Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an)

Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an) Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ điện (nguyễn duy an)

lOMoARcPSD|2935381 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN LIÊN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA (PBL2) ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN Người hướng dẫn: PGS TS: LÊ TIẾN DŨNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN DUY AN LƯU KIM NAM PHAN NGUYỄN BẢO QUỐC HỒ NGUYÊN QUỐC HIẾU Nhóm HP/lớp: 20N33A Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Đà Nẵng 2022 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .4 CHƯƠNG 0: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu dự án 1.3 Sản phẩm dự án .5 1.4 Các yêu cầu kĩ thuật 1.5 Kế hoạch công việc a) Bảng tóm tắc cơng việc b) sơ đồ giantt 1.6 Bản vẽ mơ hình hệ thống .7 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU BÀI TỐN, TÍNH TỐN THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC .8 1.1 Mô tả dự án 1.2 Phân tích yêu cầu hệ thống 10 1.2.1 Tính tốn đặc tính tải u cầu 10 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT 15 2.1 Mạch cầu H 15 2.1.1 Giới thiệu tổng quát 15 2.1.2 Mạch cầu H dùng MOSFET 15  MOSFET .15 2.1.3 Thiết kế mạch cầu H 17 2.1.4 Lý chọn 18 2.2 Tính chọn mạch cơng suất điều khiển tốc độ động 18 2.2.1 Chọn van công suất .18 Hình 2.4: IRF9540 .19 Thông số : 19 2.2.2 Tính tốn lọc 21 2.3 Thiết kế mạch biến áp 22 2.3.1 Yêu cầu 22 2.3.2 Thiết kế mạch cấp nguồn 23 2.4 Mô biến đổi công suất 23 2.4.1 Mạch chỉnh lưu 23 c) Có mạch cầu H có điều khiển 28 2.5 Thiết kế mạch phát xung cho điều khiển 29 2.5.1 Nguyên lý điều khiển mạch điều khiển độ rộng xung .29 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 2.5.2 Nguyên lý điều khiển 30 2.5.3 Cách tạo xung PWM phần mềm (Arduino) .31 CHƯƠNG III : TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG TOÀN HỆ THỐNG .34 3.1 Đo lường cảm biến 34 3.1.1 Cảm biến tốc độ: 34 3.2 Tính chọn cảm biến dịng điện: 39 3.2.1 Cấu tạo : 40 40 3.2.2 Nguyên lý hoạt động : 40 3.3 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống : 41 CHƯƠNG IV : THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 42 4.1 Khái quát chung ARDUINO 42 4.1.2 Các chân Arduino uno 43 4.1.3 Lập trình cho arduino phần mền arduino IDE 44 4.2 TÌM HIỂU PID TRONG VI ĐIỀU KHIỂN 45 4.2.1 PID rời rạc ( PID số) 46 4.2.2 Viết chương trình PID 46 4.3 Code điều khiển hoàn chỉnh hệ thống 47 CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB/SIMULINK 51 5.1 Mô nguyên lý ( Matlab Simulink): 51 5.1.2Mơ chưa có điều khiển 51 5.1.3 : Mơ có điều khiển tốc độ .52 5.2 Mơ hình thực tế : 53 5.2.1 Mạch cầu H 53 5.2.2 Mạch chỉnh lưu 55 5.2.3 Mơ hình hồn thiện .56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 LỜI MỞ ĐẦU   LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành thầy cô trường Đại Học Bách khoa – Đà Nẵng, đặc biệt thầy khoa Điện – Điện Tự Động Hóa trường truyền đạt cho chúng em nhiều kiến thức bổ ích suốt thời gian học lớp Và em xin chân thành cám ơn thầy Lê Tiến Dũng nhiệt tình hướng dẫn hướng dẫn em hồn thành tốt báo cáo đồ án môn học truyền động điện tự động Nếu khơng có lời hướng dẫn, dạy bảo thầy em nghĩ báo cáo nhóm em khó hồn thành Trong trình làm báo cáo đồ án mơn học khó tránh khỏi sai sót, mong thầy bỏ qua Đồng thời kiến thức kinh nghiệm thực tiễn hạn chế nên báo cáo khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy để em học thêm nhiều kinh nghiệm hoàn thành báo cáo tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn! Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Đà Nẵng, ngày….tháng… năm… Giáo viên hướng dẫn CHƯƠNG 0: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 1.1 Lý chọn đề tài Trong bối cảnh Việt Nam thành viên tổ chức thương mại giới (WTO),xu hội nhập ngày sâu rộng dẫn đến giao lưu hợp tác nhiều lĩnh vực, có lĩnh vực khoa học kỹ thuật Các dây chuyền sản xuất có kỹ thuật đại dần thay dây chuyền lạc hậu, lỗi thời Trong dây chuyền sản xuất đại khâu truyền động giữ vai trò quan trọng Tùy theo yêu cầu mục đích dây chuyền mà truyền động thực công đoạn khác quy trình sản xuất Do ảnh hưởng tới việc nâng cao chất lượng sản phẩm suất sản xuất Và xuất phát từ mong muốn hiểu rõ hệ thống Băng chuyền, hệ thống vô quan trọng hệ thống dây chuyền sản xuất nhà máy, xí nghiệp Hệ thống băng chuyền nhờ tính ưu việt có nhiều ứng dụng quan trọng phát triển doanh nghiệp sản xuất Vì nhóm chúng em chọn đề tài để nghiên cứu 1.2 Mục tiêu dự án Dự án tập trung vào việc mô hệ thống điều khiển giám sát thông số hệ thống với mục đích trì ổn định tốc độ băng chuyền so với giá trị mong muốn có tác động nhiễu vào đối tượng Bên cạnh đó, thành viên mong muốn nâng cao kiến thức, kỹ thái độ làm việc thân 1.3 Sản phẩm dự án Bản vẽ mơ hình hệ thống tải, mạch ngun lý, sơ đồ mô phỏng, mô điều khiển động mang tải, đo lường giá trị tốc độ, dòng điện phần giám sát 1.4 Các yêu cầu kĩ thuật Các kết mơ phải thể xác tính chất tải, động để hạn chế tối đa lỗi kỹ thuật trình xây dựng mạch mơ hình thực tế 1.5 Kế hoạch cơng việc a) Bảng tóm tắc cơng việc Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 1.1 Bảng tóm tắt công việc b) Sơ đồ giantt 8/22/2022 9/11/2022 10/1/2022 10/21/202211/10/202211/30/202212/20/2022 Tìm hi ểu dự án, phân cơng nhi ệm vụ Tổng quan hệ thơống Thiếốt kếố mơ hình, tính tốn yếu câầu tải Tính chọn đ ộng cơ, ki ểm nghiệm qua mô Thiếốt kếố m ạch công suâốt + Báo cáo Tính chọn phâần đo lường + Báo cáo Thiếốt kếố m ạch nguôần + m ạch điếầu ển + Báo cáo Mô matlab - simulink Mua thiếốt bị Lắốp m ạch, kiểm tra Thử mạch + chỉnh sửa Đo lường lâốy sôố li ệu Mơ tồn hệ thơống Hồn thiện mơ hình Hồn thiện báo cáo Hình 1.2 Sơ đồ giantt Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 1.6 Bản vẽ mơ hình hệ thống Hình 1.3 mơ hình băng tải Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU BÀI TỐN, TÍNH TỐN THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC 1.1 Mơ tả dự án Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống  Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động điện chiều kích từ độc lập Hình 2.2: Cấu trúc tải Yêu cầu đặt thiết kế hệ thống điều khiển động điện chiều để vận hành tải hình 2.2 chạy theo tốc độ hình bên Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Đồồ th ị tồố c đ ộ mong muồố n u (m/s) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 0.2 0.2 10 0 12 14 16 18 20 -0.2 22 24 26 28 -0.2 t (s) Hình 1.3: Tốc độ yêu cầu tải Chọn tốc độ băng tải : 0,2m/s ; chọn m=1,5Kg ; =1 Với yêu cầu trên, ta cần xây dựng hệ thống có khả tự động điều chỉnh để kéo tải hoạt động mà không cần phải điều khiển thô tay, nhiên tốc độ tải phải đảm bảo hoạt động ổn định Hệ thống bao gồm: Nguồn điện xoay chiều 220 V Bộ biến đổi: Bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều pha thành nguồn chiều Động điện chiều để kéo tải Tải Cảm biến tốc độ (Encoder): Đo tốc độ thực động Cảm biến dòng: Đo dòng điện phần ứng động Bộ điều khiển: Tính tốn, xử lí để đưa điện áp điều khiển cần thiết Mạch phát xung: Nhận tín hiệu từ điều khiển phát xung để điều khiển biến đổi Ngun lí chung: • Tín hiệu tốc độ dòng điện đầu động đo cảm biến truyền cho điều khiển • Bộ điều khiển có chức tính tốn, xử lí cách tự động để xuất tín hiệu điều khiển cần thiết cho mạch phát xung Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Chân cấp lượng 5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dùng để cấp nguồn cho linh kiện điện tử kết nối với Arduino 3.3V: chức tương tự cấp nguồn 5v cấp điện áp 3.3V đầu Ground: hay gọi chân GND, cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với Vin (Voltage Input): tương tự chân 5V, thêm chức cấp nguồn cho Arduino UNO thay cắm USB, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND Các cổng vào/ra (I/O) Arduino cung cấp nhiều chân I/O ( hay gọi Pin ) để ta giao tiếp hay gửi lệnh điều khiển thiết bị, nói chân sử dụng nhiều phân chúng làm loại sau: Các chân Digital Phiên Arduino UNO R3 sở hữu 14 chân digital từ đến 13 dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp điều khiển 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ngồi số chân digital có chức đặc biệt chân PWM Chân PWM: chân có dấu '~' đằng trước, chân cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ đến 255) tương ứng với mức giao động điện áp chân từ 0V đến 5V, khác với chân khơng phải PWM, chọn giá trị 0V 5V Các chân Analog Arduino UNO có chân analog (A0 đến A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 đến 1023) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V đến 5V Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác Chân TXD RXD Đây chân Serial dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp liệu với thiết bị cần sử dụng thơng qua chân này, ngồi sử dụng chân để nạp code cho mạch mà khơng cần thơng qua USB mạch 4.1.3 Lập trình cho arduino phần mền arduino IDE 44 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 4.3 : Giao diện Arduino IDE • Thanh menu bar, bao gồm tùy chọn thiết lập cho phần mềm Arduino cho sketch thực • Thanh symbol bar, gồm nút nhấn Verify để biên dịch sketch, upload để nạp sketch vào board, New để tạo sketch mới, Open để mở sketch, Save lưu sketch Serial Monitor để mở serial port • Vùng soạn thảo code cho sketch • Vùng hiển thị thơng tin biên dịch, hiển thị q trình nạp sketch thông báo lỗi biên dịch sketch (nếu có) Chương trình lập trình arduino theo thư tự từ xuống sau: Vùng khai báo biến void setup() { // put your setup code here, to run once: vùng đặt } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: Vùng lệnh } Chương trình 45 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 4.2 TÌM HIỂU PID TRONG VI ĐIỀU KHIỂN 4.2.1 PID rời rạc ( PID số) Hàm truyền động chùng ta tìm hàm truyền miền liên tục Tuy nhiên sử dụng vi điều khiển không dùng hàm PID liên tục khơng xác khoảng thời gian Do sử dụng hàm PID rời rạc Bộ điều khiển PID rời rạc hay gọi điều khiển số khơng thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, cần rời rạc vài mức Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên thời gian vi phân đạt xấp xỉ sai phân có giới hạn tích phân qua việc lấy tổng Chúng ta quan tâm dạng thời điểm, sai số tính khoảng lấy mẫu: e(n) = X(n) - Y(n) Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính tốn xuất ngõ điều khiển theo khoảng thời gian xác định (không liên tục) – thời gian lấy mẫu T Thời gian lấy mẫu cần nhỏ đơn vị thời gian hệ thống Khơng giống thuật tốn điều khiển đơn giản khác, điều khiển PID có khả xuất tín hiệu ngõ dựa giá trị trước sai số tốc độ thay đổi sai số.Điều giúp cho q trình điều khiển xác ổn định Hình 4.5 : mơ hình PID rời rạc 4.2.2 Viết chương trình PID /*khai báo biến*/ volatile long E=0; volatile long E1=0; volatile long E2=0; float alpha=0; 46 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 float beta=0; float gama=0; int output=0; int lastoutput=0; double Kp = , Ki = , Kd = 0.01 ; /* Tính toán */ int SaiSoE(long tocdodat, long tocdothuc){ E= tocdodat-tocdothuc; return E; } int PID1(int E){ alpha=2*T*Kp+Ki*T*T+2*Kd; beta=T*T*Ki-4*Kd-2*T*Kp; gama=2*Kd; output=(alpha*E+beta*E1+gama*E2+2*T*lastoutput)/(2*T); lastoutput=output; E2=E1; E1=E; if(output>255){ output=255; } if(output255){ output=255; } if(output=T) { rpm=((xung/600)*60); last=millis(); xung=0; } return rpm; } void hienthiLCD(){ lcd.setCursor(0,0); lcd.print("RPMSET:"); lcd.setCursor(8,0); lcd.print(tocdodat); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("RPM: "); lcd.setCursor(4,1); lcd.print(rpm); } 50 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 CHƯƠNG V : MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB/SIMULINK 5.1 Mơ ngun lý ( Matlab Simulink): 5.1.2Mơ chưa có điều khiển Hình 5.1 : Sơ đồ khối chưa điều khiển 5.1.1.2 Kết mô 51 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 5.1.1.3 Đánh giá kết mô : Khi chưa có điều khiển động hột động tốc độ nhất, không điều khiển  Không đạt yêu cầu đề 5.1.3 : Mơ có điều khiển tốc độ Hình 5.1: Sơ đồ khối có điều khiển 52 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình : Tốc độ đặt mong muốn 5.1.3.1 Kết mô 5.1.3.2 Đánh giá kết : Khi có điều khiển PID động hoạt động với tốc độ đặt Có phản hồi nhanh chóng với thay đổi tải Độ ổn định độ tin cậy cao  Đạt u cầu 5.2 Mơ hình thực tế : 53 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 5.2.1 Mạch cầu H a) Mơ proteus Hình 5.2 : PCB mạch cầu H Hình 5.3 : 3D PCB mạch cầu H b) Thực tế : 54 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 c) Đánh giá đáp ứng hoạt động : Mạch cầu H đáp ứng tốt yêu cầu để điều khiển động Có thể hoạt động đảo chiều quay theo mong muốn Độ ổn định cao 5.2.2 Mạch chỉnh lưu a) Mơ proteus Hình 4: PCB mạch nguồn 55 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 5.5 : 3D PCB mạch nguồn b) Thực tế c) Đánh giá đáp ứng hoạt động Mạch nguồn cung cấp mức điện áp mà tải yêu cầu Dòng điện cung cấp cho tải tương đối phẳng ổn định 5.2.3 Mơ hình hồn thiện 56 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 a) Thực tế: b) Đánh giá hoạt động : Toàn hệ thống hoạt động với yêu cầu đặt Tuy có sai sót tốc độ đặt so với tốc độ thực tế bị nhiễu yếu tố khách quan không đáng kể Độ ổn định độ tin cậy hoạt động mượt tốt  Kết luận : Tuy thời gian có hạn hướng dẫn tận tình thầy Lê Tiến Dũng Chúng em hồn thành đồ án thời gian quy định rút 57 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 kết luận sau:  Phần kiến thức: + Có nhìn tổng qt q trình nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển công suất sử dụng biến đổi công suất, điều khiển truyền động cho loại động điện khác nhau, lập trình cài đặt thuật tốn điều khiển thiết bị vi điều khiển + Sử dụng tốt phần mềm Matlab để mô khối điều khiển  Phần thiết kế mơ hình : + Phân tích chọn lựa thiết bị + Viết chương trình điều khiển + Mơ chạy thử mơ hình thật Do thời gian có hạn kiến thức cịn hạn hẹp nên q trình thực khó tránh khỏi sai sót Vì mong thầy bạn chia sẻ đóng góp ý kiến để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử công suất: [1] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất I, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh,2010 [2] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất 2009, NXB KH&KT [3] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, Lý thuyết – Thiết kế - Ứng dụng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 [4] Ned Mohan , Tore M Undeland , William P Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, Wiley, 2002 Truyền động điện: [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn thị Hiền Truyền động điện NXB Khoa học kỹ thuật, 1996 [2] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich Truyền động điện thông minh NXB Khoa học kỹ thuật, 2002 [3] Ned Mohan, Electric drives: An integrative approach, 2003 58 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com)