Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ một chiều với điều khiển vị trí tối ưu thời gian

Mục lục Lời nói đầu Cùng với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, truyền động điện có vai trò quan trọng phát triển xã hội Truyền động điện làm tăng suất lao động chất lượng sản phẩm Để đáp ứng yêu cầu thực tế hệ truyền động điện có khả tự động điều khiển độ xác ngày cao đời Do yêu cầu môn học nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế hệ thống truyền động, góp phần hoàn thiện củng cố kiến thức môn học nên em thầy giao cho đề tài: “Xây dựng điều khiển vị trí cho động chiều với điều khiển vị trí tối ưu thời gian” Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Tâm Thành, thầy cô giáo khoa Điện - Điện tử tàu biển, người tận tình giúp đỡ em suốt thời gian vừa qua để em hoàn thành thiết kế Trong trình thiết kế tồn sai sót, mong thầy cô giáo góp ý để thiết kế em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Chương1: Tổng quan động chiều vấn đề áp dụng điều khiển tối ưu thời gian để điều khiển vị trí cho động 1chiều 1.1.Cấu tạo chung động chiều kích từ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập bao gồm phần chính: phần tĩnh phần động 1.Phần tĩnh (Stato) Đây phần đứng yên máy, bao gồm phận sau: a, Cực từ chính: phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến mm ép lại tán chặt Trong động điện công suất nhỏ dung thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bu lông Dây quấn kích từ quấn dây đồng cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với Hình 1.1 Cực từ b, Cực từ phụ: cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ làm thép khối than cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bu lông c, Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện vừa nhỏ thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc d, Các phận khác: -Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người vận hành Trong máy điện công suất nhỏ vừa nắp máy có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Phần quay (Rôto) Hình 1.2: Lá thép rôto Hình 1.3: Dây quấn phần ứng Bao gồm phận sau: a, Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ Thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng mặt ép chặt lại để giẩm tổn hao dòng điện xoáy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên người ta dập lỗ thong gió để ép lại thành lõi sắt tạo thành lỗ thông gió dọc trục b Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất vài Kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa lớn thường có dây tiết diện chữ nhật Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép c Các phận khác -Cánh quạt: dùng để làm nguội máy Máy điện chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trục máy, động quay cánh quạt hút gió từ vào động Gió qua vành góp, cực từ lõi sắt dây quấn qua quạt gió làm nguội máy -Trục máy: đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm thép cacbon tốt 1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều Trên hình 1.4 cho điện áp chiều U vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dòng điện Các dẫn ab cd mang dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng tương hỗ lên tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a) Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc động điện chiều Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ (hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, lực tác dụng lên rôto theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay không đổi Chế độ làm việc định mức máy điện nói chung động điện chiều nói riêng chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức Công suất định mức Pđm (kW hay W) Điện áp định mức Uđm (V) Dòng điện định mức Iđm (A) Tốc độ định mức nđm (vòng/ph) Ngoài ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ… Chú ý: Công suất định mức công suất đưa máy điện Đối với máy phát điện công suất đưa đầu cực máy phát, động công suất đưa đầu trục động 1.3 Đặc tính động điện chiều Tùy theo cách kích thích từ, động điên chiều có tính khác biểu diễn đặc tính làm việc, đặc tính khác Trong đặc tính đó, quan trọng đặc tính Đặc tính dùng để xác định điểm làm việc xác lập khảo sát điểm làm việc ổn định hệ thống truyền động điện Đặc tính động điện mặt phẳng tọa độ tốc độ với mômen ω = f(M).Trong đồ án thiết kế ta quan tâm tới loại động chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính Khi động làm việc, rôto mang cuộn ứng quay từ trường cuộn cảm nên cuộn ứng lại xuất sức phản điện động có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động Phương trình đặc tính mạch phần ứng động cơ: U = E + I ( R + Rf) Hình 1.5: Sơ đồ khối động chiều kích từ độc lập Trong đó: + U : điện áp phần ứng (V) + E: sức điện động phần ứng (V) + R: điện trở mạch phần ứng (Ω) + Rf : điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) + Iư : dòng điện mạch phần ứng (A) Sức điện động Eư phần ứng động tỷ lệ với tốc độ quay rôto: E= k.ɷ.Φ Trong đó: + k= pN 2πa hệ số cấu tạo động +Φ: từ thông qua cực từ (Wb) ω= +ɷ: tốc độ góc rôto, n 9,55 (rad/s) + p: số đôi cực từ + N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng + a: số đôi mạch nhánh song song + n: tốc độ quay (v/p) Mặt khác, mômen điện từ động cơ: →I = Mđt = k.Φ.Iư M dt kΦ Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép Mcơ = Mđt = M Từ phương trình ta có: Phương trình đặc tính động điện chiều: ω= ω= R + Rf U − M k.Φ ( k.Φ ) U R − M k.Φ ( k.Φ ) Khi toàn thông số điện động định mức không mắc thêm điện trở phụ vào mạch điện trở phụ vào mạch điện trở phương trình đặc tính trở thành: Đặc tính phương trình gọi đặc tính tự nhiên Tốc độ ɷ0 = Uư /k.Φ tốc đọ không tải lý tưởng Khi phụ tải tăng dần từ Mc = đến Mc= Mđm tốc độ động giảm dần từ ɷ0 xuống ɷđm nên phương trình đặc tính có dạng: R Với : Δɷ = ( kΦ ) độ sụt tốc đặc tính Đặc tính cơ: Giả thiết phần ứng bù đủ, từ thông Φ = const phương trình đặc tính động chiều kích từ độc lập tuyến tính có dạng hàm bậc y = ax + b nên đường biểu diễn hệ tọa độ đương thẳng cắt trục 0ɷ ɷ0 với độ dốc âm o ®m §TTN M M®m Hình 1.6: Đặc tính tự nhiên Khi ɷ = ta có I = U = I nm R + Rf Và M = K.Φ.Inm = Mnm Inm Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mômen ngắn mạch Ngoài phương trình đặc tính viết dạng: ω= U RI − = ω0 − ∆ω K.φ Kφ ω= U RM − = ω0 − ∆ω K.φ ( K.φ ) ω0 = Trong R = Rư + Rf ∆ω = U K.φ R R I = M K.φ K φ ( ) Δɷ gọi độ sụt tốc độ tương ứng với giá trị M 1.3 Các nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí Ngày nay, hệ điều khiển vị trí đặc biệt hệ điều khiển Robot công suất lớn, hệ truyền động điện chiều kiểu T- Đ ngày ứng dụng rộng rãi đảm bảo tốt tiêu chí tĩnh động hệ thống, dễ dàng thực truyền động có công suất lớn tính bền vững cao Tùy thuộc vào cấu mà công suất truyền động nằm dải rộng từ vài chục W đến hang trăm kW Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt φ w) có ý nghĩa quan trọng định cấu trúc điều khiển hệ.Thông thường lượng điều khiển φw hàm thời gian, hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính tuyến tính đoạn theo thời gian, hàm parabol hàm điều hòa Tùy thuộc vào lượng điều khiển vị trí chuyển dịch tiêu chất lượng chung người ta quan tâm nhiều đến tốc độ tác động nhanh hệ Điều có lien quan đến giản đồ tối ưu tốc độ ɷ(t), gia tốc ε(t),và vị trí φ(t) Để xây dựng điều khiển người ta dựa qui luật tối ưu tác động nhanh truyền động điện việc nghiên cứu quĩ đạo pha chuyển động Cấu trúc chung hệ điều khiển vị trí gồm mạch vòng từ là: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ mạch vòng vị trí hình 1.3 Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc chung hệ điều chỉnh vị trí sử dụng hệ chấp hành T- Đ Trong đó: RI: Bộ điều khiển dòng điện Rɷ: Bộ điều khiển tốc độ Rφ: Bộ điều khiển vị trí ĐC: động chiều kích từ độc lập Ki, Kɷ, Kφ: Các hệ sô khuếch đại Ti,Tɷ, Tφ: Các số thời gian FT: Máy phát tốc 10 Hình 2.9: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn Hàm truyền khâu đo tốc độ có dạng: Kω + Tω p Vậy đối tượng điều khiển tốc độ tính là: Sω = Kω KI Cu + 2TSI p + Tω p J p ⇒ Sω = Kω Cu K I J p(1 + 2TSω p ) với 2TSω = 2TSI + Tω Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: Rω = S 2.τ p(1 + τ p) ⇒ Rω = Chọn Kω Cu 2τ p.(1 + τ p) K I J p(1 + 2TSω p) τ = 2TSω 21 ⇒ Rω = ⇒ Rω = Kω Cu 4.TSω p.(1 + 2TSω p ) K I J p(1 + 2TSω p) K I J 4.Kω Cu TSω Vậy điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển P Theo tiêu chuẩn này, hàm truyền kín mạch vòng tốc độ có dạng: Fω ( p) = Kω + 2τ p + 2τ p 1 Kω Kω ⇒ Fω ( p ) = ≈ 2 + 4TSω p + 8TSω p + 4TSω p 2.5.Tổng hợp điều khiển vị trí Ta có hàm truyền kín mạch vòng tốc độ sau: Fω ( p ) ≈ Kω + 4TSω p k p Khâu truyền lực: Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí: Sϕ = Kϕ Kω k + 4TSω p + Tϕ p p Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: 22 Rϕ = S 2.τ p.(1 + τ p) ⇒ Rϕ = Kω k 2.τ p.(1 + τ p) + 4TSω p + Tϕ p p Chọn τ = Tϕ ⇒ Rϕ = 1 Kϕ Kω k 2.Tϕ p.(1 + Tϕ p ) + 4TSω p + Tϕ p p ⇒ Rϕ = Kω + 4.TSω p 2.k Kϕ Tϕ ( ) Vậy điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển PD Sau tổng hợp điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều kích từ độc lập sau: Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều kích từ độc lập 23 Chương 3: Mô Matlab Simulink 3.1.Tính toán thông số  Thông số cho trước: Pdm = 25 KW Udm = 220 V Idm = 132 A ndm = 1500 v/p Ru = 0,0966 Ω Lu = 0,0063 H kg.m2 J = 1,2 Tỉ số truyền: i = 10 Đường kính: D = 700 mm = 0,7 m Chọn: TI = 0,002 s Tω = 0,001 s Tbd = 0,0015 s Tv = 0,003 s Tϕ  = 0,3 s Tính toán thông số: 24 ω= - Tốc độ góc: 2π n 2π 1500 = = 157,1( rad / s) 60 60 U dm − I dm Ru 220 − 132.0, 0966 = = 1,3 ω 157,1 Kφ = Cu = - - Từ thông: Momen định mức: M dm = Kφ I dm = 1,3.132 = 172( N m) Tu = - Hằng số thời gian phần ứng: Lu 0, 0063 = = 0, 066( s ) Ru 0, 0966 1 Ru 10,35 0, 0966 WD ( p) = = = + Tu p + 0, 066 p + 0, 066 p - Hàm truyền động cơ: - Hàm truyền biến đổi: Chọn Udat = 10 (V) kbd = U dm 220 = = 22 U dat 10 WBBD ( p ) = - kbd 22 = (1 + TV p)(1 + Tbd p) (1 + 0, 003 p)(1 + 0, 0015 p) Bộ điều khiển dòng: TSI = TBD + TV + TI = 0, 0015 + 0, 003 + 0, 002 = 0, 0065( s ) KI = U dat 10 = = 0, 076 I dm 132 RI = Ru Tu 2.K I K BD TSI   0, 0966.0, 066   1 + 1 + ÷= ÷  Tu p  2.0, 076.22.0, 0065  0, 066 p  25 ⇒ RI = 0, 293 + 4, 444 - Bộ điều khiển tốc độ: TSω = Kω = 2TSI + Tω = 2.0,0065 + 0, 001 = 0, 007( s ) U dat 10 = = 0, 064 ω 157,1 ⇒ Rω = - p K I J 0, 076.1, = = 39,148 4.Kω Cu TSω 4.0, 064.1, 3.0, 007 Bộ điều khiển vị trí: Chọn: L = 35 (m) D = 0,7 (m) ϕ= → R = 0,35 (m) L 35 = = 100(rad ) R 0,35 Kϕ = U dat 10 = = 0,1 ϕ 100 Hệ số khuếch đại truyền lực: ⇒ Rϕ = 1 k= = i 10 Kω 0, 064 + 4TSω p = ( + 4.0, 007 p ) 2.k Kϕ Tϕ .0,1.0, 10 ( ) ⇒ Rϕ = 10, 67 + 0, 299 p 26 WI ( p ) = - Khâu đo dòng: KI 0, 076 = + TI p + 0, 002 p WFT ( p) = - Khâu đo tốc độ: Wϕ ( p ) = - Khâu đo vị trí: Kω 0, 064 = + Tω p + 0, 001 p Kϕ + Tϕ p = 0,1 + 0,3 p 3.2 Kết mô Từ thông số tính toán được, ta có sơ đồ mô hệ điều khiển vị trí kết mô với nhiễu tải khác Simulink: Kết mô động : Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc mô động 27 Hình 3.2 : Kết mô Kết mô với nhiễu tải khác nhau:  Với MC = o Dòng điện: Hình 3.3: Kết mô dòng điện với Mc = 28 o Tốc độ: Hình 3.4: Kết mô tốc độ với Mc = o Vị trí: Hình 3.5: Kết mô vị trí với Mc =  Với MC = 80 o Dòng điện: 29 Hình 3.6: Kết mô dòng điện với Mc = 80 o Tốc độ: Hình 3.7: Kết mô tốc độ với Mc = 80 o Vị trí: 30 Hình 3.8: Kết mô vị trí với Mc = 80  Với MC = 172 o Dòng điện: Hình 3.9: Kết mô dòng điện với Mc = 172 31 o Tốc độ: Hình 3.10: Kết mô tốc độ với Mc = 172 o Vị trí: Hình 32: Kết mô vị trí với Mc = 172 Nhận xét: 32 Với vị trí, kết mô hệ thống điều khiển vị trí cho động chiều kích từ độc lập với nhiễu tải khác tương đối tốt Kết mô với nhiễu tải M C = 0, MC = 80, MC = 172 cho thấy có thay đổi dòng điện, thay đổi lớn tốc độ vị trí 33 Kết luận Sau trình học tập nghiên cứu với hướng dẫn thầy Phạm Tâm Thành em hoàn thành nhiệm vụ giao đồ án : “Xây dựng điều khiển vị trí cho động chiều với điều khiển vị trí tối ưu thời gian” Các nhiệm vụ là: - Xây dựng mô hình động chiều kích từ độc lập Xây dựng mô hình điều khiển truyền động động Tính chọn điều khiển Mô đáp ứng Simulink với nhiễu tải khác đánh giá kết Trong trình thực hiện, kiến thức hạn chế làm em không tránh khỏi sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo: 34 “Điều chỉnh tự động truyền động điện”- Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2006 35 [...]... nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy Phạm Tâm Thành em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao trong bản đồ án : Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ một chiều với điều khiển vị trí tối ưu thời gian Các nhiệm vụ đó là: - Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập Xây dựng mô hình điều khiển truyền động động cơ Tính chọn các bộ điều khiển Mô phỏng đáp ứng trên Simulink với các nhiễu tải... 4.TSω p 2.k Kϕ Tϕ ( ) Vậy bộ điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn module tối ưu là bộ điều khiển PD Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích từ độc lập 23 Chương 3: Mô phỏng trên Matlab và Simulink 3.1.Tính toán thông số  Thông số cho trước: Pdm = 25 KW... hóa động cơ một chiều kích từ độc lập Tc = JR Cu 2 Gọi là hằng số thời gian điện cơ, ta có mô hình dòng điện của động cơ một chiều như trên hình 2.4 2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển Trong hệ điều chỉnh vị trí có ba mạch vòng: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ, mạch vòng vị trí Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảo chiều được 15 Hình 1.7 là sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ một. .. vòng điều chỉnh 2.1 .Xây dựng mô hình toán động cơ một chiều kích từ độc lập Cho đến nay động cơ một chiều vẫn còn dùng phổ biến trong hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài W đến hàng MW Sơ đồ mạch thay thế động cơ mộy chiều kích từ độc lập được đưa ra như trên hình 1.2 Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập Phần ứng được biểu diễn bởi một. .. phỏng tốc độ với Mc = 172 o Vị trí: Hình 32: Kết quả mô phỏng vị trí với Mc = 172 Nhận xét: 32 Với cùng một vị trí, kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí cho động cơ một chiều kích từ độc lập với các nhiễu tải khác nhau là tương đối tốt Kết quả mô phỏng với các nhiễu tải M C = 0, MC = 80, MC = 172 cho thấy có sự thay đổi về dòng điện, nhưng không có sự thay đổi lớn về tốc độ và vị trí 33 Kết luận... trị đặt trước sự tác động của nhiễu Hình 2.6: Cấu trúc mạch vòng dòng điện Đối với động cơ một chiều, bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo 2 cách: - Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng - Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi tính đến suất điện động phần ứng Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so với quán tính điện, nghĩa là tại một thời điểm có thể xem... vị trí sử dụng động cơ một chiều t ϕ = ϕ 0 + ∫ ωdt Quan hệ giữa ɷ và φ: (1 − 15) o Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí 16 2.3 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện Mạch vòng điều khiển dòng điện có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển động cơ điện một chiều, nó cũng làm hạn chế dòng của động cơ không vượt quá ngưỡng cho phép Mặt khác, nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập dòng phần... 1÷  Tu p  Vậy bộ điều khiển dòng tổng hợp theo tiêu chuẩn module tối ưu là bộ điều khiển PI Theo tiêu chuẩn này thì hàm truyền kín của mạch vòng dòng có dạng: F= I ph I u K I 1 = = 1 + 2τ p + 2τ 2 p 2 I sp I sp 1 Iu KI ⇒ = I sp 1 + 2TS I p + 2TS2I p 2 2.4.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 19 Rω : Hình 2.8:Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc... dòng điện với Mc = 0 28 o Tốc độ: Hình 3.4: Kết quả mô phỏng tốc độ với Mc = 0 o Vị trí: Hình 3.5: Kết quả mô phỏng vị trí với Mc = 0  Với MC = 80 o Dòng điện: 29 Hình 3.6: Kết quả mô phỏng dòng điện với Mc = 80 o Tốc độ: Hình 3.7: Kết quả mô phỏng tốc độ với Mc = 80 o Vị trí: 30 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng vị trí với Mc = 80  Với MC = 172 o Dòng điện: Hình 3.9: Kết quả mô phỏng dòng điện với Mc =... xem sự thay đổi về dòng điện lớn hơn nhiều lần so với sự thay đổi của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi Khi cần chính xác ta phải tính đến suất điện động của động cơ Ta tổng hợp bộ điều khiển dòng RI khi bỏ qua suất điện động phần ứng: 17 Hình 2.7: Mô hình bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng Khi đó đối tượng điều khiển dòng SI được tính như sau: 1 Ru K BD KI SI =