị điện.
2.1.8 Tính chọn van công suất
Vì chúng ta dùng điện áp để điều khiển vậy nên nhóm tiến hành chọn mosfet để làm các khóa công suất, mosfet hoạt động ở tần số cao và kích mở chỉ cần điện áp nhỏ ko cần dòng điện.
Công suất định mức : P dm =¿3.9w
Điện áp định mức : U dm =¿24v
Dòng điện định mức : I dm =¿0.1625A
Tốc độ định mức : n dm =¿4300(vòng/phút)
Dòng làm việc của động cơ: I LV = I dm
Dòng điện khởi động : I k = (1.5÷2) I dm => I k =2.I dm =0.325A
Chọn hệ số an toàn cho mạch : K U =2.5 và K I =1.5
Từ các thông số trên ta tiến hành chọn van
Dòng làm việc mà van phải chịu là I lvv = K I I k = 1.5× 0.325 =0.4875A
Ta chọn van có dòng điện làm việc đỉnh
Điện áp đặt lên van : U v = K U U dm =2.5 × 24 = 60
Ta sẽ chọn van có điện áp làm việc : U vlv ¿U v
Từ các thông số trên ta chọn van bán dẫn IRF540N có tần số hoạt động 1MHz và IRF4905
Hình 28 : sơ đồ chân của mosfet irf540
2.1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H
Hình 29 : sơ đồ nguyên lý mạch cầu H
Mạch điều khiển
Hình 30 : sơ đồ khối mạch điều khiển
2.2.1 Nguyên lý băm xung áp Để thay đổi điện áp phần ứng của động cơ như đã phân tích ở chương 2 nhóm tiến hành chọn bộ biến đổi xung áp để thay đổi điện áp phần ứng động cơ.
Hình 31 : nguyên lý băm xung áp
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi xung áp dựa trên khóa k đóng ngắt như hình trên lúc này điện áp đầu ra sẽ là dạng xung vuông như hình bên trái ứng với thời gian t1 thì khóa k đóng và mở đối với thời gian t2. Điện áp trung bình trên tải
Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung áp là đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp ra
U d và U d có thể thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung γU Mặt khác, thời gian một chu kỳ đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên ta coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ không thay đổi trong thời gian Tck
Sử dụng IC NE555 để tạo xung dao động từ nguồn một chiều, IC NE555 có thể dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số, độ rộng xung mong muốn
Hình 32 : sơ đồ chân NE555
Dòng điện cung cấp : 6mA-15mA
Điện áp logic ở mức cao : 0.5 – 15v
Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 – 0.06v
Công suất lớn nhất : 600mW
Hình 33 : sơ đồ mạch tạo dao động
Hình 34 : dạng tín hiệu ra của mạch tạo dao động
2.2.3 Mạch tạo xung răng cưa
Hình 35 : mạch chuyển đổi xung
Nguyên lý hoạt động : Khi tín hiệu được phát ra từ mạch tạo dao động ở mức cao thì transistor mở, tự C3 phóng điện, khi transistor khóa tụ C3 nạp điện từ nguồn 12v qua R29, điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian : ι R29.C3
Nguyên lý : Mạch so sánh điện áp OPAM so sánh một mức điện áp tương tự với mức điện áp tương tự khác hoặc một số điện áp tham chiếu đặt trước và tạo ra tín hiệu đầu ra dựa trên sự so sánh điện áp này.
Hình 37 : Tính hiệu sau khi qua khâu so sánh
Hình 38 : sơ đồ chân OPAM so sánh
Hình 39 :datasheet OPAM so sánh
2.2.5 Sơ đồ mạch tạo dạo động và mạch so sánh
TÍNH CHỌN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN, SƠ ĐỒ MẠCH TOÀN HỆ THỐNG
Mạch đo
3.1.1 Đo tốc độ động cơ Để đo được tốc độ động cơ nhóm sử dụng encoder để xác định được tốc độ động cơ
Nguyên lý: Encoder hoạt động trên nguyên lý đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua đĩa (Led) Chỗ có lỗ (rãnh) thì ánh sáng xuyên qua được, chỗ không có lỗ (rãnh) ánh sáng không xuyên qua được.Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt Cảm biến thu ánh sáng sẽ bật tắt liên tục => tạo ra các xung vuông Việc sử dụng các bộ mã hóa sẽ ghi nhận lại số xung và tốc độ xung Tín hiệu dạng xung sẽ được truyền về bộ xử lý trung tâm như : vi xử lý hoặc PLC,… người điều khiển sẽ biết được vị trí và tốc độ của
Hình 41 : đồ thị xung Encoder Để đo được tốc độ động cơ thì chúng ta cần phải chuyển đổi giá trị số mà encoder đọc được về giá trị tốc độ để tính toán dựa trên công thức :
RPM = m n ×60 (vòng/phút) Trong đó : m : số xung mà encoder đếm trong một vòng n : số xung mà encoder đếm được trong một giây
3.1.2 Lựa chọn encoder Để lựa chọn được encoder phù hợp thì cần phải căn cứ vào tần số lấy mẫu của vi điều khiển Ở đây nhóm lựa chọn arduino có tần số khoảng 10kHz = 10kpulse/s
Tốc độ động cơ sau khi qua hộp số thì tốc độ giảm còn 596 (vòng / phút ) = 9.93 (vòng / s)
Phải chọn encoder có số xung bằng hoặc lớn hơn :
Dựa trên những số liệu tính toán được nhóm tiến hành chọn encoder 1200 xung
Dựa và dòng định mức của động cơ (0.162A – 1.2A) thì nhóm chọn loại cảm biến dòng ACS712 5A
Hình 43 : sơ đồ phần cứng ACS712
Nguyên lý : khi dòng điện đi từ Ip+ đến Ip- Vout sẽ ra mức điện áp tương ứng 2.5~5VDC tương ứng dòng 0~Max, nếu mắc ngược Vout sẽ ra điện thế 2.5~0VDC tương ứng với 0~(-Max).
Phương trình tuyến tính giữa đầu ra và đầu vào Đo dòng 0 –> 5A ;
Vi điều khiển (Aduino uno)
Hình 44 : sơ đồ phần cứng arduino
Arduino là nền tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở, được sử dụng nhằm xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận tiện, dễ dàng hơn.
Phần cứng Arduino là bảng mạch nguồn mở, cùng bộ vi xử lý và chân đầu vào/ đầu ra (I/ O) để liên lạc, điều khiển các đối tượng vật lý (LED, servo, nút, v.v.) Bảng mạch thường được cấp nguồn qua USB hoặc nguồn điện bên ngoài, cho phép cung cấp năng lượng cho các phần cứng, cảm biến khác
Cổng USB : là chân cắm để tải mã lập trình từ PC lên chip điều khiển Đồng thời đây cũng là cổng giao tiếp serial giúp truyền dữ liệu từ chip điều khiển vào máy tính
Jack nguồn: để chạy Arduino, bạn hoàn toàn có thể nạp nguồn từ cổng USB ở trên Tuy nhiên không phải lúc nào cũng kết nối với máy tính được Có những dự án cần thực hiện ngoài trời sẽ cần một nguồn điện khác với mức điện áp từ 9V -12V.
Hàng Header: những chân đánh số từ 0 – 12 là hàng digital pin Đây là nơi truyền– nhận các tín hiệu số Bên cạnh đó sẽ có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu(AREF).
Hàng header thứ 2: chủ yếu liên quan tới điện áp đất, nguồn.
Hàng header thứ 3: đây là các chân để nhập – xuất các tín hiệu analog (đọc thông tin của các thiết bị cảm biến).
Chip điều khiển AVR: bộ phận xử lý trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫuArduino khác nhau, con chip này sẽ khác nhau Ví dụ trên Arduino Uno thì sẽ sử dụngATMega328
THIẾT KẾ, TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mô hình toán của động cơ điện một chiều
Như đã xây dựng ở chương I ta có các phương trình cơ bản của động cơ một chiều Phương trình cân bằng điện áp phần ứng
Phương trình sức điện động phần ứng
Phương trình Momen điện từ :
Phương trình mô tả quan hệ điện cơ :
Chuyển phương trình điện áp mạch phần ứng từ miền thời gian sang miền laplace
Chuyển phương trình suất điện động cảm ứng trong roto từ miền thời gian sang miền laplace
Phương trình mô tả quan hệ điện cơ
- Phương trình tốc độ động cơ
Từ các phương trình trên ta được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều kích từ vĩnh cửu
Hình 45 : mô hình toán động cơ một chiều
Từ sơ đồ khối trên ta xây dựng hàm truyền của động cơ : (bỏ qua momen cản
Vậy hàm truyền của động cơ :
Tổng hợp hệ thống điều khiển
4.2.1 Xác định cấu trúc điều khiển
Thông qua quá trình chọn lọc và những ưu điểm của phương pháp thay đổi điện áp phần ứng nhóm sẽ chọn cấu trúc điều khiển điện áp phần ứng cho dự án của mình
Hình 47: Sơ đồ cấu trúc điều khiển điện áp phần ứng Điện áp phần ứng của động cơ được cấp nguồn từ bộ biến đổi là bộ băm điện áp và sử dụng mạch cầu H với sơ đồ mạch cầu H thì động cơ có thể hoạt động ở 4 góc phần tư
Hình 48 : Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống Điện áp ra của bộ băm điện áp cấp cho động cơ là một điện áp có dấu dương hoặc âm như đồ thị bên dưới, phụ thuộc vào tín hiều điều khiển xung.
Hình 49: Đồ thị điện áp điều khiển
Giá trị trung bình của điện áp đầu ra
Bộ băm áp được điều khiển theo nguyên lý PWM có thể được xem là một khâu khuếch đại :
V C là điện áp điều khiển của bộ biến đổi
Hình 50: Sơ đồ khối mô hình toán của hệ thống
Trong đó G CS (s) là hàm truyền đạt của bộ điều khiển tốc độ, G cc (s) là hàm truyền của bộ điều khiển dòng điện
Trong sơ đồ khối của mô hình toán chúng ta có suất điện động Eb có thể xem như là nhiễu của mạch vòng dòng điện Đối với động cơ công suất trung bình và lớn, thì thanh phần suất điện động này không thể bỏ qua Tuy nhiên, trong trường hợp động cơ công suất nhỏ thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của suất diện động cảm ứng này.
Trong hệ này chúng ta đang xây xựng trên động cơ công suất nhỏ nên bỏ qua suất điện động cảm ứng này
5 =4.8 Hệ số khuếch đại điện áp điều khiển
J eq = 6,5.10 -5 kg.m2 Momen quán tính của roto
B = 0 Hệ số ma sát nhớt
2 s+1 Hàm truyền của cảm biến tốc độ
K 2 = 1 Hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ
T 2 Thời gian trễ của cảm biến tốc độ
1 s+1 Hàm truyền của cảm biến dòng điện
K 1 = 1 Hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện
T 1 Thời gian trễ của cảm biến dòng điện
Ghi chú : vì có một vài khó khăn trong việc lựa chọn động cơ nên số liệu nhóm đề ra chỉ dựa trên động cơ mang tính chất tương đối so với động cơ thực mà nhóm sử dụng
4.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Hình 52: Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện
Phân tích mạch vòng dòng điện: Đầu tiên nhóm tách mạch vòng dòng điện ra để tổng hợp trước, sơ đồ mạch vòng dòng điện gồm 4 khối : Đầu tiên sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi sẽ được truyền vào bộ PID (s) sau đó bộ PID sẽ đưa ra một tín hiệu điều khiển và chúng là lấy tín hiệu điều khiển đó cấp cho bộ băm xung áp, ở đây nhóm sử dụng một khâu khuếch đại để mô tả cho bộ băm xung áp Sau đó bộ băm xung áp là xuất ra một tín hiệu điện áp và khâu L s+ 1 R là hàm truyền của động cơ tính toán ra dòng điện, sau khi có được dòng điện thì sẽ phản hồi về thông qua một khâu mô tả cảm biến dòng điện Ở đây nhóm sử dụng phương pháp PID tuner để xác định thông số bộ PID
Hình 3: Sơ đồ khối mô phỏng mạch vòng dòng điện
Hình 54: đáp ứng đầu ra của mạch vòng dòng điện
Hệ số PI sau khi chọn lọc : Kp = 0.06,Ki = 0.01
4.2.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Phân tích mạch vòng tốc độ : sau khi tổng hợp xong mạch vòng dòng điện thì nhóm tổng hợp mạch vòng tốc độ
Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi đưa vào bộ PID sau đó bộ PID sẽ xuất ra một tín hiệu điều khiển Ở đây tín hiệu điều khiển này không phải là một tín hiệu hay một giá cụ thể của một đại lượng nào đó mà thực ra nó chỉ là một giá trị đại số tín hiệu này sẽ tăng hoặc giảm cho đến khi tín hiệu đặt bằng tín hiệu trả về mà thôi nên ở đây giá trị này sẽ do chúng ta quy ươc cho nó mang một giá trị của một đại lượng nào đó mà ta cần tính toán nên ở đây nhóm quy ước tín hiệu ra của bộ PID là một giá trị của dông điện nằm trong khoảng dòng định mức của động cơ nên sau khi qua khâu PID nên nhóm sử dụng dụng một khâu bão hòa để hạn chế trước khi cấp vào hàm truyền
J eq s+B để tính ra tốc độ động cơ
Hình 56: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ
Hình 57 : đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ
Hệ số PI sau khi chọn lọc : Kp = 0.5,Ki = 0.02
Code Arduino
/*ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω SPEED *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω / int Speed_setup ; int Speed ; long timer ; int counter ;
/*ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω CURRENT *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω / int zero ; float I ; float I_TB ; float I_ref ; float tong ;
/*ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω TIME *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω / long timenow = 0 ; long timerstart = 0 ; int data1 ;
/*ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω PID SPEED *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω / float Kp_speed = 0.5, Ki_speed = 0.01, Kd_speed = 0 ; double E_speed = 0, E1_speed = 0, E2_speed = 0; double alpha_speed = 0, beta_speed = 0, gamma_speed = 0; double Output_speed = 0, LastOutput_speed = 0, Outputfirst_speed = 0; float T_speed = 0.01;
/*ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω PID CURRENT *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω *ω / float Kp_current = 0.06, Ki_current = 0.01, Kd_current = 0; double E_current = 0, E1_current = 0, E2_current =0 ; double alpha_current = 0, beta_current = 0, gamma_current = 0; double Output_current = 0, LastOutput_current = 0, Outputfirst_current = 0; float T_current = 0.01;
ISR (TIMER1_OVF_vect) //Chương trình ngắt Timer2
E_speed = Speed_setup - Speed ; alpha_speed = 2 *ω T_speed *ω Kp_speed + Ki_speed *ω T_speed *ω T_speed + 2 *ω Kd_speed; beta_speed = T_speed *ω T_speed *ω Ki_speed - 4 *ω Kd_speed - 2 *ω T_speed *ω Kp_speed; gamma_speed = 2 *ω Kd_speed;
Output_speed = (alpha_speed *ω E_speed + beta_speed *ω E1_speed + gamma_speed *ω E2_speed + 2 *ω T_speed *ω LastOutput_speed) / (2 *ω T_speed);
Outputfirst_speed = Output_speed; if (Speed_setup > 0 ){ if (Output_speed < 127.5) Output_speed = 127.5; if (Output_speed > 255) Output_speed = 255;
Output_speed = abs(Output_speed); if (Output_speed > 127.5) Output_speed = 127.5;
E_current = ( I_ref - I_TB) ; alpha_current = 2 *ω T_current *ω Kp_current + Ki_current *ω T_current *ω T_current +
2 *ω Kd_current; beta_current = T_current *ω T_current *ω Ki_current - 4 *ω Kd_current - 2 *ω T_current *ω Kp_current; gamma_current = 2 *ω Kd_current;
Output_current = (alpha_current *ω E_current + beta_current *ω E1_current + gamma_current *ω E2_current + 2 *ω T_current *ω LastOutput_current) / (2 *ω T_current); LastOutput_current = Output_current;
Outputfirst_current = Output_current; if (Speed_setup > 0 ){ if (Output_current < 0) Output_current = 0; if (Output_current > 255) Output_current = 255;
Output_current = abs(Output_current); if (Output_current > 255) Output_current = 255;
Serial.begin(9600); pinMode(phase_A, INPUT_PULLUP); pinMode(phase_B, INPUT_PULLUP); pinMode(IN1, OUTPUT); pinMode(IN2, OUTPUT); pinMode(PWM, OUTPUT); analogWrite(IN1, 0); analogWrite(IN2,255); attachInterrupt(0, ai0, RISING); zero = sensor.calibrate(); cli(); //Tắt ngắt toàn cục
TCCR1B |= (1