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

Chương I: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền động.

I.1: Giới thiệu công nghệ bài toán.

Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ

+Hệ truyền động điện ở đây bao gồm:

-Một động cơ servo một chiều kích từ độc lập

-Hai bánh đà có bán kính r = 0.45m

-Một băng tải

-Nguồn cung cấp cho hệ truyền động là nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V

Yêu cầu của hệ truyền động này là động cơ hoạt động kéo băng tải chứa tải có khối lượng M= 7Kg đáp ứng theo yêu cầu của bài toán như đồ thị trên hình 1.2

I.2 : Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải.

I.2.1: Phân tích yêu cầu công nghệ.

u(m/s)

5

0 4s 6s 7s

t(s) 1s 3s

-5

Hình 1.2: Đồ thị tốc độ của động cơ

+Đáp ứng của hệ truyền động phải bám sát theo đồ thị tốc độ mong muốn của tải đã cho trong yêu cầu của đồ án này

- Trong khoảng thời gian từ 0s-1s động cơ tăng dần đều tốc độ từ 0m/s-5m/s Trong khoảng thời gian từ 1s-3s động cơ gữ nguyên tốc độ 5m/s Tiếp đến trong khoảng thời gian từ 3s-4s động cơ giảm dần tốc độ tại thời điểm 3.5s động cơ đạt día trị 0m/s sau đó động cơ đảo chiều và tăng tốc tại thời điểm 4s động cơ quay với vận tốc 5m/s Từ 4s-6s động cơ giữ nguyên tốc độ 5m/s và từ 6s-7s động cơ giảm tốc độ dần đều cho đến 0m/s tại thời điểm 7s.

+Thiết kế các mạch biến đổi nguồn điện xoay chiều 3pha 220V/380V thành nguồn điện phù hợp với động cơ chúng ta sử dụng trong hệ truyền động điện

+Hệ thống sau khi hoàn thành hoạt động ổn định sai số thấp có độ tin cậy cao

I.2.2: Phân tích đặc tính cơ của tải.

+Tính tốc đọ quay của trục của động cơ

-11.11

Hình 1.3: Đồ thị tốc độ quay của động cơ

+Tính toán momen trên trục của động cơ

Áp dụng công thức: F= fL

dt

du

Trong đó: M: Khối lượng của tải (kg)

u: Tốc độ dài của tải (m/s)

fL: Lực bên ngoài tác động vào tải (N)

Mặt khác T= F.r

Thay các số liệu từ đồ thị vận tốc mong muốn của tải ta có

-Tại thời điểm từ 0-1s: 5 ( / )

1

0

s m dt

du





-Tại thời điểm từ 1-3s: u không đổi nên T=0 (Nm)

-Tại thời điểm từ 3-3,5s: 10 ( / )

5 , 0

5

s m dt

0

s m dt

-Tại thời điểm từ 4-6s: u không đổi nên T=0 (Nm)

- Tại thời điểm từ 6-7s: 5 ( / )

1

0

s m dt

15,75

0 3s 4s

t(s) 1s 6s 7s

-31,5

Hình 1.4: Đồ thị momen trên trục của động cơ

+Tính toán công suất của động cơ

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)

-174,98

-349,96

Hình 1.5: Đồ thị công suất của động cơ

1.3: Tính chọn công suất động cơ.

- Dựa vào tính toán công suất theo thời gian đã tính được ở trên sử dụng ta có công suất đẳngtrị của động cơ :

1.)96,349(4

1.96,3492

1.98,

- Dựa vào tính toán momen theo thời gian đã tính được ở trên sử dụng ,ta có momen đẳng trịcủa động cơ :

1.)5,31(2

1.)5,31(1.75,

I.4: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Bộ điều khiển

Cảm biến

Đầu vào

Vị trí/ Tốc độ Nhiễu

signal power

Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện

- Bộ chỉnh lưu ta sử dụng ở đây là bộ chỉnh lưu có điều khiển và đảo chiều :

 Do động cơ kích từ độc lập ở đây ta điều khiển bằng phương pháp thay dổi điện áp phần ứng và động cơ có đảo chiều nên ta sử dụng hai bộ chỉnh lưu cầu Thyristor mắc song song ngược để đáp ứng được điện áp đặt vào đọng cơ

 Động cơ một chiều kích từ dộc lập ở đây ta sử dụng động cơ servo có thông số phù hợp

 Bộ điều khiển ta sử dụng là bộ điều khiển mà ta cài đặt thuật toán điều khiển của chúng ta bên trong đó, xử lí các tín hiệu tốc độ và dòng điện để điều khiển đầu ra mong muốn

 Bộ cảm biến dòng điện và tốc độ được chọn phù hợp với yêu cầu

I.5: Tính toán và chọn các thiết bị, phần tử trong hệ thống.

I.5.1 Tính chọn động cơ.

Dựa vào Pdc, Mdc đã tính ở mục I.3 ta chọn động cơ RE 50 Ø50 mm, Graphite Brushes, 200 Watt

Part number 370355

Hình 1.7: Động cơ DC RE-50 của maxon

Thông số của động cơ

=567,3 (rad/s)

Do tốc độ của động cơ lớn mà momen của động cơ lại nhỏ vì vậy ta cần lắp thêm bộ Gearbox

Ta có: Tỉ số vận tốc Kvt=56711,11,3≈51

Tỉ số momen Km=160,418,04 ≈38,37

Nên chọn bộ Gearbox có tỉ số truyền là 51

Ta chọn Gearbox Planetary gearhead GPX 22 Ø22 mm, 2-stage

Hình 1.8:Gearbox GPX-22 của maxon

3 Tốc độ đầu vào max liên tục 8000 vòng/phút

4 Tốc độ đầu vào max gián đoạn 8000 vong/phút

=11,12(rad/s)>11,11(rad/s) Thỏa mãnMomen quy đổi đầu ra của Gearbox :

Mqd=0,418.51.0,7= 14,922(Nm)> 14,58 (Nm) Thỏa mãn

Mô men đỉnh của động cơ quy đổi ở dầu ra Gearbox :

Mđqd=8,92.51.0,7=318,44 (Nm)> 31,5 (Nm) Thỏa mãn

P(W)

349,96

Tqt 200

174,98

t(s) 1s 4s 6s 7s

-174,98

-200

Tqt-349,96

Thời gian quá tải của động cơ :

Tqt = 0 , 5 0 , 285

96 , 349

Hình 1.9: Cảm biến tốc độ ENC 16 của maxon

Thông số của cảm biến

10 Nhiệt độ hoạt động -40… 100ºC

I.5.3 Tính chọn cảm biến dòng điện.

Ta chọn cảm biến ACS712- 20A có các thông số sau :

-Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

-Thời giant hay đổi điện áp đầu ra ứng với dòng điện đầu vào là 5μss

-Điện trở dây dẫn trong là 1,2 mΩ

-Điện áp hoạt động là 5V

-Sai số điện áp đầu ra là 1,5% ở 25 ºC

-Độ nhạy đầu ra từ 66 đến 185 mV/A

-Khoảng đo từ -20 đến 20 A

+Sơ đồ của cảm biến ACS712-20A

Nguyên lí hoạt động cuả cảm biến

-ACS712-20A là cảm biến dòng tuyến tính dựa trên định luật Hall ACS xuất ra một tín hiệu analog Điện áp được thay đổi tuyến tính dựa trên dòng lấy mẫu Ip của dòng DC Tại 2,5 V thìdòng điện bằng 0,từ 0-2,5V là dòng âm, từ 2,5-5V là dòng dương

I.5.4 Tính toán bộ chỉnh lưu.

Do động cơ cần dung là động cơ diện một chiều kích từ độc lập, tải có đảo chiều nên ta sử dụng phai bộ cỉnh lưu cầu ba pha mắc song song ngược

+ Tính toán các thông số trong mạch chỉnh lưu:

Nguồn ta sử dụng ở đây là nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380V nên điện áp đầu vào của



6

3 U’2 cosα Điện áp ngược lớn nhất đặt lên thyristor : Unmax= Knv



6 3

Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1,8 ta có điện áp ngược van cần chọn Uv =37,68.1,8=67,824V

Dòng điện trung bình chạy qua mỗi thyristor : Itb=

= 4,08 AChọn hệ số dự trữ Ki = 3,2 ta có I max = 4,08 3,2= 13,056 A

Dựa vào các thông số trên ta chon thyristor S1015J phụ lục 2 sách Điện tử công suất-Lê Văn

T

2.1 Mô hình toán học của động cơ :

e

V

ia

Ra La

Te, Ꞷ e

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí động cơ điện một chiều

Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều:

v(t) = e(t) + Raia (t) + La dt

t

di a( )Suất điện động cảm ứng:

b R s L

s K s

Phương trình mô tả quan hệ điện cơ:

JsꞶ(s) + BlꞶ(s) =KbIa(s) –Tl(s)

Nên suy ra:

l

l a

b

B Js

s T s I K

Từ những phương trình trên ta có mô hình toán học của động cơ điện một chiều:

Hình 2.2: Mô hình toán học của động cơ điện một chiều

Thay gái trị từ động cơ ta chọn được ở phần I ta có:





3 , 567

07 , 7 244 , 0 36





56 , 0 0007368 ,

0

1 1

s sJ

) (

s V

)(

s T

s l



)(

b a l a a l a

a a

K R B JR L B s JL s

R sL

U

=

20

5 , 2

=0,125

Trong trườn hợp dùng bộ lọc, một bộ lọc thông thấp được sử dụng Hằng số thời

gian của bộ lọc thường nhỏ hơn 1ms

Phản hồi tốc độ:

Trong các hệ thống trước đây thường dùng máy phát tốc để đo tốc độ Một bộ lọc thông thấp

có hằng số thời gian bé hơn 10ms thường được sử dụng Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ là:

1





s T

K G





Trong đó: KꞶ là hệ số khuếch đại của cảm biến, TꞶ là hằng số thời gian của bộ lọc

Thay các thông số của cảm biến đã chọn ta có

110.20

19

2.3 Mô hình toán học của bộ biến đổi

Điện áp chỉnh lưu có điều khiển:

d cm

U  V  tại điểm giao nhau thì Vc  udb

Bộ biến đổi hoạt động theo chu kỳ lấy mẫu của mạch điều khiển Khoảng thời gian lấy mẫu gây ra sự trễ của bộ biến đổi

Khi thay đổi điện áp điều khiển hoặc khi các thyristor thay đổi trạng thái đóng mở, thì điện

áp chưa thay đổi ngay lập tức

Góc trễ có thể hiệu chỉnh và sẵn sàng thực thi trong khoảng 60o giữa 2 khoảng góc mở của thyristor Nên thời gian trễ có thể lấy một nữa khoảng này.

Thay các gái trị tính toán được ở trên ta có Gr = 1,667.24103s1

2.4 Xây dựng mô hình toán học cho cả hệ thống:

Tổng hợp hệ thống truyền động điện một chiều cho đọng cơ hoạt động ở hai góc phần tư cấp nguồn từ chỉnh lưu cầu 3 pha:

Trong đó, hàm truyền đạt của bộ Current controller và speech controller xác định theo

phương pháp hàm chuẩn là khâu PI:

Gc=

c

c c

c c

c

sT

sT K

K s T

K s Ts

s

)1(1

Chương III : Tổng hợp các mạch vòng điều khiển

3.1 Sơ đồ mạch vòng tổng hợp điều khiển tốc độ động cơ:

Bộ điều khiển tốc độ Bộ điều khiển dòng điện Bộ biến đổi PPU Động cơ

e

T s

Suy ra:

1

K

1

1

a

I s

Suy ra:

Theo đề ra của yêu cầu bài toán Tl=0 nên suy ra Bl =0

Thay các giá trị tính chọn của động cơ trước đó vào ta có Bt = Bl =0,015 (T)

10 10

B

2,066

Từ đó ta có tổng hợp mạch vòng dòng điện:

(1 )

K sT

Ta thấy hàm khuếch đại của hệ có bậc 4, vì vậy cần đơn giản hóa hàm truyền để việc tổng hợp

Tc=T2Thì hàm khuếch đại của hệ thống sẽ được đơn giản thành hệ bậc 2 như sau:

1

l r r

T T

12

Do đó ta có hệ số K có thể xấp xỉ thành:

K

r T T

T

1

2 12



r T

c

T H K K T

T T

= 1 , 667 10 3

0011 , 0 0017

T

2

Ta xấp xỉ mô hình mạch vòng dòng điện thành mô hình bậc nhất vì để thiết kế mạch vòng tốc

độ, mô hình bậc 2 của dòng điện thay thế bằng mô hình xấp xỉ bậc nhất

Mạch vòng dòng điện được xấp xỉ bằng cách cộng them hằng số thời gian trễ trong bộ biến đổi vào hằng số thời gian T1 của động cơ Kết quả ta có hàm truyền đạt và sơ đồ của mạch vòng dòng điện như sau:

1

3 1

*

1

1.1

1

1.)

(

)(

sT T

T H K K K

sT T

T T K K s

I

s I

c

m c r c c

m r c

a a

T

0011 , 0

24 0037 , 0 066 , 2 125 , 0 0238 , 0

=0,509

Ki=

)1(

1

G C

G

K H

K

 0 , 509 ) 1

(

1 125 , 0

509 , 0

2,7

31

i

G

T T

K

 1 0 , 509

0034 , 0

 =0.0022 (s)

3.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ:

Ta có mạch vòng tốc độ sau khi đã xấp xỉ bậc nhất của mạch vòng dòng điện là:

(1 ).

K sT



1

c H

b i T B

H K

Hàm truyền đạt này được tối ưu để có giải tần rộng và biên độ bằng 1 trong giải tần đó Biên

độ của hàm truyền được cho bởi phương trình:

CHƯƠNG IV : Mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá chất lượng

4.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm matlap-simulink

-Mô hình hóa của toàn hệ thống

Hình 4.1 : Mô hình hóa của hệ thống

- Mô hình hóa của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 4.2 : Mô hình hóa của động cơ

-Tín hiệu đặt đầu vào của hệ thống

4.2 Phân tích kết quả mô phỏng

+Khi chưa đóng tải

- Đồ thị biểu diễn tốc độ đầu ra bám sát theo tốc độ đặt

Hình 4.4 : Đồ thị tốc độ đáp ứng và tốc độ đặt

-Đồ thị dòng điện đặt và dòng điện đáp ứng:

Hình 4.4 : Đồ thị dòng điện trên động cơ và dòng điện đặt

-Đồ thị điện áp đặt vào động cơ:

Hình 4.5 : Đồ thị điện áp đặt vào động cơ

-Đồ thị momen của động cơ:

Hình 4.6 : Đồ thị điện momen trên trục động cơ

+Khi đóng tải

- Đồ thị biểu diễn tốc độ đầu ra bám sát theo tốc độ đặt

Hình 4.7 : Đồ thị tốc độ đáp ứng và tốc độ đặt

-Đồ thị dòng điện đặt và dòng điện đáp ứng:

Hình 4.8 : Đồ thị dòng điện trên động cơ và dòng điện đặt

-Đồ thị điện áp đặt vào động cơ:

Hình 4.9: Đồ thị điện áp đặt vào động cơ

-Đồ thị momen của động cơ:

Hình 4.10 : Đồ thị điện momen trên trục động cơ

4.3 Đánh giá chất lượng hệ truyền động

- Hệ truyền động cho ra tốc độ động cơ bám sát tốc độ đặt Tuy nhiên dòng điện có nhiễu khi thay đổi giá trị đột ngôt, dẫn đến momen không trơn Cần tìm hiểu nguyên nhân và cách khắc phục

Lời kết: Hiện nay, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến trong công nghiệp không còn là điều mới mẻ, song việc ứng dụng như thế nào và ứng dụng vào đâu mới là vấn đề cần giải quyết Chính vì thế, việc nghiên cứu và triển khai hệ thống tự động hóa vào thực tế manh một ý nghĩa rất lớn Đề tài này có ý nghĩa quan trọng là đề tài này giúp cho chúng em thực hiện làm quen với công việc thiết kế một cơ cấu truyền động Bên cạnh đó còn củng cố thêm kiến thức về các môn thuộc chuyên ngành như: Thiết bị điện, Truyền động điện, Máy điện, Điện tử công suất… , và khả năng ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink trong việc mô phỏng hệ thống điều khiển truyền động điện

Do điều kiện khách quan cũng như lượng kiến thức của bản thân còn hạn chế nên chắc chắn sẽ còn những thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy

cô giáo để học hỏi thêm

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Giáp Quang Huy đã nhiệt tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án này