đồ án điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ 1 chiều

việc diều khiển động cơ trong quá trình truyền động là một việc rất quan trọng, bài báo cáo này trình bày quá trình điều khiển truyền động động cơ điện 1 chiều kéo băng tải theo giản đồ thời gian, sử dụng phương pháp điều chỉnh theo vòng mạch kín, tổng hợp hệ số điều khiển PID. đi kèm bản vẽ

Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY Chương I: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền động I.1: Giới thiệu cơng nghệ tốn Hình 1.1: Sơ đồ cơng nghệ +Hệ truyền động điện bao gồm: -Một động servo chiều kích từ độc lập -Hai bánh đà có bán kính r = 0.45m -Một băng tải -Nguồn cung cấp cho hệ truyền động nguồn điện xoay chiều pha 220V/380V Yêu cầu hệ truyền động động hoạt động kéo băng tải chứa tải có khối lượng M= 7Kg đáp ứng theo yêu cầu tốn đồ thị hình 1.2 I.2 : Phân tích u cầu cơng nghệ, đặc tính tải I.2.1: Phân tích u cầu cơng nghệ u(m/s) 4s 6s 7s t(s) 1s 3s -5 Hình 1.2: Đồ thị tốc độ động +Đáp ứng hệ truyền động phải bám sát theo đồ thị tốc độ mong muốn tải cho yêu cầu đồ án SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY - Trong khoảng thời gian từ 0s-1s động tăng dần tốc độ từ 0m/s-5m/s Trong khoảng thời gian từ 1s-3s động gữ nguyên tốc độ 5m/s Tiếp đến khoảng thời gian từ 3s-4s động giảm dần tốc độ thời điểm 3.5s động đạt día trị 0m/s sau động đảo chiều tăng tốc thời điểm 4s động quay với vận tốc 5m/s Từ 4s-6s động giữ nguyên tốc độ 5m/s từ 6s-7s động giảm tốc độ dần 0m/s thời điểm 7s +Thiết kế mạch biến đổi nguồn điện xoay chiều 3pha 220V/380V thành nguồn điện phù hợp với động sử dụng hệ truyền động điện +Hệ thống sau hoàn thành hoạt động ổn định sai số thấp có độ tin cậy cao I.2.2: Phân tích đặc tính tải +Tính tốc đọ quay trục động u Áp dụng công thức: Ꞷ= (rad/s) thay số liệu ta có đồ thị tốc độ quay động theo r thời gian Ꞷ(rad/s) 11.11 4s 6s 7s t(s) 1s 3s -11.11 Hình 1.3: Đồ thị tốc độ quay động +Tính tốn momen trục động du  fL Áp dụng cơng thức: F= M dt Trong đó: M: Khối lượng tải (kg) u: Tốc độ dài tải (m/s) fL: Lực bên tác động vào tải (N) Mặt khác T= F.r Thay số liệu từ đồ thị vận tốc mong muốn tải ta có du   5(m / s ) Suy T= 5.7.0.45=15,75 (Nm) -Tại thời điểm từ 0-1s: dt -Tại thời điểm từ 1-3s: u không đổi nên T=0 (Nm) du    10(m / s ) Suy T= -10.7.0,45= -31,5 (Nm) -Tại thời điểm từ 3-3,5s: dt 0,5 du     10(m / s ) Suy T= -10.7.0,45= -31,5 (Nm) - Tại thời điểm từ 3,5-4s: dt 0,5 -Tại thời điểm từ 4-6s: u không đổi nên T=0 (Nm) - Tại thời điểm từ 6-7s: du   5(m / s ) Suy T= 5.7.0,45=15,75 (Nm) dt SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY T(N.m) 15,75 3s 4s t(s) 1s 6s 7s -31,5 Hình 1.4: Đồ thị momen trục động +Tính tốn cơng suất động Áp dụng công thức: P= TꞶ - Tại thời điểm 0s: P= 0.15,75=0 (W) - Tại thời điểm 1s: P= 11,11.15,75=174,9825 (W) - Tại thời điểm 1-3s: P=11,11.0=0 (W) - Tại thời điểm 3s: P= 11,11 (-31,5) =-349,965 (W) - Tại thời điểm 4s: P= -11,11.(-31,5) =349,965 (W) - Tại thời điểm 4-6s: P= -11,11.0=0 (W) - Tại thời điểm 6s: P= -11,11.15,75=-174,9825 (W) - Tại thời điểm 7s: P= 0.15,75=0 (W) P(W) 349,96 174,98 3s t(s) 1s 4s 6s 7s -174,98 -349,96 Hình 1.5: Đồ thị cơng suất động 1.3: Tính chọn cơng suất động - Dựa vào tính tốn cơng suất theo thời gian tính sử dụng ta có cơng suất đẳng trị động : Pdt = p t i 0 t ck i = 1 1 174,98  349,96  ( 349,96)  ( 174,98) 4 114 ,55 W SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY - Dựa vào tính tốn momen theo thời gian tính sử dụng ,ta có momen đẳng trị động : 1 15,75 2.1  ( 31,5)  ( 31,5)  15,75 2.1 =14,58 N.m i 0 2 t ck Công suất momen cần phải chọn cho động : Pdc = 1,2 Pdt =114,55.1,2 =137,46 (W) I.4: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động điện M Mdt= ti = Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện     Bộ chỉnh lưu ta sử dụng chỉnh lưu có điều khiển đảo chiều : Do động kích từ độc lập ta điều khiển phương pháp thay dổi điện áp phần ứng động có đảo chiều nên ta sử dụng hai chỉnh lưu cầu Thyristor mắc song song ngược để đáp ứng điện áp đặt vào đọng Động chiều kích từ dộc lập ta sử dụng động servo có thơng số phù hợp Bộ điều khiển ta sử dụng điều khiển mà ta cài đặt thuật toán điều khiển bên đó, xử lí tín hiệu tốc độ dòng điện để điều khiển đầu mong muốn Bộ cảm biến dòng điện tốc độ chọn phù hợp với yêu cầu I.5: Tính toán chọn thiết bị, phần tử hệ thống I.5.1 Tính chọn động Dựa vào Pdc, Mdc tính mục I.3 ta chọn động RE 50 Ø50 mm, Graphite Brushes, 200  Watt Part number 370355 SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY Hình 1.7: Động DC RE-50 maxon Thông số động Stt Thông số Giá trị Điện áp định mức 36V Tốc độ khơng tải 5680 vòng/phút Dòng điện khơng tải 147 mA Tốc độ định mức 5420 vòng/phút Momen định mức 418 mNm Dòng điện định mức 7,07 A Momen cực đại 8920 mNm Dòng điện cực đại 148 A Hiệu suất 94 % 10 Ra 0,244Ω 11 La 0,177 mH 12 Hằng số lực 60,4 mNm/A 13 Công suất định mức 200 W 14 Momen quán tính 560 gcm +Kiểm tra lại động chọn : 2n dm 2.3,14.5420 -Tốc độ định mức động cơ: Ꞷ= = =567,3 (rad/s) 60 60 Do tốc độ động lớn mà momen động lại nhỏ ta cần lắp thêm Gearbox 567,3 Ta có: Tỉ số vận tốc Kvt= ≈51 11,11 SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY 16,04 ≈38,37 0,418 Nên chọn Gearbox có tỉ số truyền 51 Tỉ số momen Km= Ta chọn Gearbox Planetary gearhead GPX 22 Ø22 mm, 2­stage Hình 1.8:Gearbox GPX-22 maxon Stt 3 Thông số Tỉ số truyền Momen max liên tục Momen max gián đoạn Tốc độ đầu vào max liên tục Tốc độ đầu vào max gián đoạn Hiệu suất Tốc độ động quy đổi đầu Gearbox : 567,3 Ꞷqd= =11,12(rad/s)>11,11(rad/s) 51 Momen quy đổi đầu Gearbox : Mqd=0,418.51.0,7= 14,922(Nm)> 14,58 (Nm) Mô men đỉnh động quy đổi dầu Gearbox : Mđqd=8,92.51.0,7=318,44 (Nm)> 31,5 (Nm) SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Giá trị 51/1 120 N 120 N 8000 vòng/phút 8000 vong/phút 70% Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY P(W) 349,96 Tqt 200 174,98 3s t(s) 1s 4s 6s 7s -174,98 -200 Tqt -349,96 Thời gian tải động : 200 0,5 0,285 (s) 349,96 Ta thấy thời gian tải động bé nên khơng ảnh hưởng tới qua trình làm việc động nên để bảo vệ động ta chọn thêm role nhiệt cài đặt thời gian đóng cắt t= 1s Tqt = I.5.2 Tính chọn cảm biến tốc độ Ở ta chọn cảm biến Encoder ENC 16 EASY, 1024 pulses Part number 499361 Hình 1.9: Cảm biến tốc độ ENC 16 maxon Thông số cảm biến Stt SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Thông số Số xung đĩa Số kênh Max tốc độ điện Max tốc độ Điện áp cung cấp Dòng kênh Thời gian đáp ứng Chiều quay Vị trí biểu thị Giá trị 1024 90000 30000 5V±10% -20…20mA 20ns A before B CW A low B low Đồ án điều khiển truyền động điện 10 11 12 Nhiệt độ hoạt động Khối lượng Mô men quán tính GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY -40… 100ºC 9g 0,1 g/cm I.5.3 Tính chọn cảm biến dòng điện Ta chọn cảm biến ACS712- 20A có thơng số sau : -Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp -Thời giant hay đổi điện áp đầu ứng với dòng điện đầu vào 5μs -Điện trở dây dẫn 1,2 mΩ -Điện áp hoạt động 5V -Sai số điện áp đầu 1,5% 25 ºC -Độ nhạy đầu từ 66 đến 185 mV/A -Khoảng đo từ -20 đến 20 A +Sơ đồ cảm biến ACS712-20A Nguyên lí hoạt động cuả cảm biến -ACS712-20A cảm biến dòng tuyến tính dựa định luật Hall ACS xuất tín hiệu analog Điện áp thay đổi tuyến tính dựa dòng lấy mẫu Ip dòng DC Tại 2,5 V dòng điện 0,từ 0-2,5V dòng âm, từ 2,5-5V dòng dương -Cơng thức tính: dataADC (V) U= 1023 I.5.4 Tính tốn chỉnh lưu Do động cần dung động diện chiều kích từ độc lập, tải có đảo chiều nên ta sử dụng phai cỉnh lưu cầu ba pha mắc song song ngược SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY T T T T T T D M T T T T T T + Tính tốn thơng số mạch chỉnh lưu: Nguồn ta sử dụng nguồn điện xoay chiều pha 220/380V nên điện áp đầu vào chỉnh lưu U2 =220V  Đế góc điều khiển α từ ta sử dụng biến áp để hạ điện áp dầu vảo chỉnh lưu  U d 15,38 V xuống giá trị U’2 = U 220 Suy cần biến áp có hệ số biến đổi N= ' = =14,3 U 15,38 U’2 cosα   Ud Điện áp ngược lớn đặt lên thyristor : Unmax= Knv = 36= 37,68 V Ku 3 Trong Knv = , Ku =  Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1,8 ta có điện áp ngược van cần chọn Uv =37,68.1,8=67,824V Idm 7,07 Dòng điện trung bình chạy qua thyristor : Itb= = = 4,08 A 3 Chọn hệ số dự trữ Ki = 3,2 ta có I max = 4,08 3,2= 13,056 A Giá trị trung bình chỉnh lưu: Ud = Dựa vào thông số ta chon thyristor S1015J phụ lục sách Điện tử công suất-Lê Văn Doanh SVTH: Nguyễn Văn Tuấn Đồ án điều khiển truyền động điện Có thơng số: Stt SVTH: Nguyễn Văn Tuấn GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY Thơng số Itb Iđỉnh Irò Cấp điện áp ▼U Udk Idk Giá trị 50 A 650 A 40 mA 100-1600V 1,8 V 1,5 V 50 mA 10 Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY V ( s)  K b ( s ) La s  R a Phương trình mơ tả quan hệ điện cơ: JsꞶ(s) + BlꞶ(s) =KbIa(s) –Tl(s) Ia(s) = Nên suy ra: K I ( s )  Tl ( s)  ( s)  b a Js  Bl Từ phương trình ta có mơ hình tốn học động điện chiều: Hình 2.2: Mơ hình tốn học động điện chiều Thay gái trị từ động ta chọn phần I ta có: 1 = Ra  sLa 0,244  0,177 s U udm  Ra I udm 36  0,244.7,07 0,06 Kb = KꞶ = =  dm 567,3 1  Bl  sJ 0,0007368  s.0,56 Hàm truyền đạt tốc độ/ điện áp tốc độ/momen tải : Kb  ( s)  GV (S)= V ( s) s ( JLa )  s ( Bl La  JRa )  Bl Ra  K b2    ( s)  ( sLa  Ra )  Tl ( s ) s ( JLa )  s ( Bl La  JRa )   Bl Ra  K b2  2.2 Mơ hình tốn học cảm biến Gl (S)= Phản hồi dòng điện: Mơ tốn học phản hồi dòng điện biểu diễn hệ số khuếch đại Hc Trong đa số trường hợp không yêu cầu lọc Hc= U dr 2,5 = =0,125 I dv 20 Trong trườn hợp dùng lọc, lọc thông thấp sử dụng Hằng số thời SVTH: Nguyễn Văn Tuấn 12 Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY gian lọc thường nhỏ 1ms Phản hồi tốc độ: Trong hệ thống trước thường dùng máy phát tốc để đo tốc độ Một lọc thơng thấp có số thời gian bé 10ms thường sử dụng Hàm truyền đạt khâu phản hồi tốc độ là: K G  T s  Trong đó: KꞶ hệ số khuếch đại cảm biến, TꞶ số thời gian lọc Thay thông số cảm biến chọn ta có G  20.10  s  2.3 Mơ hình toán học biến đổi Điện áp chỉnh lưu có điều khiển: Vdc Vd cos  Chọn nguyên tắc điều khiển arcos: Vc ) Vcm Điện áp chỉnh lưu: V V Vdc Vd c  d Vc Vcm Vcm Vd 36 Đặt K r  = =24 Vcm 1,5 => Vdc  K rVc  cos  ( Vdc  K r Vc U db  Vcm cos  điểm giao Vc  udb Bộ biến đổi hoạt động theo chu kỳ lấy mẫu mạch điều khiển Khoảng thời gian lấy mẫu SVTH: Nguyễn Văn Tuấn 13 Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY gây trễ biến đổi Khi thay đổi điện áp điều khiển thyristor thay đổi trạng thái đóng mở, điện áp chưa thay đổi Góc trễ hiệu chỉnh sẵn sàng thực thi khoảng 60o khoảng góc mở thyristor Nên thời gian trễ lấy khoảng Tr  60 / 1 �Time period of one cycle  360 12 fs fs = 50Hz nên Tr = 1.667ms Bộ biến đổi mơ hình hóa hàm trễ: Gr ( s )  K r eTr s Gr ( s )  Thay gái trị tính tốn ta có Gr = Kr Tr s  24 1,667.10 s  2.4 Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống: Tổng hợp hệ thống truyền động điện chiều cho đọng hoạt động hai góc phần tư cấp nguồn từ chỉnh lưu cầu pha: Trong đó, hàm truyền đạt Current controller speech controller xác định theo phương pháp hàm chuẩn khâu PI: Kc K (1  sTc )  Kc  c Gc= Tc s sTc K (1  sTs ) Ks  Ks  s Gs= Ts s sTs SVTH: Nguyễn Văn Tuấn 14 Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY Chương III : Tổng hợp mạch vòng điều khiển 3.1 Sơ đồ mạch vòng tổng hợp điều khiển tốc độ động cơ: 3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: Ta biến đổi sơ đồ khối mơ hình hàm truyền đạt động cơ: Suy ra: Suy ra: Suy ra: SVTH: Nguyễn Văn Tuấn 15 Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY m ( s )  m ( s ) I a ( s )  Va ( s ) I a ( s ) Va ( s ) Trong đó: m ( s ) Kb  I a ( s ) Bt (1  s.Tm ) I a ( s) K1 (1  s.Tm )  Va ( s ) (1  s.T1 )(1  s.T2 ) J Bt Bt = B l + B l Theo đề yêu cầu toán Tl=0 nên suy Bl =0 Thay giá trị tính chọn động trước vào ta có Bt = Bl =0,015 (T) J 560.10  3.10  0,0037  Tm = = Bt 0,015 Tm = 1 �B R � �Bt Ra � �K b2  Ra Bt �    � t  a � �  � � �= -588,235 T1 �J La � �J La � � J La �  T1 = 0,0017 (s) 1 �Bt Ra � �Bt Ra � �K b2  Ra Bt    �  � �  � � T2 �J La � �J La � � J La � �= -909,09 �  T2 =0,0011 (s) K1 = Bt 2,066 K b  Ra Bt Từ ta có tổng hợp mạch vòng dòng điện: Sau vài phép biến đổi, ta có hàm khuếch đại (loop gain function) mạch vòng dòng điện sau: �K K K H � (1  sTc )(1  sTm ) GH i ( s)  � c r c � Tc s.(1  sT1 )(1  sT2 )(1  sTr ) � SVTH: Nguyễn Văn Tuấn 16 Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY Ta thấy hàm khuếch đại hệ có bậc 4, cần đơn giản hóa hàm truyền để việc tổng hợp hệ thống dễ dàng Trong vùng lân cận tần số cắt ta xấp xỉ sau: (1  sTm )  sTm Nhờ hàm khuếch đại hệ đơn giản hóa thành: GH i ( s )  K (1  sTc ) (1  sT1 )(1  sT2 )(1  sTr ) Trong hệ số K xác định sau: K K1.K c K r H c Tm Tc (*) Có thể thấy số thời gian mẫu số hàm truyền đạt GHi(s) hệ có giá trị khác nhau: Tr1 T1>>Tr SVTH: Nguyễn Văn Tuấn 17 Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY Do ta có hệ số K xấp xỉ thành: T T12  2Tr 2T1Tr Từ phương trình hệ số K giải hệ số khuếch đại điều khiển PI là: T1 Tc Kc = T ( K K H T ) r r c m 0,0017.0,0011 = 1,667.10  2,066.24.0,125.0,076 =0,0238 Thay số liệu vào (*) ta có Tl 2,066.0,0238.24.0,125.0,0037 K= =4,96≈ 0,0011 2Tr Ta xấp xỉ mơ hình mạch vòng dòng điện thành mơ hình bậc để thiết kế mạch vòng tốc độ, mơ hình bậc dòng điện thay mơ hình xấp xỉ bậc Mạch vòng dòng điện xấp xỉ cách cộng them số thời gian trễ biến đổi vào số thời gian T1 động Kết ta có hàm truyền đạt sơ đồ mạch vòng dòng điện sau: K c K r T1Tm I a ( s) Tc 1  sT3   * KK K HT I a ( s) 1 c r c m 1  sT3  Tc K Trong đó: T3=T1+Tr= 2,6658.10  + 1,667.10  = 4,3328.10  s Hàm truyền đạt đơn giản hóa thành: I a ( s) Ki  * I a ( s ) (1  sTi ) K K KT H 0,0238.0,125.2,066.0,0037.24 KG  c r l m c  Trong đó: =0,509 Tc 0,0011 KG 0,509 2,7 Ki= = H C (1  K G ) 0,125 (1  0,509) T3 0,0034 Ti   =0.0022 (s)  KG  0,509 3.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ: Ta có mạch vòng tốc độ sau xấp xỉ bậc mạch vòng dòng điện là: SVTH: Nguyễn Văn Tuấn 18 Đồ án điều khiển truyền động điện GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY Trong hàm số khuếch đại (loop gain function) hệ là: �K K K H � (1  sTs ) GH s ( s )  � s i b  � s(1  sTi )(1  sTm )(1  sT ) � BtTs Để đơn giản bậc hệ thống, ta sử dụng phép xấp xỉ sau tần số cắt: (1+sTm)=sTm Tiếp theo, ta xây dựng số thời gian tương đương với thời gian trễ mạch phản hồi tốc độ thời gian mạch vòng dòng điện Tổng hai thời gian trễ nhỏ so với số thời gian phân tích Do ta có xấp xỉ sau: GH s ( s)  K Trong đó: K s (1  sTs ) Ts s (1  sT4 ) T4=Ti+Tω ≈ Ti = 0,0022(Tω=20.10  14 ,58 (Nm) Mô men đỉnh động quy đổi dầu Gearbox : Mđqd=8,92. 51. 0,7= 318 ,44 (Nm)> 31, 5 (Nm) SVTH:... ,ta có momen đẳng trị động : 1 15,75 2 .1  ( 31, 5)  ( 31, 5)  15 ,75 2 .1 =14 ,58 N.m i 0 2 t ck Công suất momen cần phải chọn cho động : Pdc = 1, 2 Pdt =11 4,55 .1, 2 =13 7,46 (W) I.4: Sơ đồ khối