LUẬN VĂN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

Header Page of 146 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Đề số 37 : Cho hệ truyền động động cơ-xe Xây dựng điều khiển vị trí xe sử dụng động chiều kích từ độc lập Yêu cầu nội dung Thơng số kỹ thuật - Xây dựng mơ hình động chiều kích Động JI-72: từ độc lập Pđm=25(kW),Uđm=220(V), - Xây dựng mơ hình điều khiển truyền động Iđm=132(A), cho xe 1500 (v/p), Rư= 0.0966 (Ω), Lư= 0.0063 (H), J= 1.2 (kg.m2) - Tính chọn điều khiển - Mô đáp ứng Simulink với nhiễu tải khác đánh giá kết Giáo viên hướng dẫn: TRẦN TIẾN LƯƠNG Sinh viên thực : PHẠM ĐỨC LONG Mã sinh viên : 39187 Nhóm : N03 Hải Phịng-năm 2013 -0- Footer Page of 146 nđm= Header Page of 146 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Mục lục Lời nói đầu Chương Tổng quan hệ truyền động 1.1.Tổng quan động điện chiều 1.1.1.Cấu tạo động điện chiều 1.1.2.Phân loại động điện chiều 1.1.3.Điều khiển động điện chiều 1.2.Yêu cầu công nghệ 1.3.Phương pháp tổng hợp điều khiển động điện chiều 1.3.1.Khái quát điều khiển PID 1.3.2.Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID Chương Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động 2.1.Đề xuất cấu trúc chung hệ truyền động 2.2.Các thành phần hệ truyền động mơ hình tốn thành phần 2.2.1.Bộ điều khiển 2.2.2.Bộ biến đổi 2.2.3.Động điện chiều kích từ độc lập 2.2.4.Thiết bị đo lường Chương Tổng hợp điều khiển kết mô -1- Footer Page of 146 Header Page of 146 3.1.Tổng hợp điều khiển 3.1.1.Tổng hợp điều khiển dòng điện 3.1.2.Tổng hợp điều khiển tốc độ 3.1.3.Tổng hợp điều khiển vị trí 3.2.Kết mơ 3.2.1.Tính tốn thơng số 3.2.2.Kết mô Kết luận Sinh viên thực Giáo viên hướng dẫn Phạm Đức Long Trần Tiến Lương -2- Footer Page of 146 Header Page of 146 MỤC LỤC Lời nói đầu Chương Tổng quan hệ truyền động 1.1.Tổng quan động điện chiều 1.1.1.Cấu tạo động điện chiều 1.1.2.Phân loại động điện chiều 1.1.3.Điều khiển động điện chiều 1.2.Yêu cầu công nghệ 1.3.Phương pháp tổng hợp điều khiển động điện chiều 1.3.1.Khái quát điều khiển PID 1.3.2.Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID 11 Chương Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động 17 2.1.Đề xuất cấu trúc chung hệ truyền động 17 2.2.Các thành phần hệ truyền động mơ hình 17 toán thành phần 2.2.1.Bộ điều khiển 17 2.2.2.Bộ biến đổi 23 2.2.3.Động điện chiều kích từ độc lập 24 2.2.4.Thiết bị đo lường 30 Chương Tổng hợp điều khiển kết mô 32 -3- Footer Page of 146 Header Page of 146 3.1.Tổng hợp điều khiển 32 3.1.1.Tổng hợp điều khiển dòng điện 32 3.1.2.Tổng hợp điều khiển tốc độ 35 3.1.3.Tổng hợp điều khiển vị trí 37 3.2.Kết mơ 39 3.2.1.Tính tốn thơng số 39 3.2.2.Kết mơ 42 Kết luận 51 -4- Footer Page of 146 Header Page of 146 Lời nói đầu Cùng với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, truyền động điện có vai trị 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 hồn thiện củng cố kiến thức môn học nên em thầy giao cho đề tài: “Cho hệ truyền động động – xe Xây dựng điều khiển vị trí xe sử dụng động chiều kích từ độc lập” Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tiến Lương, thầy cô giáo khoa Điện - Điện tử tàu biển, người tận tình giúp đỡ em suốt thời gian vừa qua để em hồn thành thiết kế Trong trình thiết kế cịn tồn sai sót, mong thầy giáo góp ý để thiết kế em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! -5- Footer Page of 146 Header Page of 146 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hiện động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động điện chiều từ vài W đến hàng MW Đây loại động đa dạng linh hoạt, đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc hãm với tải trọng nặng Động điện chiều dễ dàng đáp ứng truyền động khoảng điều khiển tốc độ rộng đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ Trong động điện chiều, biến đổi điện mạch chỉnh lưu điều khiển Chỉnh lưu dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm có stator, rotor, cổ góp chổi điện Hình 1: Mặt cắt ngang động điện chiều  Stator : gọi phần cảm, gồm dây quấn kích thích quấn tậptrung cực từ stator Các cực từ stator ghép cách điện từ thép kỹ thuật -6- Footer Page of 146 Header Page of 146 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 điện 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 cửu, người ta gọi động điện chiều kích từ 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 -7- Footer Page of 146 Header Page of 146 Hình 2: 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 khiển động 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 có yêu cầu điều chỉnh tốc độ thường sử dụng động điện chiều kích từ độc lập 1.2 YÊU CẦU CƠNG NGHỆ Hệ truyền động động cơ-xe có kết cấu phức tạp Về phần điện hệ thống bao gồm từ nhận lượng từ nguồn cố định, biến đổi lượng thật phù hợp để đưa vào động truyền động, bên cạnh hệ thống điều khiển nguồn -8- Footer Page of 146 Header Page 10 of 146 lượng để phù hợp với yêu cầu thay đổi tốc độ động Về phần bao gồm cấu bánh răng, xích truyền, hộp số,…để truyền chuyển động từ động đến bánh xe, hệ thống tăng giảm tốc độ, đảo chiều chuyển động, hệ thống phanh hãm… Trong trình hoạt động hệ thống yêu cầu tăng tốc giảm tốc phải êm Độ bền khí hệ thống phải cao Dải điều chỉnh tốc độ phải trơn Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động hệ điều khiển tự động phải đơn giản, phần tử cấu thành phải có độ tin cậy cao, đơn giản, sửa chữa thay dễ dàng 1.3 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Đối với phương pháp điều khiển kinh điển, cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số KP, TI, TD điều khiển PID Nhưng hệ số điều khiển PID tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, trình vận hành phải chỉnh định hệ số cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu điều khiển ta phải biết xác thông số kiểu đối tượng cần điều khiển Hơn nữa, điều khiển xác giai đoạn tuyến tính cịn giai đoạn phi tuyến phương pháp điều khiển kinh điển khơng thực 1.3.1 Khái quát điều khiển PID Cấu trúc điều khiển PID gồm có ba thành phần khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID thiết phải lựa chọn chế độ làm việc P,I hay D sau đặt tham số cho chế độ chọn Một cách tổng qt, có ba thuật tốn sử dụng P, PI PID -9- Footer Page 10 of 146 Header Page 38 of 146 R  S 2. p(1   p)  R  K Cu 2 p.(1   p) K I J p(1  2TS p) Chọn   2TS  R   R  K Cu 4.TS p.(1  2TS p) K I J p(1  2TS p) K I J 4.K Cu TS Vậy điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển P Theo tiêu chuẩn này, hàm truyền kín mạch vịng tốc độ có dạng: F ( p )  K  2 p  2 p 1 K K  F ( p)   2  4TS p  8TS p  4TS p 3.1.3.Tổng hợp điều khiển vị trí Ta có hàm truyền kín mạch vịng tốc độ sau: F ( p )  K  4TS p - 37 - Footer Page 38 of 146 Header Page 39 of 146 k Khâu truyền lực: p Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí: S  K K k  4TS p  T p p Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: R  S 2. p.(1   p)  R  K k 2. p.(1   p)  4TS p  T p p Chọn   T  R  K K k 2.T p.(1  T p)  4TS p  T p p  R   K  4.TS p 2.k.K T  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: - 38 - Footer Page 39 of 146 Header Page 40 of 146 Hình 23: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều kích từ độc lập 3.2.KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.2.1.Tính tốn thông số  Thông số cho trước: Pdm = 25 KW Udm = 220 V Idm = 132 A ndm = 1500 v/p Ru = 0,0966  Lu = 0,0063 H J = 1,2 kg.m2 Tỉ số truyền: i = 10 - 39 - Footer Page 40 of 146 Header Page 41 of 146 Đường kính bánh xe: D = 700 mm = 0,7 m Chọn: TI = 0,002 s T = 0,001 s Tbd = 0,0015 s Tv = 0,003 s T = 0,3 s  Tính tốn thông số: 2 n 2 1500   157,1(rad / s ) 60 60 - Tốc độ góc:   - Từ thông: K  Cu  - Momen định mức: M dm  K.I dm  1,3.132  172( N m) - Hằng số thời gian phần ứng: Tu  U dm  I dm Ru   220  132.0, 0966  1,3 157,1 Lu 0, 0063   0, 066( s) Ru 0, 0966 - Ru 10,35 0, 0966   Hàm truyền động cơ: WD ( p)   Tu p  0, 066 p  0, 066 p - Hàm truyền biến đổi: Chọn Udat = 10 (V) kbd  U dm 220   22 U dat 10 - 40 - Footer Page 41 of 146 Header Page 42 of 146 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   RI  0, 293  4, 444 p - Bộ điều khiển tốc độ: TS  K  2TSI  T U dat   R    2.0, 0065  0, 001  0, 007( s) 10  0, 064 157,1 K I J 0, 076.1,   39,148 4.K Cu TS 4.0, 064.1,3.0, 007 - Bộ điều khiển vị trí: Chọn: L = 35 (m) D = 0,7 (m)  R = 0,35 (m)  L 35   100(rad ) R 0,35 - 41 - Footer Page 42 of 146 Header Page 43 of 146 K  U dat   10  0,1 100 1 Hệ số khuếch đại truyền lực: k   i 10  R    K 0, 064  4TS p  1  4.0, 007 p  2.k K T .0,1.0,3 10  R  10, 67  0, 299 p - Khâu đo dòng: WI ( p )  KI 0, 076   TI p  0, 002 p - Khâu đo tốc độ: WFT ( p)  K 0, 064   T p  0, 001 p - Khâu đo vị trí: W ( p )  K  T p  0,1  0,3 p 3.2.2 Kết mô Từ thơng số tính tốn được, ta có sơ đồ mơ hệ điều khiển vị trí kết mô với nhiễu tải khác Simulink: - 42 - Footer Page 43 of 146 Header Page 44 of 146 10 Dat PD(s) BDK vi tri P(s) BDK toc PI(s) BDK dong s 4.444 Transfer Fcn4 Saturation1 22 Transfer Fcn1 0.0015s+1 0.066s+1 10.35 Transfer Fcn2 0.003s+1 Saturation Transfer Fcn 0.076 Do dong Scope1 Scope2 1.3 Cu Mc 1.3 Cu Transfer Fcn3 1.2s Khuech dai TD 10s Scope - 43 - 0.002s+1 0.064 0.001s+1 Do toc 0.1 0.3s+1 Do vi tri Scope3 Footer Page 44 of 146 Header Page 45 of 146 Kết mô với nhiễu tải khác nhau:  Với MC = o Dòng điện: Hình 24: Kết mơ dịng điện với Mc = o Tốc độ: - 44 - Footer Page 45 of 146 Header Page 46 of 146 Hình 25: Kết mơ tốc độ với Mc = o Vị trí: Hình 26: Kết mơ vị trí với Mc = - 45 - Footer Page 46 of 146 Header Page 47 of 146  Với MC = 80 o Dịng điện: Hình 27: Kết mơ dịng điện với Mc = 80 o Tốc độ: - 46 - Footer Page 47 of 146 Header Page 48 of 146 Hình 28: Kết mô tốc độ với Mc = 80 o Vị trí: Hình 29: Kết mơ vị trí với Mc = 80 - 47 - Footer Page 48 of 146 Header Page 49 of 146  Với MC = 172 o Dịng điện: Hình 30: Kết mơ dịng điện với Mc = 172 o Tốc độ: - 48 - Footer Page 49 of 146 Header Page 50 of 146 Hình 31: Kết mô tốc độ với Mc = 172 o Vị trí: Hình 32: Kết mơ vị trí với Mc = 172 - 49 - Footer Page 50 of 146 Header Page 51 of 146 Nhận xét: Với vị trí, kết mơ 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 MC = 0, MC = 80, MC = 172 cho thấy có thay đổi dịng điện, khơng có thay đổi lớn tốc độ vị trí - 50 - Footer Page 51 of 146 Header Page 52 of 146 Kết luận Sau trình học tập nghiên cứu với hướng dẫn thầy Trần Tiến Lương Em hoàn thành nhiệm vụ giao đồ án : “Cho hệ truyền động động cơ-xe Xây dựng điều khiển vị trí xe sử dụng động chiều kích từ độc lập” Các nhiệm vụ là: - Xây dựng mơ hình động chiều kích từ độc lập - Xây dựng mơ hình điều khiển truyền động cho xe - Tính chọn điều khiển - Mô đáp ứng Simulink với nhiễu tải khác đánh giá kết Trong trình thực hiện, làm em có nhiều sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo: “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 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Trần Tiến Lương Phạm Đức Long - 51 - Footer Page 52 of 146 ... khiển kết mô -1- Footer Page of 146 Header Page of 146 3.1 .Tổng hợp điều khiển 3.1.1 .Tổng hợp điều khiển dòng điện 3.1.2 .Tổng hợp điều khiển tốc độ 3.1.3 .Tổng hợp điều khiển vị trí 3.2.Kết mơ... 2.2.4 .Thiết bị đo lường 30 Chương Tổng hợp điều khiển kết mô 32 -3- Footer Page of 146 Header Page of 146 3.1 .Tổng hợp điều khiển 32 3.1.1 .Tổng hợp điều khiển dòng điện 32 3.1.2 .Tổng hợp điều... cao đời Do yêu cầu môn học nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế hệ thống truyền động, góp phần hồn thiện củng cố kiến thức môn học nên em thầy giao cho đề tài: “Cho hệ truyền động động