Tóm tắt luận văn nghiêncứu khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ở phòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuật công nghiệp thái nguyên để ứng dụng vào sản xuất

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MẠNH NGÀ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN ĐỂ ỨNG DỤNG VÀO SẢN XUẤT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – NĂM 2014 Luận văn hoàn thành tại: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp Phản biện 1:…………………………… Phản biện 2:…………………………… Luận văn bảo vệ hội đồng chấm luận văn họp Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái nguyên Vào ngày… Tháng… năm… MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Hệ truyền động biến tần động điện xoay chiều ba pha sử dụng phổ biến, song hệ biến tần điều khiển máy tính PLC hệ thống truyền động thơng minh đại Ở phịng thí nghiệm Nhà trường có biến tần động điện xoay chiều này, điều khiển PLC S7 -300 Để nắm nguyên lý hoạt động hệ truyền động, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vào truyền động máy sản xuất nên chọn đề tài: “Nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần động điện xoay chiều phịng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên để ứng dụng vào sản xuất ” Kết đề tài làm tài liệu quý giúp cho nghiên cứu học tập đồng thời áp dụng kết nghiên cứu để vận hành, sửa chữa thiết bị thực tế Mục tiêu nghiên cứu - Tính tốn khảo sát hệ truyền động biến tần động điện xoay chiều điều khiển PID S7-300 hệ thống điều khiển số Việc tính tốn khảo sát dựa kết mô giúp kiểm nghiệm so sánh với kết thí nghiệm - Tiến hành thí nghiệm kiểm nghiệm chế độ làm việc hệ truyền động biến tần động xoay chiều điều khiển PID S7300 cụ thể là: Xác định chất lượng hệ thống với điều khiển ứng dụng khâu P khâu PI mạch vòng tốc độ để so sánh với lý thuyết tính tốn, đồng thời thơng qua thí nghiệm giúp cho việc nắm sâu sắc nguyên lý làm việc hệ thống hiểu trình vận hành điều khiển hệ thống - Từ kết lý thuyết thực nghiệm khẳng định ứng dụng hệ truyền động khả thi, từ đề xuất ứng dụng cho số máy công nghiệp Nội dung luận văn Nội dung luận văn gồm chương: Chương I: Giới thiệu sơ đồ khối hệ truyền động phịng thí nghiệm Chương II: Khảo sát tính tốn hệ truyền động phịng thí nghiệm Chương III: Thí nghiệm CHƯƠNG I GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ KHỐI HỆ TRUYỀN ĐỘNG PHỊNG THÍ NGHIỆM Sơ đồ khối Kp e Sp PID U Ki Biến tần V (M420) (S7-300) Pv Kd W Đ ộng pha Encoder Tín hiệu xung Encoder chuyển đổi sang tốc độ động Hình 1-1: Sơ đồ khối truyền động hệ thống Các thiết bị sơ đồ thông số kỹ thuật: - Động cơ: 2,2 Kw; U = 380VAC; Iđm = 5A - Biến tần Micromaster M420 - Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-300 – Encoder Chức nhiệm vụ thiết bị sơ đồ 2.1 Động điện xoay chiều không đồng pha rotor lồng sóc Ngày nay, hệ thống truyền động điện sử dụng rộng rãi thiết bị dây chuyền sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, thiết bị điện dân dụng, Ước tính có khoảng 50% điện sản xuất tiêu thụ hệ thống truyền động điện Hệ truyền động điện hoạt động với tốc độ không đổi với tốc độ thay đổi Hiện khoảng 75 - 80% hệ truyền động loại hoạt động với tốc độ không đổi Với hệ thống này, tốc độ động khơng cần điều khiển trừ q trình khởi động hãm 2.2 Giới thiệu biến tần – Biến tần M 420 (hình 1-2) Hình 1-2: Hình dáng Biến tần M420 2.2.1 Thông số kỹ thuật - Nguồn cấp: pha 200 – 240V, 380 – 480V, 50/60Hz - Dải tần số ra: - 650 Hz - Khả tải 150% 60 giây - Hiệu suất chuyển đổi đến 97% Dải điều khiển từ: - 10V, - 20 mA Tần số sóng mang lên tới 16 KHz Dải công suất: 0.37 – 11 KW Chế độ điều khiển động cơ: Tuyến tính U/f, bình phương U/f 2.3 Giới thiệu PLC PLC từ viết tắt cụm từ tiếng Anh "Programmabe Logic Controller": Bộ điều khiển logic lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Thực tế sản xuất PLC máy tính công nghiệp gắn chỗ với dây chuyền công nghệ 1.3.1 Cấu tạo - PLC thực chất hệ vi sử lý, nhiên có ưu điểm bật mà hệ vi sử lý khác khơng có Những ưu điểm ta xét sau, trước tiên ta xem xét cấu trúc nó, PLC gồm phận sau: + Hệ điều hành: Chương trình điều hành Khối chương trình điều khiển hệ thống chia nhớ với địa cố định đặt trước tạo nên vùng nhớ cụ thể như: - Vùng nhớ chương trình điều khiển; - Vùng nhớ biến trung gian; - Vùng nhớ cho tín hiệu vào tín hiệu chương trình giám sát kiểm tra hệ thống Khối thường sử dụng nhớ ROM - Bus địa chỉ: Tín hiệu truyền thao chiều từ CPU tới (hoặc thiết bị điều khiển trực tiếp - DMAC), nhớ vào - Bus số hiệu: Tín hiệu truyền theo hai chiều - Bus tín hiệu điều khiển: Gồm số tín hiệu gửi từ CPU số lại tín hiệu từ ngồi vào CPU 2.3.2 Ngun lý hoạt động PLC làm việc theo nguyên tắc kỳ lặp tự động, kỳ lặp gọi vòng qt Mỗi vịng qt có lần nhận liệu vào đưa kết bên ngoài, hết vịng qt thứ tự động chuyển sang vịng quét thứ hai tiếp tục Trong mơt vịng qt thực bốn bước: Bước 1: Nhận liệu đầu vào ghi lại bảng ảnh vào Bước 2: Đọc chương trình điều khiển sở liệu vào có (cố định) xử lý chương trình kết ghi lại bảng ảnh Bước 3: Thực truyền thông PLC PLC với thông tin qua lại với máy tính, từ kiểm nghiệm lại kết Bước 4: Gửi kết từ bảng ảnh đến thiết bị chấp hành bên 2.3.4 Giới thiệu tự động hóa với SIMANTIC S7 – 300 - Module mở rộng: Các module mở rộng chia thành loại chính: + PS (Power Supply): Module nguồn ni, PS có ba loại: 2A, 5A, 10A + SM (Signal Module): Module mở rộng tín hiệu vào/ra bao gồm: * DI (Digital Input): Module mở rộng cổng vào số * DO (Digital Output): Module mở rộng cổng số * DI/DO (Digital Input/Digital Output): Module mở rộng cổng vào/ra số * AI (Analog Input): Module mở rộng cổng vào tương tự * AO (Analog Output): Module mở rộng cổng tương tự chúng chuyển đổi số tương tự * AI/AO (Analog Input/Analog Output):): Module mở rộng cổng vào/ra tương tự + IM (Intuface Module): Module ghép nối + FM (Function Module):Module có chức điều khiển riêng + CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông tin mạng PLC với PLC với máy tính 2.4 Các mạch vòng phản hồi 2.4.1 Mạch vòng phản hồi tốc độ (encoder) Trong truyền động điện, để đo tốc độ rotor ta sử dụng phương pháp sau: + Sử dụng máy phát tốc; + Sử dụng cảm biến quang tốc độ đĩa tròn đục lỗ, cho ánh sáng xuyên qua, gắn vào trục motor; + Sử dụng máy đo góc tuyệt đối; + Xác định tốc độ gián tiếp qua cho phép dịng điện điện áp stator mà khơng cần cảm biến; 2.4.2 Mạch vòng âm dòng điện Với thiết bị hợp (Động – Biến tần nhà sản xuất) ghép nối có khâu tổng hợp dòng điện Với sơ đồ cấu trúc hệ thí nghiệm ngun lý làm việc khâu sơ đồ trình bày Chương I, để làm sở cho việc khảo sát tính tốn hệ truyền động phịng thí nghiệm, từ kiểm tra nghiệm với kết thí nghiệm CHƯƠNG II KHẢO SÁT TÍNH TỐN HỆ TRUYỀN ĐỘNG PHỊNG THÍ NGHIỆM Xây dựng sơ đồ vector hệ truyền động biến tần – động không đồng ba pha 1.1 Phép biến đổi tọa độ UA, UB, UC thành Uα, Uβ Phép biến đổi thực phần [phụ lục I] 1.2 Cơ sở định hướng từ thông hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d, q) Sau chuyển đổi đại lượng điện áp hai trục α β d q, tựa theo từ thông rotor ta nhận hai phương trình điện áp rotor động khơng đồng ba pha rotor ngắn mạch sau: (1 + T2 p)ψ 2q − T2 ω s ψ 2q − L m i1d = T2 ω s ψ 2d + (1 + T2 p)ψ 2q − L m i1q = Nếu ta giữ cho biên độ từ thông rotor ψ2 không đổi vector không gian ψ2 trùng với trục d ta có: ψ2q = 0; ψ2d = ψ2 = const M= kr.ψ2d.i1q = kr.T2.ωs.Lm i1d.i1q (vì ψ2d = Lm i1d) β q i1β i1 i1d Ψ2 i1q d i2α α i2 Hình 2-1: Định hướng từ thông hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d, q) Hệ điều khiển vector thể (hình 2.2) Trong sơ đồ phần lực gồm có động khơng đồng pha rotor lồng sóc biến tần Phần điều khiển gồm khối chủ yếu: Các sensor đo dòng pha động isa isb, máy đo tốc độ quay động cơ; khâu chuyển đổi dòng pha thành pha tương đương isα, isβ; khâu biến đổi tọa độ α - β → d - q dòng điện (DTĐi) khâu biến đổi tọa độ d - q → α - β điện áp (CTĐu); khâu MHD dùng điều để tính góc lệch vector từ thơng rotor với trục chuẩn (góc θe); khâu điều chỉnh dịng (ĐCD) dùng để tính thành phần theo trục d q điện áp cần cho động (usd usq); khâu điều chế vector không gian dùng để tính thời gian làm việc khóa IGBT khối nghịch lưu (ta, tb, tc); ω* giá trị đặt tốc độ góc; i* sd giá trị đặt thành phần theo trục d dòng điện, thành phần tạo từ thông rotor chọn số Từ sơ đồ (d, q) ta xây dựng đồ thị vector từ thông rotor sau: i Sd u Sd uSα u Sq eϑs uSβ ϑS a i Sd iSq ω i Sα eϑs i Sβ c b iS a iSc U*sq U cđ ω Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector Từ sơ đồ cấu trúc vector (hình 2-2) ta biến đổi đưa dạng sơ đồ (hình 2-3) i* id ω * i*lq Rω ω α,β d,q α,β a,b,c a i θs id α,β θ1 i lq θ a,b,c α,β d,q b c ia ib ic Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển vector (hình 2-3) ta biến đổi sơ đồ cấu trúc điều khiển vector (hình 2-4) E i*ld ω* Us Rl t C o i*lq ω R T(p) Co Ri ω W i (p) Is i ld Co i lq ωs p WL (p) t Co θ Jp M M kr ψ2 Hình 2-4: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vector Với giả thiết q trình làm việc giữ từ thơng rotor khơng đổi ψ2d=const có nghĩa giữ ngun dịng điện I1d = const, lúc ta điều chỉnh dòng điện I1d để tiến hành điều chỉnh momen (cách điều chỉnh giống điều chỉnh động điện chiều) Với hai mạch vịng, để điều chỉnh I1q điều chỉnh lượng vào mạch vòng tốc độ, lượng điều chỉnh tốc độ trị số điều chỉnh momen động Như thay đổi lượng vào tốc độ tức thay đổi tần số biến tần để thay đổi tốc độ động Trong sơ đồ (hình 2.4) Hàm truyền khâu lấy tín hiệu phản hồi dịng điện có dạng: WL (p) = T(p) = (1+ Tn p) Ku Tu P + Wi (P) = : Hàm số truyền biến tần biến tần : Hàm số truyền khâu điện từ động xoay chiều Ta P + Ma trận C0 ma trận quy đổi từ hệ tọa độ vector không gian (a, b, c) hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)  sin θ1    cos θ1     cos θ1 C = C C1 =   − sin θ − 1  6  2  − − Ngược lại C0 = ma trận quy đổi từ hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) hệ tọa độ vector không gian (a, b, c) Các ma trận quy đổi C0 C0t có phần tử thay đổi theo góc quay θ1 từ trường quay Ta nhận thấy: C0.C0t = I0 (với I0 ma trận đơn vị) Vì ta đơn giản hóa sơ đồ cấu chi tiết hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần động không đồng thành sơ đồ (hình 2-5) t C1t.C3t Et i*ld ω R I (p) * T(p) i*lq Us R I (p) Rω(p) W i ( p) ω i 1d W L (p) i1q W L (p) Jp M kr i1q Mc ψ Hình 2-5: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần động không đồng Qua phân tích ta thấy q trình biến đổi từ thơng ψ2d khơng đổi, i1d = const, cho lên động không đồng giống động chiều kích từ độc lập, ta cần khảo sát mạch thay đổi với hai tham số momen tần số Vì sơ đồ cấu trúc rút gọn (hình 2-6) E ω t Us * T(p) * lq i R ω (p) ω R I (p) R I (p) W i( p) i lq W L (p) Kw i 1d M Jp M kr c i 1q ψ k r Hình 2-6: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện sử dụng biến tần động không đồng Từ sơ đồ cấu trúc ta rút gọn hệ truyền động sử dụng biến tần động không đồng sau: WD (p) U*ω Rω(p) T(p) Ri (p) ω (p) W2 W1 (p) WL (p) kω Hình 2-7: Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điện sử dụng biến tần động không đồng 1.3 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số biến tần – động không đồng Từ sơ đồ cấu trúc (hình 2-7) ta thấy khâu Rω(p), Ri (p) điều khiển số lấy từ CPU S7-300 (hình 1-1) R ω (p) = R ω (Z) R i (p) = R i (Z) Ta nhận sơ đồ cấu trúc điều khiển số sau: U *ω U*i Rω(p) T Ri (p) H(p) T(p) WD (p) W (p) E n(p) T1 WL (p) kω Hình 2-8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số biến tần động không đồng 12 T WKI (Z) Rω (Z) Uω(Z) WB (Z) n(Z) Kω WKI (Z) = RI(Z) D3Z + D2 Z + D1Z + D0 = U1 (Z) E3 Z3 + E2 Z2 + E1.Z + E0 WB (Z) = WC(Z).Wω(Z) Và ta chọn điều khiển số tốc độ khâu tỷ lệ: Rω (Z) = Kω ta có: WB (P) = (2-10) K ω TC P Trong Rω, TC chọn theo động thay (xem phụ lục), sau biến đổi WB(P) WB(Z) ta có hàm số truyền hệ hở mạch vịng tốc độ là: W0ω(Z) = Rω(Z).WKI(Z).WB(Z) K0.Z D3Z3 + D2 Z2 + D1Z + D0 (2-11) W (Z)= K 0ω ω (Z −1) E3.Z3 + E2.Z2 + E1.Z + E0 Do vậy: W0ω (Z) = K0D3Z4 + K0D3Z3 + K0D2Z2 + K0D1Z + K0D0 E3.Z4 + (E2 − E3 )Z2 + (E1 − E2 ).Z2 + (E0 − E1)Z − E (2-12) Hàm truyền hệ kín mạch vịng tốc độ: W0ω (Z) = W (Z) = Kω 1+ W0ω (Z) K0D3Z4 + K0D2Z3 + K0D1Z2 + K0D0Z (K0D3 + E3)Z + (K0D2 + E2 - E3)Z3 + (K0D1 + E1 - E2 )Z2 + (K0D0 + E0 - E1)Z − E K0D3Z4 + K0D2Z3 + K0D1Z2 + K0D0Z n(Z) = F4Z4 + F3Z3 + F2Z2 + F Z + F0 Uω (Z) WKω (Z)= (2-13) Trong đó: F0= - E0 ; F1 = K0D0 + E0 – E1; F2 = K0D1 + E1 – E2 ; F3 = K0D2 + E2 – E3; F4 = K0D3 + E3 Xác định tính ổn định hệ thống 3.1 Xác định ổn định mạch vòng dòng điện Từ hàm số truyền đạt hệ kín mạch vịng dịng điện (2-9) WKi (Z)= D3Z3 + D2Z2 + D1Z + D0 E3.Z3 + E2Z2 + E1Z + E0 Ta có phương trình đặc tính: E3Z3 + E2Z2 + E1Z + E0 = V +1 Đổi biến Z = ta có: V −1  V +1  V +1  V +1 E3  + E2  + E1  + E0 V−1 V −1      V−1  (2-14) 13 ⇔ E (V + 1) + E (V + 1) (V − 1) + E (V + 1)(V − 1) + E (V − 1) = ⇔ (E3 + E2 + E1 + E0 )V3 + (3E3 + E2 − E1 − 3E0 )V2 + (3E3 − E2 − E1 + 3E0 )V + E3 − E2 − E1 − E0 )V = (2-15) Đặt: G0 = E3 + E2 + E1 + E0; G1 = 3E3 + E2 - E1 - 3E0 G2 = 3E3 - E2 - E1 + 3E0; G3 = E3 - E2 + E1 -E0 Ta có: G0V3 + G1V2 + G2V3 + G3 = (2-16) Ta xét ổn định cho mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn ổn định Routh lập bảng Routh: G0 G2 G1 G3 N0 N2 N1 Trong đó: N2 = G0 G1 G1 N0 = = G0 G2 G1 G3 G1 = G1G2 − G0G3 =0 G1 G1G2 − G0G3 =0 G1 (2-17) (2-18) G0 G3 G0 G2 N0G3 − G10 N0G3 (2-19) = = = G3 N0 N0 N0 Theo tiêu chuẩn ổn định Routh, mạch vòng dịng điện ổn định điều kiện cần đủ là: G0 > ; G1 > ; N0 > ; N1 > Vậy ta chọn hệ số Kp Ki cho điều khiển dòng điện số thời gian lượng từ T ta phải đảm bảo điều kiện Để kiểm tra Kp Ki có thỏa mãn điều kiện ổn định khơng ta tính tốn cụ thể 3.2 Xác định ổn định mạch vịng tốc độ Từ hàm truyền đạt kín mạch vòng tốc độ (2-9) N1 = WKω (Z)= K0D3 Z4 + K0 D2 Z3 + K0D1Z2 + K0D0 Z n(Z) = F4 Z4 + F3Z3 + F2 Z2 + F Z + F0 Uω (Z) Ta có phương trinh đặc tính: F4Z4 + F3Z3+ F2Z2 + F1Z + F0 = Đổi biến Z = V +1 ta có: V -1 (2-20) 14 V +1  V+1 V +1 V+1 F4  + E0 +F  + F2  + F3   V −1   V −1   V −1   V−1  ⇔(F4 + F3 + F2 + F0 )V4 + (4F4 + 2F3 − 2F − 4F0 )V3 + (6F4 − 2F2 + 6F )V2 (2-21) + (4F4 − 2F3 + 2F + 4F0 )V + F4 − F3 + F2 − F + F0 = 1 Đặt: Q0 = F4 + F3 + F2 + F1 + F1; Q1 =4F4 + 2F3 - 2F1 - 4F1 Q3 = 6F4 - 2F2 + 6F0; Q3 = 4F4 - 2F3 + 2F1 - 4F0 Q4 = F4 - F3 + F2 – F1 + F0 Suy ra: Q4Z4 + Q3Z3 + Q2Z2 + Q1Z + Q0 = (2-22) Ta xét ổn định cho mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn ổn định Routh, ta lập bảng Routh sau: Q0 Q2 Q4 Q1 Q3 R0 R2 R1 S0 Trong Q0 Q2 đó: R = Q1 Q3 = Q1Q2 − Q0Q3 = 0 Q1 Q1 Q1 Q3 − R0 R2 R0Q3 − R2Q1 R1 = = =0 R0 R0 − − R2 = Q0 Q4 Q1 Q5 Q1 = Q1Q4 −Q0Q5 Q1Q4 = = Q4 Q1 Q1 R0 R2 R R R R − R R R1R2 − R0 S0 = = = = R2 R1 R1 R1 (2-23) (2-24) (2-25) − (2-26) Theo tiêu chuẩn Routh, để mạch vịng tốc độ ổn định điều kiện cần đủ là: Q0 > ; Q1 > ; R0 > ; R1 > ; S0 > Vậy chọn hệ số Kω cho điều khiển tốc độ số thời gian lượng tử T ta phải đảm bảo điều kiện Các hệ số Ki Kp điều khiển dòng điện số ta chọn phần ổn định mạch vòng dòng điện Để kiểm tra Kω T có thỏa mãn điều kiện ổn định khơng, ta tính tốn kiểm tra cụ thể phần [phụ lục II] 15 Tính tốn khảo sát cho hệ truyền động biến tần – động không đồng ba pha Thông số động biến tần – động không đồng ba pha, Encoder khâu khác hệ thể [phụ lục II] 4.1 Xét ổn định mạch vòng dòng điện * Tính tốn thơng số G(z) Từ thơng số Ku, Tc, Tu [phụ lục II] ta thay giá trị vào công thức (2-3) F (s) = K u Tc (1 + Tu ) (1 + Tc P + Ta Tc P ) Biến đổi F(s) dạng tìm F(z) tra bảng biến đổi Z tính tốn thơng số K1, K2, K3, A1, A2, A3 đặt kèm theo [phụ lục II ] nên: G(z) = (1 - Z -1 ).F (z) = Z −  K 1.Z K Z K Z  − +   Z  Z + A Z + A2 Z + A3   K Z K Z K Z  G(z) = (1 - Z)  − +   Z + A Z + A Z + A3  * Tính thơng số bội Ri (Z) Ta chọn luật điều khiển PI R 1( z) = K p + K i T(Z + 1) P0 + P1 Z = 2(Z − 1) Z −1 Thay số vào phương trình để tìm P0, P1 ; P0 = K i T - 2K p P1 = 2K p + K i T Các thơng số K1, T, Kp [phụ lục II] ta tìm P0 , P1 thay vào cơng thức tìm Ri(z) kết [phụ lục II] Từ xây dựng sơ đồ khối toàn khối hệ thống sau: U1 (Z ) P + P1 Z Z −1 RI(Z) G(z) * Tính thơng số hàm W0(Z) Từ sơ đồ khối ta có hàm số truyền hệ hở sau: W0 ( z ) = ( P0 + P1Z ) B Z + B1.Z + B Z + C Z + C1.Z + C Để tìm B0, B1, B2, B3, C0, C1, C2 ta thay số hệ K1 ; K2; K3; A1; A2; A3; tính tốn [phụ lục II] vào kết B0, B1, B2, B3, C0, C1, C2 [phụ lục II]; W0 ( z ) = D Z + D1 Z + D Z + C Z + C1.Z + C Suy từ hàm số truyền Trong đó: D0 = P0.B0; D1 = P0 B1 + P1 B1; D2 = P0B2 + P2B2; D3 = P1B2 16 Tiếp tục thay B0, B1, B2, B3, C0, C1, C2 kết tìm D0, D1, D2, D3 theo [phụ lục II] * Tính thơng số hàm truyền đạt kín WKI(Z) Từ hàm số truyền hệ kín mạch vịng dịng điện (2-9) cách tính: E0 = C0 + D0; E1 = C1 + D1; E2 = C2 + D2 ; E3 = + D3 Ta thay số C0, C1, C2, D0, D1, D2, D3 theo [phụ lục II] vào tìm thơng số E0, E1, E2, E3 kết [phụ lục II]: Qua biến đổi Z ta có phương trình (E3 + E2 + E1+ E0)V3 + (3E3 + E2 - E1-3E0)V2 + (3E3 - E2 - E1+ 3E0)V + E3 - E2 + E1- E0 = Đặt: G0 = E3 + E2 + E1 + E0 ; G1 = 3E3 + E2 - E1 - 3E0 G2 = 3E3 - E2 - E1 + 3E0; G3 = E3 - E2 + E1 -E0 Thay số tính tốn kết G0, G1, G2, G3 [phụ lục II] thay hệ số G vào công thức: G0V3 + G1V2 + G2V3 + G3 = 0để xét ổn định mạch vòng dòng điện * Xét ổn định mạch vòng dòng điện Trên sở thông số G0 , G1, G2, G3 ta xét ổn định cho mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn ổn định Routh lập bảng Routh tính N0, N2, N1; G0 G2 G1 G3 N0 N2 N1 Cách tính giá trị N0, N2, N1 [phụ lục II] : G0 G2 G G G G −G G N0 = = > G1 G1 G G G0 ; N = G1 = G1G2 − G0G3 > ; N = G0 G2 =N0G3 −G10=N0G3 =G >0 G1 G1 N N N Theo tiêu chuẩn ổn định Routh, mạch vòng dòng điện ổn định điều kiện cần đủ là: G0 > ; G1 > ; N0 > ; N1 > ; Từ kết G0, G1, N0, N1 [phụ lục II] đối chiếu tiêu chuẩn Routh ta thấy thỏa mãn điều kiện Do ta chọn hệ số Kp Ki cho điều khiển dòng điện số thời gian lượng tử T ta phải đảm bảo điều kiện 4.2 Xét ổn định mạch vịng tốc độ * Tính thơng số hàm WKω(Z) Từ số liệu tính tốn chọn: T= 0,00165; Kp= 0,25; Ki= 42; Kω = 0,0006; Tc =0,02(s) Ta tổng hợp mạch vòng tốc độ theo sơ đồ khối: 17 T W (z) ω Uω (Z) WKI(z) WB (z) n(Z) WKI(Z) hàm số truyền kín mạch vòng dòng điện RI(Z) D3Z3 + D2 Z2 + D1Z + D0 ; WB (Z) = WC(Z).Wω(Z) W (Z) = = KI U1 (Z) E3 Z3 + E2 Z2 + E1.Z + E0 Và ta chọn điều khiển số tốc độ khâu tỷ lệ: Rω (Z) = Kω ta có: WB (P) = K ω Tc P Trong Rω, TC chọn; WB (P) = 384,62 = Kω Tc P P Qua phép biến đổi Z ta có WB (Z) = 384,62Z Z -1 Vậy hàm truyền hở mạch vòng tốc độ là: W0ω(Z) = Rω(Z).WKI(Z).WB(Z) W0ω (Z) = Kω 384,62.Z D3Z3 + D2Z2 + D1Z + D0 (Z −1) E3.Z3 + E2.Z2 + E1.Z + E0 Đặt K0 = 383,62.Kω ; W0ω (Z) = K0D3Z4 + K0D2Z3 + K0D1Z2 + K0D0Z E3.Z + (E2 - E3 )Z3 + (E1 - E2 ).Z2 + (E0 - E1 )Z- E0 Hàm truyền hệ kín mạch vịng tốc độ WKω (Z)= W0ω (Z) = 1+ W0ω (Z) K0D3Z4 + K0D2Z3 + K0D1Z2 + K0D0Z (K0D3 + E3 ).Z + (K0D2 + E2 - E3 )Z3 + (K0D1 + E1 - E2 ).Z2 + (K0D0 + E0 - E1)Z- E0 WKω = K0D3Z4 + K0D2Z3 + K0D1Z2 + K0D0Z n(Z) = F.Z4 + F3Z3 + F2.Z2 + F1.Z - E0 Uω (Z) Trong F0 = -E0; F1 = K0D0 +E0 – E1; F2 = K0D1 +E1 – E2 F3 = K0D2 +E2 – E3 ; F4 = K0D3 +E3 – E3 Thay kết E0, E1, E2, E3, vào công thức ta kết F0, F1, F2, F3, F4 [phụ lục II] * Tính tốn thơng số truyền đạt hệ kín mạch vịng tốc độ Từ hàm số truyền đạt kín mạch vịng tốc độ (2-20) có phương trình đặc tính: F4Z4 + F3Z3 + F2Z2 + F1Z + F0 = Thay số F1, F2, F3, F4 tính tốn [phụ lục II] thay vào cơng thức cho khơng, sau Đổi biến Z= V -1 ta có: F  V -1 + F  V -1 + F  V -1 + F  V -1 + F = V -1  V -1    V -1    V -1    V -1   Suy ra: (F4+F3+F2+F1+F0)V + (4F4 +2F3- 2F1- 4F0)V + (6F4 - 2F2+6F0)V2 + (4F4 -2F3+2F1- 4F0)V+F4 - F3+ F2- F1 + F0 = 18 Đặt: Q0 = F4 + F3+F2+F1+F0; Q2 = 6F4 - 2F2+6F0 ; Q4 = F4 - F3+ F2- F1 + F0 Q1 = 4F4 +2F3- 2F1- 4F0 Q3= 4F4 -2F3+2F1- 4F0 Thay số theo phụ lục ta tính kết Q0, Q1, Q2, Q3, Q4 [phụ lục II] * Xét ổn định mạch vòng tốc độ Để xét ổn định cho mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn ổn định Routh, lập bảng Routh sau: Q0 Q2 Q4 Q1 Q3 R0 R2 R1 S0 Thay số Q0, Q1, Q2, Q3, Q4 [phụ lục II] vào tìm giá trị R0, R2, R1, S0 [phụ lục II]: Q0 Q2 Q Q Q Q −Q Q R0 = = > Q1 Q1 − − − R2 = Q0 Q4 Q1 Q5 Q1 R1 = Q1 Q3 R0 R R0Q3 − R 2Q1 = >0 R0 R0 R0 R2 R1 R3 R1R2 − R0R4 R1R2 − R0 Q Q −Q Q Q Q = = = R2 > = = = Q4 > S0 = R1 R1 R1 Q1 Q1 − Theo tiêu chuẩn Routh, để mạch vịng tốc độ ổn định điều kiện cần đủ là: Q0 > ; Q1 > ; R0 > ; R1 > ; S0 > Từ kết tính tốn Q0, Q1, R0, S0 [phụ lục II] đối chiếu tiêu chuẩn Routh ta thấy thỏa mãn điều kiện Do chọn hệ số Kω cho điều khiến tốc độ số thời gian lượng tử T ta phải đảm bảo điều kiện Khảo sát chất lượng hệ thống phần mềm Matlab Sumulink 5.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 5.1.1 Chuyển đổi hàm số truyền mạch vòng dòng điện sang hàm số truyền theo Z Từ sơ đồ khối mạch vòng dòng điện bỏ qua ảnh hưởng sức điện động Hàm số truyền đạt đối tượng điều khiển mạch vòng dòng điện G i (P) = K t Bi (1 + Ta P)(1 + TΣi P).R a 19 Đặt : K t Bi A = A; TΣi Ta = B; TΣi + Ta = C ; G i (P) = Ra BP + C.P + Sau tính tốn từ thông số động chọn [phụ lục II] Dùng lệnh sysc = tf để có hàm truyền theo P, sau dùng lệnh sysc = c2d để tìm hàm gián đoạn với chu kỳ trích mẫu = 0.0002 (s) sau: >> sysc = tf([0.874],[1.28*10^-4 0.0383 1]) - Khai báo thông số G(p) a - Hàm truyền theo p Transfer function: ∧2 α P + ρ p + >> sysc = c2d(sysc,0.0002) - Gián đoạn H(s) Transfer function: a'z + b z ∧ - c ' z + d Sampling time: 0.0002 - Chu kỳ trích mẫu Hàm truyền điều chỉnh theo luật PI R i (Z) = K p + K i (Z + 1) Z -1 Hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện theo Z W Hi (Z) = R i (Z) (a" Z + b' ) (Z ∧ − c' + d' ) 5.1.2 Sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mô hệ thống Sơ đồ mơ mạch vịng dịng điện theo Matlab Sumulink (hình 2-9), hàm WHi (Z) hàm Ri(Z) theo [phụ lục II] In Puls e Gen erator i W H i (Z) Out In dongdien Discrete Bo D /Cso ngd ien R i (Z) Transter F on Scope Hình 2-9: Sơ đồ mơ mạch vịng dòng điện theo Matlab Sumulink Sau thay đổi thơng số tính tốn tiến hành sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mô hệ thống ta kết mơ (hình 2-10a hình 2-10b) 20 Hình 2-10a : Đáp ứng dịng điện với kp = 0,25; ki = 50; T= 0,5Tu = 0,002 Hình 2-10b : Đáp ứng dòng điện với kp = 0,25; ki = 42; T= 0,5 Tu = 0,00165 Kết mô mạch vòng dòng điện cho thấy đáp ứng dòng điện đạt yêu cầu hệ thống: + Độ điều chỉnh δ% >20% + tqd = 0,025 s + Sai lệch tĩnh = 4% 5.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 5.2.1 Từ sơ đồ khối mạch vòng tốc độ Sau tổng hợp mạch vòng dòng điện, đối tượng điều khiển mạch vòng tốc độ có hàm truyền: G n (P) = WKI Đặt: R a Bn Tc K e B i P R aBn E E = E ; G n (P) = = Tc K e B i P (1 + TΣn P).P P + TΣn P).P Theo thông số động [phụ lục II] Dùng lệnh sysc=tf để có hàm theo P, sau dùng lệnh sysc=c2d để tìm hàm gián đoạn với chu kỳ trích mẫu = 0.004(s) sau: >> sysc = tf([14.23],[0.0174 1]) a Transfer function: ∧2 cp + p >> sysc = c2d(sysc,0.004) a' z + b Transfer function: ∧2 ' z - c z + d Sampling time: 0.004 Hàm truyền điều chỉnh theo luật PI R n (Z) = K pn + K n (Z + 1) Z -1 Hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện theo Z 21 WHn (Z) = K pn (Z) (a" Z + b' ) (Z ∧ − c' + d' ) 5.2.2 Sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mơ hệ thống Sơ đồ mơ mạch vịng tốc độ theo Matlab Sumulink (hình 211), hàm WHn(Z) Ri(Z) theo [phụ lục II] In WHn (Z) Out1 n Discrete Step tocdo In Bo D/Cso tocdo Transter F on Rn(Z) Scope Hình 2-11: Sơ đồ mơ mạch vòng tốc độ theo Matlab Sumulink Sau thay đổi thơng số tính tốn tiến hành sử dụng phần mềm Matlab Sumulink mô hệ thống ta kết mơ (hình 2-12a hình 2-12b) Hình 2-12a: Đáp ứng tốc độ với kp= 0,25; ki = 42; kω= 0,0006; T=0,5Tu=0,00165 Hình 2-12b: Đáp ứng tốc độ với kp= 0,25; ki = 50; kω= 0,00058; T=0,5Tu= 0,002 Kết mơ mạch vịng tốc độ cho thấy đáp ứng dòng điện đạt yêu cầu hệ thống: + Độ điều chỉnh δ% >26% + tqd = 0,6 s + Sai lệch tĩnh = 22 CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM Nội dung chương trình bày hệ thống truyền động thí nghiệm, nghiên cứu nguyên lý làm việc tiến hành thí nghiệm chế độ làm việc khác Giới thiệu thiết bị thí nghiệm Trong chương I, giới thiệu sơ đồ cấu trúc hệ truyền động (hình 1-1) bao gồm: Động không đồng ba pha; Biến tần M420; điều khiển PID dùng PLC S7-300; mạch vịng phản hồi tốc độ dùng Encoder Để thí nghiệm việc điều khiển giám sát hệ truyền động phải dùng máy tính Hình 3-1: Sơ đồ khối hệ truyền động Và sơ đồ lắp ráp thiết bị xây dựng mơ hình thực nghiệm (hình 3-2) Hình 3-2: Các thiết bị mơ hình thực nghiệm Ngun lý làm việc Với sơ đồ khối (hình 3-1) trình thí nghiệm thực nghiệm sau: - Để thí nghiệm ta thay PID số S7-300 với điều khiển P PI để đặt đầu vào phải lập chương trình điều khiển cài đặt máy tính - Tín hiệu máy tính tín hiệu điều khiển hệ thống truyền động Vậy thay đổi lượng đặt đưa vào máy tính lượng tốc độ động thay đổi - Kết thể hình máy tính 3.Thí nghiệm 23 Trong phần thí nghiệm tiến hành với hai thí nghiệm: - Bài thí nghiệm thứ 1: khâu P - Bài thí nghiệm thứ 2: khâu PI 3.1 Bài thí nghiệm (khâu P) - Kết thí nghiệm (hình 3-3) Hình 3-3 Kết thí nghiệm khâu P - Đường màu xanh: Tín hiệu điều khiển biến tần - Đường màu đỏ: Đường tốc độ động - Đường màu đen: Đường tốc độ đặt 3.2 Bài thí nghiệm (khâu PI) Thay P số PI số, kết thí nghiệm (hình 3-4) Thời gian độ đánh giá kết quả: Hình 3-4: Kết thí nghiệm khâu PI - Đường màu xanh: Tín hiệu điều khiển biến tần - Đường màu đỏ: Đường tốc độ động 24 - Đường màu đen: Đường tốc độ đặt Đánh giá: Trong hệ thí nghiệm này, biến tần giữ vai trị quan trọng việc giữ ổn định momen nên ta không cần sử dụng mạch vòng phản hồi dòng điện, mà cần dùng phản hồi tốc độ So sánh đánh giá kết thí nghiệm với tính tốn Để so sánh đánh giá kết thí nghiệm với tính tốn kiểm nghiệm lý thuyết, thí nghiệm sử dụng P lý thuyết tính tốn dùng P Kết thí nghiệm: + Độ điều chỉnh δ% >60% + Thời gian độ tqđ = 0,5 (s) Kết tính tốn: + Độ q điều chỉnh δ% >20% + Thời gian độ tqđ = 0,6 (s) Kết cho thấy thời gian độ thí nghiệm 0,5(s) so với tính tốn 0,6(s); Độ q điều chỉnh tính tốn 20%, so với kết thí nghiệm 26% So với thí nghiệm q trình tính tốn bỏ qua số khâu số nhỏ tính tốn Như kết thí nghiệm tính tốn đồng với Ứng dụng Với kết đề tài, ứng dụng hệ truyền động để truyền động cho máy sản xuất: Như chuyển động quay trực tiếp máy mài, cân băng định lượng, truyền động cho cầu trục nhiều máy khác công nghiệp Đồng thời truyền động ứng dụng thay truyền động điện từ cũ, tạo hệ truyền động thơng minh có chất lượng cao Thực tế hệ truyền động biến tần động xoay chiều ba pha điều khiển PLC sử dụng phổ biến thực tế 25 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Để thực trình đề tài gặp nhiều khó khăn: - Đối với trình thí nghiệm: Thiết bị thiếu, chưa quen thiết bị, thiết bị chưa đồng bộ, tài liệu trình bày nguyên lý chưa rõ ràng; phải phụ thuộc thời gian làm việc phịng thí nghiệm; - Về mặt lý thuyết: Hệ truyền động biến tần động xoay chiều điều khiển PID S7-300 hệ điều khiển khó, tài liệu tham khảo tính tốn cịn thiếu, việc tính tốn hệ thống truyền động hệ thống truyền động số nên phức tạp Mặc dù có khó khăn trên, song với lỗ lực thân, giúp đỡ thầy giáo hướng dẫn thầy (cơ) phịng thí nghiệm, luận văn hồn thành kế hoạch cho kết sau: - Về thí nghiệm: Với mục tiêu đề thực thành cơng kết thí nghiệm rõ chương - Về mặt lý thuyết tính tốn khảo sát mô để đánh giá chất lượng, kết mô thể chương đường cong chất lượng thể hình 2-9a; hình 2-9b; hình 2-11a hình 2-11b Đề xuất ứng dụng hệ truyền động để truyền động cho số máy sản xuất như: Chuyển động quay trực tiếp máy mài, truyền động cân băng định lượng, truyền động cho cầu trục nhiều máy khác công nghiệp./ 26