Để hoàn thành báo cáo với đề tài: Thiết kế bộ điều khiển hai mạch vòng và xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển tốc độ cho động cơ một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay với tín hiệu đặt dạng bước nhảy step. Thông số kỹ thuật: Động cơ Л82 Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy Cao Đức Thanh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho chúng em những kiến thức vê chuyên ngành để từ đó chúng em đã có thêm những kiến thức để vận dụng vào thực tiễn Do trình độ còn hạn chế và những nguyên nhân khác,...Nếu dù đã rất cố gắng song bài báo cáo của nhóm chúng em không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót. Vì thế nhóm chúng em rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp của thầy để bài báo cáo của chúng em được hoàn chỉnh hơn. Những ý kiến đóng góp của thầy giúp nhóm em có thể nhận ra được những hạn chế và qua đó có thêm nhiều kiến thức mới trên con đường học tập cũng như những nghiên cứu sau này.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN Mã: 13311H Học kỳ: – Năm học: 2023 – 2024 Đề tài: Thiết kế điều khiển hai mạch vòng SINH VIÊN MSV LỚP NHIỆM VỤ 90742 ĐTĐ62CL Nhóm trưởng 94084 NGUYỄN QUANG HUY 94071 ĐTĐ62CL ĐTĐ62CL Thành viên Thành viên CAO HUY TRƯỜNG TỰ BÁ QUYỀN Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: Cao Đức Thanh HẢI PHÒNG - 12/ 2023 ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN 1(2) Thiết kế điều khiển hai mạch vịng xây dựng mơ hình thực nghiệm điều khiển tốc độ cho động chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay với tín hiệu đặt dạng bước nhảy step • Thơng số kỹ thuật: Động Л-82 Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Để hoàn thành báo cáo với đề tài: Thiết kế điều khiển hai mạch vịng xây dựng mơ hình thực nghiệm điều khiển tốc độ cho động chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay với tín hiệu đặt dạng bước nhảy step Thông số kỹ thuật: Động Л-82 Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy Cao Đức Thanh tận tình giảng dạy truyền đạt cho chúng em kiến thức vê chuyên ngành để từ chúng em có thêm kiến thức để vận dụng vào thực tiễn Do trình độ cịn hạn chế nguyên nhân khác, Nếu dù cố gắng song báo cáo nhóm chúng em khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Vì nhóm chúng em mong nhận quan tâm đóng góp thầy để báo cáo chúng em hồn chỉnh Những ý kiến đóng góp thầy giúp nhóm em nhận hạn chế qua có thêm nhiều kiến thức đường học tập nghiên cứu sau Sinh viên thực (Tất SV) Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát động điện chiều .1 1.1.1 Nguyên lý cấu tạo động điện chiều 1.1.2 Phân loại động điện chiều 1.1.3 Điều chỉnh tốc độ ñộng điện chiều 1.1 Cách điều khiển tốc độ động điện chiều 1.2 Tham số động (Л-82) CHƯƠNG : MƠ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .6 2.1 Mơ tả tốn học động điện chiều CHƯƠNG :TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ PHỎNG TỒN HỆ THỐNG 15 3.1.Tổng Hợp Mạch Vòng Dịng Điện 15 3.4 Tính tốn thơng sơ hệ truyền động động chiều kích từ độc lập tiến hành mơ máy tính phần mềm Matlab .18 3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 19 3.5 Tính tốn thơng số hệ truyền động động chiều kích từ độc lập tiến hành mơ máy tính phần mềm Matlab .23 3.6 Mô .24 Hình Mặt cắt ngang trục máy điện chiều Hình Các loại động điện chiều .4 Hình Sơ đồ cấu trúc động chiều Hình Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa động điện chiều Hình Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi 10 Hình Sơ đồ cấu trúc gọn theo tốc độ dòng điện 10 Hình Sơ đồ cấu trúc động chiều kích từ động lập với từ thơng khơng đổi 11 Hình Mơ hình DCMC KTDC Φ= const Matlab .12 Hình Cấu trúc BĐK PID 13 Hình 10 Điều khiển hồi tiếp với BĐK PID .13 Hình 11 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 14 Hình 12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo dạng hàm truyền 15 Hình 13 Cấu Trúc Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ .16 Hình 14 mạch vịng dịng điện chưa bỏ qua sdđ 16 Hình 15 Sơ đồ mạch vịng dịng điện dạng hàm truyền 17 Hình 16 mơ hình tổng hợp điều khiển dòng điện bỏ qua sức điện động 17 Hình 17 Hàm truyền đối tượng điều khiển mạch vòng dòng điện 18 Hình 18 Cấu trúc điều khiển tốc độ thay mơ hình DCMC KTDC Φ=const .21 Hình 19 Cấu trúc điều khiển tốc độ thay mơ hình DCMC KTDC Φ=const ,khi bỏ qua E .21 Hình 20 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chirh tốc độ .22 Hình 21 Hàm truyền đối tượng điều khiển mạch vòng tốc độ 22 CHƯƠNG : TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát động điện chiều Hiện động Điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động chiều từ vài W đến hàng MW Đây loại động đa dạng linh hoạt, đáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, hãm với tải trọng nặng Động diện chiều dễ dàng đáp ứng với truyền động khoảng điều khiển tốc độ rộng đảo chiều nhanh với nhiều dặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ Trong Động điện chiều, biến đổi điện mạch chỉnh lưu điều khiển Chỉnh lưu dùng làm nguồn diều chỉnh điện áp phần ứng động Chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu cầu pha 1.1.1 Nguyên lý cấu tạo động điện chiều Giống loại động điện khác, động điện chiều gồm có stator rotor….Động điện chiều gồm có stator, rotor, cổ góp chổi điện Hình Mặt cắt ngang trục máy điện chiều Stator: cịn gọi phần cảm, gồm dây quấn kích thích quấn tập trung cực từ stator Các cực từ stator ghép cách điện từ thép kỹ thuật điện dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, gắn gông từ thép đúc, vỏ máy Rotor: cịn gọi phần ứng, gồm lõi thép phần ứng dây quấn phần ứng lõi thép phần ứng có hình trụ, ghép từ thép kỹ thuật diện ghép cách điện với Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, đặt vào rãnh lõi thép rotor Các phần tử dây quấn rotor nối tiếp thơng qua góp cổ góp Lõi thép phần ứng cổ góp cố định trục rotor Cổ góp chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện dây quấn phần ứng 1.1.2 Phân loại động điện chiều Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động điện chiều thành loại sau: Động điện chiều kích từ độc lập: Dịng điện kích từ lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, từ thơng kích từ tạo nam châm vĩnh cữu, người ta gọi động điện chiều kích thích vĩnh cửu 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 quấn kích từ song song dây quấn kích từ nối tiếp Trong đó, cuộn kích từ song song thường cuộn chủ đạo trình bày loại động điện chiều Hình 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 kích từ nối tiếp d) Động điện chiều kích từ hỗn hợp 1.1.3 Điều chỉnh tốc độ ñộng điện chiều Ưu điểm động điện chiều so với loại động điện khác khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng, điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo Do đó, điều kiện bình thường, cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động điện chiều Đối với hệ thống truyền động điện chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường sử dụng động điện chiều kích từ độc lập Trong phạm vi đề tài này, xét khả điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập 1.1 Cách điều khiển tốc độ động điện chiều Điều khiển tốc độ động điện chiều phương pháp sử dụng điện trở Đây phương pháp đơn giản nhiều người áp dụng cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc đường đặc tính giảm, số vịng quay giảm tốc độ chậm lại tương ứng Điều khiển tốc độ động điện chiều phương pháp điều khiển từ thông Phương pháp điều chỉnh từ thơng hay cịn gọi điều chỉnh sức điện động động momen điện từ Khi từ thơng giảm tốc độ quay động theo tăng lên Tuy nhiên, thực tế, phương pháp sử dụng khó để thực Điều khiển tốc độ động điện chiều phương pháp điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển động điện chiều lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Theo đó, thực thay đổi điện áp phần ứng tốc độ quay động bị thay đổi tương ứng Nhóm chúng em lựa chọn phương pháp điều khiển Uw PWM PWM hay phương pháp thay đổi độ rộng xung kỹ thuật giúp cho điều chỉnh giá trị trung bình điện áp chạy đến thiết bị điện tử cách bật tắt nguồn với tốc độ nhanh Điện áp trung bình cịn phụ thuộc vào chu kỳ xung lượng thời gian tín hiệu BẬT tương quan với lượng thời gian tín hiệu TẮT khoảng thời gian quy định Vì vậy, cịn tùy thuộc vào kích thước cụ thể động cơ, cần kết nối đầu Arduino vào chân điện trở Mosfet tiến hành điều khiển tốc độ motor cách điều khiển đầu PWM Tín hiệu Arduino có cơng suất thấp bật tắt chân Mosfet, qua động công suất cao điều khiển 1.2 Tham số động (Л-82) Công suất định mức: Pdm = 42 [KW]; Điện áp phần ứng: Uưđm = 220[V]; Dòng điện định mức : IĐM Tốc độ định mức ndm = 1500[vòng/phút]; Điện trở phần ứng: Rư = 0.0508 [Ω]; ]; Điện cảm phần ứng: Lư = 0.0038 [H]; Mơ mem qn tính: J =3.2 (kg.m2) = 217 (A) Hình Cấu trúc BĐK PID Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên sử dụng rộng rãi điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) hệ thống cho trình độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng: Nếu sai lệch tĩnh e(t) lớn thơng qua thành phần u p(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) lớn Nếu sai lệch e(t) chưa thơng qua thành phần uI(t), PID cịn tạo tín hiệu điều chỉnh Nếu thay đổi sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp u(t) nhanh Hình 10 Điều khiển hồi tiếp với BĐK PID Bộ điều khiển PID mô tả mơ hình vào-ra: đó: e(t) – tín hiệu đầu vào; u(t) – tín hiệu đầu ra; kp – hệ số khuếch đại; TI – số tích phân; TD – số vi phân Từ mơ hình vào – trên, ta có hàm truyền đạt điều khiển PID: Có nhiều phương pháp xác định tham số điều khiển PID - Phương pháp Ziegler-Nichols - Phương pháp Chien-Hrones-Reswick - Phương pháp tổng T Kuhn - Phương pháp tối ưu modul phương pháp tối ưu đối xứng - Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám 2.1.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Hình 11 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Các thành phần cấu trúc : biến đổi chỉnh lưu cầu pha ( tự tính tốn thiết kế chọn van ) , máy điện chiều , điều khiển PID dòng , đk tốc độ , cảm biến đo dòng , máy phát tốc , enccodor, phát xung , biến trở để tạo tín hiệu đặt , Hình 12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo dạng hàm truyền Giải thích cấu trúc Điều khiển tốc độ chế độ vận hành Hệ truyền động giữ tốc độ không đối không phụ thuộc vào mô-men tải Tốc độ đặt giá trị khối tạo hàm đặt khối tạo điện áp đặt cho điều khiển tốc độ với khoảng thời gian xác định Điều cho phép gia tốc động trơn nối tải Đầu điều khiển tốc độ đưa vào mạch tạo xung, điều khiển điện áp đặt lên phần ứng động Điều khiển tốc độ sử dụng đo tốc độ máy phát tốc Máy phát tốc dùng để đo xác tốc độ động làm việc tốc độ tốc độ Tốc độ đo đưa điều chỉnh tốc độ Bộ điều khiển tốc độ điều chỉnh điện áp phần ứng để giữ tốc độ động không đổi với biến thiên tải Chẳng hạn, tải tăng đột biến, tốc độ động thấp, tốc độ phản hồi giảm Bộ điều khiển tốc độ cho tín hiệu đầu lớn để đưa vào điều chỉnh dòng, tăng góc mở đưa vào mạch phát xung Kết điện áp phần ứng tăng tăng mô-men để động làm việc tải tăng Tốc độ động tăng đến đạt tốc độ đặt Điều khiển mô-men Một số ứng dụng yêu cầu vận hành với yêu cầu mô men mà không để ý đến tốc độ Mạch vòng tốc độ loại bỏ mô-men đặt đầu vào Bộ điều khiển dịng làm việc điều khiển mơ-men mơ-men tỷ lệ với dịng Ta Có Cấu Trúc Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Hình 13 Cấu Trúc Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ CHƯƠNG :TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ PHỎNG TỒN HỆ THỐNG 3.1 Tổng Hợp Mạch Vịng Dịng Điện Hình 14 mạch vịng dịng điện chưa bỏ qua sdđ • Trong đó, biến đổi có hàm truyền dạng G BBD = K cl ( 1+T v p )( 1+T dk p ) Kcl : hệ số khuếch đại biến đổi TV : số thời gian van Tdk : số thời gian điều khiển • Hàm truyền thiết bị đo có dạng G = I KI 1+ T I p KI: hệ số khâu đo dòng điện TI: số thời gian khâu đo dịng điện Thay hàm truyền vào ta có mạch vòng dòng điện động sau