nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ NGỌC OANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - 2014 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lê Thị Ngọc Oanh Ngày sinh: 07 tháng 12 năm 1986 Học viên lớp cao học K14–TĐH01 – Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn. Thái nguyên, tháng 8 năm 2014 Học viên Lê Thị Ngọc Oanh iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, các giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai Hƣơng, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Hƣng đã tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế. Xin chân thành cảm ơn! NGƢỜI THỰC HIỆN Lê Thị Ngọc Oanh iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Trang phụ bìa LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. 5 CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 5 1.1 Lựa chọn động cơ truyền động 6 1.1.1 Động cơ không đồng bộ : 6 1.1.2 Động cơ đồng bộ: 6 1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: 6 1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 7 1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: 7 1.2 Chọn phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 8 1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ 9 1.2.2 Điều chỉnh bằng phƣơng pháp thay đổi từ thông 10 1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ 11 1.3 Chọn loại bộ biến đổi 12 1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ) 13 1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lƣu xung áp một chiều 13 1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ 13 1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lƣu 16 1.4.1 Chỉnh lƣu cầu 3 pha 16 1.4.2 Mạch chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển 17 1.4.2.4 Biểu thức điện áp 19 1.4.3 Mạch chỉnh lƣu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ TỰ CHỈNH 25 2.1 Mô hình động cơ một chiều 26 2.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 27 2.2.1 Khái niệm 24 2.2.2 Dạng sai phân 29 2.2.3 Dạng rời rạc 29 2.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy 30 2.4 Các quy luật điều chỉnh 31 2.4.1 Quy luật điều chỉnh P 32 2.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 33 2.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 35 2.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 35 2.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 36 2.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 36 2.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phƣơng pháp thực nghiệm 37 2.5.3 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols 37 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 42 3.1 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP - TMS320F28069. 43 3.2 Các luật điều khiển số. 44 3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số 44 3.2.2 Luật điều khiển tích phân số 44 3.2.3 Luật điều khiển vi phân số 45 3.2.4 Luật điều khiển PID số 46 3.3 Phần mềm CCS v5 46 3.4 Giới thiệu TMS320F28069 47 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 56 4.1 Mô phỏng 57 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4.2 Thực nghiệm 65 4.2.1 Giới thiệu hệ thống 65 4.2.2 Các khối chính trong hệ thống 67 4.3 Kết quả thực nghiệm 69 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8 b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8 Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3 <Rf4 9 Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với 10 Φ2< ΦM1 < Φđm 10 Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4 12 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ Tiristor - Động cơ 14 Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ 15 Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều. 15 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lƣu 17 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lƣu cầu ba pha không ĐK 17 Hình 1.10 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lƣu cầu ba pha không ĐK 19 Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý của mạch chỉnh lƣu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20 Hình 1.12 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lƣu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 23 Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển kinh điển 28 Hình 2.2 Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển 32 Hình 2.3 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 33 Hình 2.4 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn 34 Hình 2.5 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI 34 Hình 2.6 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 35 Hình 2.7 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 36 Hình 2.8 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 39 Hình 2.9 Lƣu đồ tự chỉnh các tham số PID 40 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 43 Hình 3.2 Khâu tỷ lệ số 44 Hình 3.3 Cấu trúc luật I số 45 Hình 3.4 Cấu trúc luật D số 45 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.5 Cấu trúc luật PID số 46 Hình 3.6 Code Composer Studio v5 47 Hình 3.7 Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments 48 Hình 3.8 PN/ PFP 80 chân 49 Hình 3.9 Sơ đồ khối Kit TMS320F28069 53 Hình 3.10 Các khối ngoại vi 54 Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều 57 Hình 4.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 63 Hình 4.3 Đặc tính tốc độ đầu ra 64 Hình 4.4 Đặc tính dòng điện 65 Hình 4.5 Hệ thực nghiệm 66 Hình 4.6 Mạch phát hiện điểm không 67 Hình 4.7 Hệ động cơ – máy phát tốc 68 Hình 4.8 Bộ chỉnh lƣu cầu ba pha 69 Hình 4.9 TMS320F28069 board 57 Hình 4.10 Dạng điện áp đầu ra bộ chỉnh lƣu 70 Hình 4.11 Tốc độ động cơ và giá trị đặt 71 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Hiện nay động cơ một chiều trong các hệ truyền động vẫn đang đƣợc sử dụng rộng rãi do nó có một số ƣu điểm sau đây: - Momen khởi động lớn. - Khả năng điều chỉnh tốc độ tƣơng đối đơn giản, kể cả đối với các động cơ có công suất lớn. - Dễ đảo chiều quay. - Dễ ổn định tốc độ. - Cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển tƣơng đối đơn giản, có thể đạt chất lƣợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Đa số các hệ thống truyền động sử dụng động cơ một chiều đều có yêu cầu về điều chỉnh tốc độ. Trong thực tế có hai phƣơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ Bộ biến đổi nằm trong cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Các bộ biến đổi, các mạch và các thuật toán điều khiển có thể đƣợc thực hiện bằng kỹ thuật tƣơng tự hoặc kỹ thuật số. Trong đó, việc sử dụng kỹ thuật tƣơng tự có ƣu điểm là khá đơn giản, hiệu quả và đã đƣợc phát triển một cách hoàn thiện. Nhƣợc điểm cơ bản của kỹ thuật này phụ thuộc nhiều vào độ trôi thông số của các phần tử trong hệ thống làm cho tính ổn định của hệ thống nhiều khi không đƣợc đảm bảo theo thời gian và khó đáp ứng với các điều kiện làm việc khác nhau. Các hệ truyền động động cơ một chiều thƣờng sử dụng hai mạch vòng điều chỉnh. Trong đó mạch vòng ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ, bên trong là mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Mạch vòng dòng điện yêu cầu tốc độ đáp ứng 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ nhanh hơn rất nhiều so với mạch vòng điều chỉnh tốc độ vốn phụ thuộc rất lớn vào quán tính cơ của động cơ và của tải. Chính vì vậy mà yêu cầu thiết kế bộ điều khiển cho mạch vòng dòng điện cũng có yêu cầu khắt khe hơn. Để có đƣợc các thông số tối ƣu cho bộ điều khiển của mạch vòng dòng điện thì phải có các thông số chính xác của động cơ. Sau đó, bộ điều khiển theo kỹ thuật tƣơng tự của mạch vòng dòng điện đƣợc điều chỉnh theo các thông số đã tổng hợp đƣợc bằng cách thay đổi giá trị của các biến trở, biến dung hoặc hệ số khuyếch đại của các bộ khuyếch đại thuật toán. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc các thông số của động cơ có thể bị thay đổi do chúng phụ thuộc và điều kiện làm việc (điện trở phần ứng của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo tải ), bản thân các linh kiện tƣơng tự cũng nhƣ các bộ khuyếch đại thuật toán nói trên cũng bị thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm Do đó, chất lƣợng của các bộ điều khiển theo kỹ thuật tƣơng tự rất khó để đảm bảo theo thời gian và các chế độ làm việc khác nhau. Kỹ thuật điều khiển số ra đời không những có khả năng khắc phục các nhƣợc điểm nói trên của các hệ thống điều khiển tƣơng tự mà còn mở ra khả năng áp dụng dễ dàng các kỹ thuật hiện đại trong việc tổng hợp các bộ điều khiển, dễ dàng thay đổi các tham số vận hành của thiết bị, có khả năng tƣơng tác với con ngƣời, khả năng ghép nối với máy tính, các thiết bị điều khiển cấp trên hoặc các thiết bị giao tiếp số khác (ví dụ các bộ điều khiển lô gic lập trình đƣợc – PLC, các bộ đo lƣờng tốc độ số Encoder) Hơn nữa, một hệ thống điều khiển số còn cho phép loại bỏ một số lƣợng không nhỏ các mạch điện tƣơng tự có các chức năng khác nhau chuyển sang thực hiện bằng phần mềm (ví dụ các mạch đo lƣờng, bảo vệ, hiển thị ) làm cho mạch điều khiển nhỏ gọn và tin cậy hơn. Ngoài ra, trong thực tế các bộ điều khiển số tốc độ động cơ một chiều ở Việt nam hầu hết đƣợc cung cấp bởi các hãng nổi tiếng, có giá thành cao, đặc biệt là ở dải công suất lớn, điều kiện bảo hành, bảo trì khá phức tạp. Do vậy, việc nghiên cứu, phát triển các hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều có thể nâng cao [...]... chủ công nghệ, nâng cao chất lƣợng của thiết bị, thuận tiện cho việc sử dụng, vận hành, sửa chữa và giảm giá thành Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều" Mục đích nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài là phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều Qua đó nghiên cứu về các bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều, ƣu... của từng bộ điều khiển Mục tiêu cụ thể là: - Phân tích các hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều - Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều bằng cách thiết kế hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristor điều khiển tốc độ động cơ một chiều theo phƣơng pháp thay đổi góc pha Góc mở của các Thyristor đƣợc điều khiển trực tiếp từ vi điều khiển mà không sử dụng các mạch tƣơng tự (phát xung,... ta thấy động cơ một chiều kích từ độc lập có nhiều ƣu điểm và có khả năng đáp ứng đƣợc yêu cầu công nghệ của tải cần truyền động Do đó ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ cho máy sản xuất của đề tài Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ đƣợc cấp điện từ một nguồn độc lập với nguồn điện cấp cho phần ứng động cơ *Sơ đồ nguyên lý Động cơ điện một chiều kích từ độc lập... toán điều khiển để điều khiển đối tƣợng Đồng thời tác giả sẽ trình bày các bộ điều khiển tự chỉnh đƣợc dùng trong hệ thống 2.1 Mô hình động cơ một chiều Gọi góc quay của động cơ điện một chiều là , từ thông động cơ là =const, J là mômen quán tính, B là hệ số ma sát, R là điện trở phần ứng, L là điện cảm phần ứng, Em là sức phản điện động của động cơ, Km là hệ số tỷ lệ mômen, Ke là hệ số sức điện động. .. thực hóa đề tài Nội dung nghiên cứu Chƣơng 1 Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng thyristor điều khiển tốc độ động cơ một chiều Chƣơng 2 Mô hình động cơ một chiều và nghiên cứu thiết kế tự chỉnh Chƣơng 3 Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều Chƣơng 4 Mô phỏng và thực nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/... chọn bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 biến đổi chỉnh lƣu có điều khiển cấp điện áp cho phần ứng của động cơ ( Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ) Bộ biến đổi Tiristor - Động cơ Trong hệ truyền động chỉnh lƣu điều khiển động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi là các mạch chỉnh lƣu điều khiển có sức điện động Eđ phụ thuộc vào giá trị của phát xung điều khiển (góc điều khiển) Chỉnh... chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ Sơ đồ nguyên lý nhƣ sau: Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ Tiirristor - Động cơ Hệ chỉnh lƣu điều khiển -Động cơ một chiều thực hiện điều khiển động cơ theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng động cơ trong đó bộ biến đổi là bộ chỉnh lƣu bán dẫn biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều không qua khâu trung gian nào, do đó nó có... điểm : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn Hệ số cosφ và hiệu suất không cao, dải điều chỉnh hẹp, độ sụt tốc độ lớn khi điều chỉnh, giá thành cao 1.1.2 Động cơ đồng bộ Ƣu điểm: Đƣợc sử dụng rộng rãi cho các hệ truyền động yêu cầu có công suất trung bình và lớn, yêu cầu ổn định tốc độ cao, hệ số cosφ và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao Nhƣợc điểm: Điều chỉnh tốc độ gặp... lớn, độ ổn định tốc độ kém thay đổi nhanh khi tải thay đổi [11] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ƣu điểm: Dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh thuận lợi dễ dàng khi thay đổi 1 trong các thông số vật lý của động cơ, có thể điều chỉnh trơn, điều chỉnh vô cấp, độ cứng tốt, quá trình khởi động êm, moomen khởi động lớn, thời gian khởi động. .. QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 1.1 Lựa chọn động cơ truyền động 1.1.1 Động cơ không đồng bộ Ƣu điểm: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rô to lồng sóc; có kích thƣớc nhỏ làm việc tin cậy, chắc chắn và dễ sử dụng Vận hành sửa chữa, làm việc trực tiếp với lƣới điện xoay chiều 3 pha . " ;Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều& quot; Mục đích nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài là phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều. . nghiên cứu về các bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều, ƣu nhƣợc điểm của từng bộ điều khiển. Mục tiêu cụ thể là: - Phân tích các hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều. - Thiết kế hệ thống. CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 5 1.1 Lựa chọn động cơ truyền động 6 1.1.1 Động cơ không đồng bộ : 6 1.1.2 Động cơ đồng bộ: 6 1.1.3 Động