Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ một chiều sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần những tiến bợ khoa học kỹ tḥt đã góp phần to lớn vào quá trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hoá của mỗi đất nước Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về điều khiển cũng lần lượt đời góp phần khơng nhỏ việc xây dựng các nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động công nghiệp Là một nước quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm vụ hiện là thực hiện thành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đất nước ta ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước khu vực và thế giới.Tự động hoá sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ nhằm nâng cao xuất, hạ giá thành sản phẩm không những là yêu cầu bắt buộc mà nữa còn được xem một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia Từ những yêu cầu thực tiễn trên, em đã được giao thực hiện một đồ án môn học môn Tổng hợp hệ điện với đề tài là: “ Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động một chiều sử dụng vị trí tuyến tính ” Do kiến thức còn hạn chế vì vậy đồ án này của em khơng khỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn thiện ! Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Giới thiệu về động điện một chiều Hiện động điện một chiều được dùng rất phổ biến các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động điện một chiều từ vài W đến hàng MW Đây là loại đợng đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc và hãm với tải trọng nặng Động điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng các truyền động khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ Trong động điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu điều khiển Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha 1.2 Cấu tạo động điện một chiều Động điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện Hình 1.1: Mặt cắt ngang động điện chiều • Stator : còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung các cực từ stator Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuật điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm và được gắn gông từ bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy • Rotor : còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần ứng Lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh lõi thép rotor Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp thông qua các lá góp cổ góp Lõi thép phần ứng và cổ góp được cớ định trục rotor • Cổ góp và chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện dây quấn phần ứng 1.3 Phân loại động điện một chiều Dựa vào dòng kích từ, người ta chia động điện một chiều thành các loại sau: Động điện chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, từ thông kích từ được tạo bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi là động điện một chiều kích từ vĩnh cửu Động điện chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song song với mạch phần ứng Động điện chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai c̣n, dây q́n kích từ song song và dây q́n kích từ nới tiếp Trong đó, c̣n kích từ song song thường là cuộn chủ đạo Hình 1.2: 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 1.4 Khái quát về động điện một chiều Ưu điểm bản của động điện một chiều so với các loại động điện khác là khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc đợ đơn giản, dễ chế tạo Do đó, điều kiện bình thường, đới với các cấu có u cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động điện một chiều Đối với các hệ thống trùn đợng điện có u cầu điều chỉnh tớc đợ thường sử dụng động điện một chiều kích từ đợc lập CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ TUYẾN TÍNH 2.1 Cấu trúc điều khiển Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển 2.2 Giới thiệu và chọn lựa các thành phần cấu trúc điều khiển 2.2.1 Giới thiệu và lựa chọn bộ điều khiển Phần cứng của hệ thống bao gồm hai khối chức quan trọng là: Bộ điều khiển và bộ cảm biến vị trí Cả hai khối này được xây dựng Board Arduino Mega 2560 được mô tả hình sau: Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng Atmega 2560 bao gồm: - 54 chân digital ( 15 có thể được sử dụng các chân PWM ) 16 đầu vào analog UARTs ( cổng nối tiếp phần cứng ) thạch anh 16 MHz cổng kết nối USB - jack cắm điện đầu ICSP nút reset Điện áp làm việc 5V Hình 2.2: Sơ đồ linh kiện của Arduino Mega 2560 Hình 2.3: Các thành phần Arduino Mega 2.2.2 Lựa chọn động điện một chiều Chọn đợng Л-72 có thơng sớ bảng 2.1: Bảng 2.1: Thông số động Л-72 MÃ HIỆU Л-72 Pđm (kW) 25 Uđm (V) 220 Iđm (A) 132 ndm (v/p) 1500 Rư (Ω) 0.0966 Lư (H) 0.0063 J (kg.m2) 1.2 2.2.3 Giới thiệu và lựa chọn cảm biến vị trí • Giới thiệu các loại cảm ứng vị trí + Cảm biến Chiết áp Cảm biến vị trí được sử dụng phổ biến nhất thiết bị điện là chiết áp Vì là mợt cảm biến vị trí rẻ tiền và dễ sử dụng Nó có mợt tiếp xúc gạt nước liên kết với một trục khí có thể là góc (quay) hoặc tuyến tính (dạng trượt) chủn đợng của Tín hiệu điện trở gây giữa gạt nước / trượt và hai kết nới ći có mới quan hệ tỷ lệ tḥn Giữa vị trí gạt nước thực tế giữa điện trở và giá trị điện trở của Nói cách khác, mức điện trở là tỷ lệ thuận với vị trí Hình 2.4: Ví dụ về mạch cảm biến vị trí đơn giản + Cảm biến tiệm cận cảm ứng Một loại cảm biến vị trí cảm ứng khác sử dụng phổ biến là cảm biến tiệm cận cảm ứng cũng được gọi là cảm biến dòng xoáy Trong họ khơng thực sự đo chủn dịch hoặc xoay góc, chúng chủ yếu được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một vật trước mặt chúng hoặc mợt khoảng cách gần, tên của chúng là “cảm biến tiệm cận” Cảm biến tiệm cận, là cảm biến vị trí không tiếp xúc sử dụng từ trường để phát hiện với cảm biến từ tính đơn giản nhất là công tắc sậy Trong một cảm biến cảm ứng, một cuộn dây quấn quanh lõi sắt một trường điện từ để tạo thành một vòng cảm ứng Khi một vật liệu sắt từ được đặt trường dòng xoáy tạo xung quanh cảm biến cảm ứng, chẳng hạn một tấm kim loại sắt từ hoặc kim loại vít, điện cảm của cuộn dây thay đổi đáng kể Mạch phát hiện cảm biến tiệm cận phát hiện sự thay đổi này tạo điện áp đầu Do đó, cảm biến tiệm cận cảm ứng hoạt động theo nguyên lý điện của Luật tự cảm của Faraday + Cảm biến vị trí cảm ứng Một loại cảm biến vị trí không bị các vấn đề về khí là “Biến áp biến thiên tuyến tính” hoặc LVDT Đây là cảm biến vị trí cảm ứng loại hoạt động nguyên tắc tương tự máy biến áp AC được sử dụng để đo chủn đợng Nó là mợt thiết bị rất chính xác để đo chuyển vị tuyến tính Đầu của tỉ lệ thuận với vị trí của lõi di chuyển của Về bản bao gồm ba cuộn dây điện trở một ống rỗng trước một cuộn cuộn dây chính và hai cuộn dây khác tạo thành các dây tương tự giống hệt được kết nới bằng điện với với góc 180 với cuộn dây chính Một lõi sắt từ sắt mềm có thể di chủn được (đơi được gọi là “phần ứng”) được nối với vật thể được đo, trượt hoặc di chuyển lên xuống thân hình ống của LVDT Một điện áp tham chiếu AC nhỏ gọi là “tín hiệu kích thích” (2 – 20V rms, – 20kHz) được áp dụng cho cuộn dây chính, tạo tín hiệu EMF vào hai cuộn dây phụ kế tiếp (các nguyên lý biến áp) Nếu phần lõi lõi sắt từ mềm chính xác giữa ống và cuộn dây, “vị trí rỗng” Hai cảm ứng hai cuộn dây thứ cấp triệt tiêu chúng lệch 1800 Do kết quả đầu điện áp bằng khơng Khi lõi được dịch chuyển nhẹ sang một bên hoặc vị trí khác Điện áp cảm ứng thiết bị thứ hai sẽ lớn điện áp chính và đầu sẽ được tạo Độ phân cực của tín hiệu đầu phụ thuộc vào hướng và dịch chuyển của lõi chuyển động Sự chuyển động của lõi sắt mềm từ vị trí rỡng trung tâm của càng lớn thì tín hiệu đầu sẽ càng lớn Kết quả là một đầu điện áp vi sai thay đổi tuyến tính với vị trí lõi Do đó, tín hiệu đầu từ loại cảm biến vị trí này có cả biên đợ là hàm tún tính của dịch chuyển lõi và cực phân cực cho biết hướng chuyển đợng Giai đoạn của tín hiệu đầu có thể được so sánh với pha kích thích cuộn dây chính cho phép các mạch điện tử thích hợp Bộ khuếch đại cảm biến LVDT AD592 để biết một nửa cuộn dây lõi từ tính đâu và biết hướng đi.Bợ kh́ch đại cảm biến LVDTAD592 để biết một nửa của cuộn dây lõi từ tính và biết hướng Hình 2.5: Cảm biến vi sai tuyến tính • Lựa chọn cảm ứng vị trí phù hợp 10 Hình 2.6: Đồ thị khoảng cách cảm biến GP2D12 từ 10 – 80cm Từ mỗi đoạn dữ liệu bảng 2, sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu bằng công cụ polyfit của MATLAB, ta dễ dàng xác định được a và b • Sơ đồ đấu nối từ cảm biến tới Auduno Hình 2.7: Sơ đồ thực tế 12 Hình 2.8: Sơ đồ đấu nối 2.2.4 Lựa chọn mạch công suất Sử dụng mạch cầu H (HB - 300W) 2.3 Hàm truyền của khâu đo vị trí Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu vị trí: Wϕ ( p ) = Trong đó: Tϕ Kϕ + Tϕ p - hằng số thời gian của cảm biến đo vị trí Kϕ - hệ số phản hồi vị trí 13 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Tổng hợp các bộ điều khiển Việc tổng hợp các bộ điều khiển đều được tiến hành theo phương pháp tiêu chuẩn module tối ưu hoặc tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển ba mạch vòng kín là: Bắt đầu từ vòng , từng vòng từng vòng một mở rộng ngoài Nghĩa là trước tiên ta phải thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi cả mạch vòng dòng điện là một khâu hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quay, tiếp tục coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu hệ điều chỉnh vị trí để thiết kế bộ điều chỉnh vị trí 3.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện Mạch vòng điều khiển dòng điện có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện điều khiển động điện một chiều, cũng làm hạn chế dòng của đợng không vượt quá ngưỡng cho phép Mặt khác, nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập dòng phần ứng bằng giá trị đặt trước sự tác động của nhiễu Hình 3.1 : Cấu trúc mạch vòng dòng điện Đối với đợng mợt chiều, bợ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo cách: 14 - Tổng hợp bộ điều khiển dòng bỏ qua suất điện động phần ứng - Tổng hợp bộ điều khiển dòng tính đến suất điện động phần ứng Trong những trường hợp quán tính của động lớn nhiều so với quán tính điện, nghĩa là tại một thời điểm có thể xem sự thay đổi về dòng điện lớn nhiều lần so với sự thay đổi của tớc đợ và tại những điểm xem tớc độ không đổi Khi cần chính xác ta phải tính đến suất điện động của động Ta tổng hợp bộ điều khiển dòng RI bỏ qua suất điện động phần ứng: Hình 3.2: Mô hình bộ điều khiển dòng bỏ qua suất điện động phần ứng Khi đới tượng điều khiển dòng SI được tính sau: Ru K BD KI SI = (1 + TV p)(1 + TBD p) + TI p + Tu p Áp dụng tiêu ch̉n module tới ưu ta có: R= S 2.τ p.(1 + τ p ) 15 Trong mơ hình đới tượng SI có các hằng sớ thời gian TBD, TV, TI là những hằng số thời gian nhỏ, có Tu là hằng sớ thời gian lớn nên trước hết ta đơn giản mô hình đối tượng SI về dạng: SI ≈ với K I K BD Ru (1 + Tu p )(1 + TSI p ) TSI = TBD + TV + TI Thay giá trị của SI ta được: RI = Chọn (1 + Tu p)(1 + TSI p) K I K BD 2.τ p.(1 + τ p ) Ru τ = TS I ⇒ RI = ⇒ RI = (1 + Tu p)(1 + TSI p ) + Tu p ⇒ RI = K I K BD K I K BD 2.TSI p 2.TSI p.(1 + TS I p) Ru Ru   Ru Tu  + 1÷ 2.K I K BD TSI  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 = = + 2τ p + 2τ p I sp I sp 16 Iu KI ⇒ = I sp + 2TS I p + 2TS2I p 3.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ: Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển động mợt chiều kích từ đợc lập Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn module tối ưu: Iu KI = = FI ( p ) I sp + 2TSI p + 2TS2I p Do TSI là giá trị nhỏ nên có thể nên có thể xấp xỉ hàm truyền kín của mạch vòng dòng: 17 FI ≈ KI + 2TSI p Khi sơ đồ điều khiển cho mạch vòng tớc đợ có thể rút gọn lại: Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn Hàm truyền của khâu đo tốc đợ có dạng: Kω + Tω p Vậy đối tượng của bộ điều khiển tốc độ tính được 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 tới ưu ta có: Rω = S 2.τ p(1 + τ p ) 18 ⇒ Rω = Chọn Kω Cu 2τ p.(1 + τ p) K I J p (1 + 2TSω p) τ = 2TSω ⇒ 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 bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn module tối ưu là bộ điều khiển P Theo tiêu chuẩn này, hàm truyền kín của mạch vòng tớc đợ có dạng: Fω ( p) = Kω + 2τ p + 2τ p 1 Kω Kω ⇒ Fω ( p ) = ≈ 2 + 4TSω p + 8TSω p + 4TSω p 3.1.3 Tổng hợp bộ điều khiển vị trí Ta đã có hàm trùn kín của mạch vòng tớc đợ sau: Fω ( p ) ≈ Kω + 4TSω p 19 Khâu truyền lực: k p Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí: Sϕ = Kϕ Kω k + 4TSω p + Tϕ p p Áp dụng tiêu ch̉n module tới ưu ta có: Rϕ = S 2.τ p.(1 + τ p) ⇒ Rϕ = Kω k 2.τ p.(1 + τ p) + 4TSω p + Tϕ p p ⇒ Rϕ = Chọn τ = Tϕ 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 bộ điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn module tối ưu là bộ điều khiển PD Sau tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí đợng điện một chiều kích từ độc lập sau: 20 Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện một chiều kích từ độc lập 3.2 Tính toán thông số và kết quả mô phỏng 3.2.1 Tính toán thông số Thông số động chiều: MÃ HIỆU Л-72 Chọn: Pđm (kW) 25.0 Uđm (V) 220 Iđm (A) 132 ndm (v/p) 1500 TI = 0,002 s Tω = 0,001 s Tbd = 0,0015 s Tv = 0,003 s Tϕ = 0,3 s 21 Rư (Ω) 0.0966 Lư (H) 0.0063 J (kg.m2) 1.2 Tính tốn thơng số ω= - Tớc đợ góc: 2π n 2π 1500 = = 157,1(rad / s) 60 60 Kφ = Cu = - - Từ thông: Momen định mức: U dm − I dm Ru 220 − 132.0, 0966 = = 1,3 ω 157,1 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 của bộ 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) 22 KI = U dat 10 = = 0, 076 I dm 132 RI =  Ru Tu  0, 0966.0, 066   1 + 1 + ÷= ÷ 2.K I K BD TSI  Tu p  2.0, 076.22.0, 0065  0, 066 p  ⇒ 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 của bộ truyền lực: 23 1 k= = i 10 ⇒ Rϕ = Kω 0, 064 + 4TSω p = ( + 4.0, 007 p ) 2.k Kϕ Tϕ .0,1.0, 10 ( ) ⇒ Rϕ = 10, 67 + 0, 299 p 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 3.2.2 Mô phỏng đáp ứng Simulink với các nhiễu tải khác 24 10 Dat P D (s) B DK vi tri P (s) B D K to c d o P I(s) S a tu tio n B DK dong 22 1 0 s+ 0 s+ 0 6 s+ T n sfe r F cn T n sfe r F cn S a tu tio n T n sfe r Fcn Cu 4 4 Mc s T n sfe r F cn Cu 0 0 s+ Do dong S co p e 0 0 s+ D o to c d o S co p e s+ D o vi tri S co p e Hình 3.6: Mô phỏng Simulink 25 1 s 10s T n sfe r F cn K h u e ch d a i T D S co p e KẾT LUẬN Qua một thời gian với sự cố gắng của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô, đặc biệt là thầy Trần Tiến Lương hướng dẫn trực tiếp tới em đã hoàn thành đồ án của mình Qua nội dung đề tài em được nắm vững phần lý thuyết đã học lớp cũng thực tế Tuy nhiên nội dung đồ án còn khá mẻ, tầm hiểu biết còn hạn chế nên đồ án môn học này của em không thể tránh khỏi những thiếu sót Em mong các thầy bảo giúp đỡ em để em hoàn thành tốt nữa nhiệm vụ của mình Em xin trân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 21 tháng 12 năm 2019 26 ... của MATLAB, ta dễ dàng xác định được a và b • Sơ đồ đấu nối từ cảm biến tới Auduno Hình 2.7: Sơ đồ thực tế 12 Hình 2.8: Sơ đồ đấu nối 2.2.4 Lựa chọn mạch công suất Sử dụng... thành đồ án của mình Qua nội dung đề tài em được nắm vững phần lý thuyết đã học lớp cũng thực tế Tuy nhiên nội dung đồ án còn khá mẻ, tầm hiểu biết còn hạn chế nên đồ. .. Sau tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí đợng điện một chiều kích từ độc lập sau: 20 Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	1,32 MB