TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ 1 Đề số 37 : Cho một hệ truyền động động cơ-xe. Xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập. Yêu cầu nội dung Thông số kỹ thuật - Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập. - Xây dựng mô hình điều khiển truyền động cho xe . - Tính chọn các bộ điều khiển . - Mô phỏng đáp ứng trên Simulink với các nhiễu tải khác nhau và đánh giá kết quả. Động cơ JI-72: P đm =25(kW),U đm =220(V), I đm =132(A), n đm = 1500 (v/p), R ư = 0.0966 (Ω), L ư = 0.0063 (H), J= 1.2 (kg.m 2 ) Giáo viên hướng dẫn: TRẦN TIẾN LƯƠNG Sinh viên thực hiện : PHẠM ĐỨC LONG Mã sinh viên : 39187 Nhóm : N03 Hải Phòng-năm 2013 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Mục lục Lời nói đầu 2 Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động 1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều 1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều 1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều 1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều 1.2.Yêu cầu công nghệ 1.3.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều 1.3.1.Khái quát về bộ điều khiển PID 1.3.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID Chương 2. Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động 2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động 2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mô hình toán của các thành phần 2.2.1.Bộ điều khiển 2.2.2.Bộ biến đổi 2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 2.2.4.Thiết bị đo lường Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng 3.1.Tổng hợp các bộ điều khiển 3.1.1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 3 3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí 3.2.Kết quả mô phỏng 3.2.1.Tính toán thông số 3.2.2.Kết quả mô phỏng Kết luận Sinh viên thực hiện Giáo viên hướng dẫn Phạm Đức Long Trần Tiến Lương MỤC LỤC Lời nói đầu 5 Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động 6 1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều 6 1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều 6 1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều 7 4 1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều 8 1.2.Yêu cầu công nghệ 8 1.3.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều 9 1.3.1.Khái quát về bộ điều khiển PID 9 1.3.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 11 Chương 2. Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động 17 2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động 17 2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mô hình 17 toán của các thành phần 2.2.1.Bộ điều khiển 17 2.2.2.Bộ biến đổi 23 2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 24 2.2.4.Thiết bị đo lường 30 Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng 32 3.1.Tổng hợp các bộ điều khiển 32 3.1.1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 32 3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 35 3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí 37 3.2.Kết quả mô phỏng 39 3.2.1.Tính toán thông số 39 5 3.2.2.Kết quả mô phỏng 42 Kết luận 51 Lời nói đầu Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, truyền động điện có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của xã hội. Truyền động điện làm tăng năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Để đáp ứng được yêu cầu thực tế các hệ truyền động điện có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngày càng cao đã ra đời. Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế hệ thống truyền động, góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học nên 6 em được thầy giao cho đề tài: “Cho một hệ truyền động động cơ – xe. Xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập”. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tiến Lương, cùng các thầy cô giáo khoa Điện - Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này. Trong quá trình thiết kế còn tồn tại những sai sót, mong các thầy cô giáo góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ. 7 Trong động cơ 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 ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha. 1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện. Hình 1: Mặt cắt ngang động cơ điện một chiều •Stator : còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tậptrung trên 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 trên 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 nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh trên lõi thép rotor. Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor. •Cổ góp và chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng. 8 1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại sau: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ được tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích từ vĩnh cửu. Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song song với mạch phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong đó, cuộn kích từ song song thường là cuộn chủ đạo. Hình 2: Các loại động cơ điện một chiều a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 9 b) Động cơ điện một chiều kích từ song song c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 1.1.3. Điều khiển động cơ điện một chiều Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo. Do đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều. Đối với các hệ thống truyền động điện có yêu cầu điều chỉnh tốc độ thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 1.2. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ Hệ truyền động động cơ-xe có kết cấu khá phức tạp. Về phần điện hệ thống bao gồm từ nhận năng lượng từ một nguồn cố định, biến đổi năng lượng thật phù hợp để đưa vào động cơ truyền động, bên cạnh đó là hệ thống điều khiển nguồn năng lượng đó để phù hợp với yêu cầu thay đổi tốc độ của động cơ. Về phần cơ bao gồm cơ cấu bánh răng, xích truyền, hộp số,…để truyền chuyển động từ động cơ đến bánh xe, hệ thống tăng giảm tốc độ, đảo chiều chuyển động, hệ thống phanh hãm…. Trong quá trình hoạt động của hệ thống yêu cầu khi tăng tốc và giảm tốc phải êm. Độ bền cơ khí của hệ thống phải cao. Dải điều chỉnh tốc độ phải trơn. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động và hệ điều khiển tự động phải đơn giản, các phần tử cấu thành phải có độ tin cậy cao, đơn giản, sửa chữa và thay thế dễ dàng. 10 [...]... không đồng thời của tín hiệu điều khiển với góc mở của tiristor Tbd : hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu kbd : hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu 2.2.3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng vì nó có nhiều ưu điểm Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập như sau: Hình 15: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ĐC: Động cơ điện. .. Điện áp đặt vào phần ứng động cơ Iư: Dòng điện phần ứng Ikt: Dòng điện kích từ φkt : Từ thông kích từ 26 CF: Cuộn dây cực từ phụ CB: Cuộn dây bù Me: Momen điện từ Mc: Momen cản ω : Tốc độ góc của động cơ  Mô hình toán ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập + Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Uư = E + Iư.Rư + Phương trình sức điện động động cơ: E = K φ ω + Phương trình momen điện. .. nhiên và có điện áp ra là một chiều là các thiết bị điện, biến nguồn điện xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều điều khiển được Hình 13: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha Sơ đồ mạch điện gồm 6 tiristor công suất Các điện áp U 2 xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu Các tiristor T1,2,3 và T2,4,6 có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện để cung cấp nguồn điện một chiều cho tải Các tiristor thay nhau dẫn dòng nhưng lệch... điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi cả mạch vòng dòng điện là một khâu trong hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ 33 quay, tiếp tục coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu trong 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 khi điều khiển động cơ điện một chiều,... 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 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: 34 Hình 20: Mô hình... KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số K P, TI, TD của bộ điều khiển PID Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do... M e ( p ) − M c ( p ) = Jpω ( p ) Từ phương trình phần ứng ta có: với Tu = Lu Ru Trên cơ sở đó ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều tổng quát: Hình 16: Sơ đồ cấu trúc tổng quát động cơ điện một chiều kích từ độc lập 28 Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ đồ là rất cao Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương trình... ∆I(p)(1+ Tư p) ∆Uk(p) = Rk ∆Ik(p)(1+ Tk.p) K.I0 ∆φ(p) + K.φ0 ∆I(p) - ∆M0(p) = Jp.∆ω(p) Từ hệ phương trình trên ta xác định được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa như sau: 29 Hình 17: Sơ đồ tuyến tính hóa của động cơ điện một chiều kích từ độc lập  Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và không điều khiển từ thông thì có thể xem từ thông là một... động cơ Để làm được điều đó người ta thường dùng máy phát tốc, nó được nối cứng trục với động cơ Hàm truyền của máy phát tốc : WFT ( p ) = Kω 1 + Tω p Trong đó : Tω - hằng số thời gian của máy phát tốc Kω - hệ số phản hồi của máy phát tốc b) Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào khống chế hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện. .. đáp ứng của hệ tuy có vô sai bậc 2 nhưng độ quá chỉnh lại lên đến 43% Vì vậy, để giảm được độ quá chỉnh người ta mắc thêm vào một bộ lọc tín hiệu điều khiển với hàm truyền: Floc = 1 1 + 4τ p CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 2.1 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 18 Hình 9: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện Trong đó: R- các bộ điều khiển BBĐ- bộ biến đổi M- động cơ TB Đo- . Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 1.1.3. Điều khiển động cơ điện một chiều Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện khác. 2: Các loại động cơ điện một chiều a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 9 b) Động cơ điện một chiều kích từ song song c) Động cơ điện một chiều kích