TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Đề bài: Cho hệ truyền động vị trí sử dụng động – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng điều khiển cho hệ sử dụng động truyền động động chiều kích từ độc lập Với thông số sau: Thông số kỹ thuật • • • • • • Yêu cầu • Xây dựng mô hình động chiều • Xây dựng mô hình điều khiển cho hệ • Tính chọn điều khiển • Mô đáp ứng simualink với nhiễu, tải khác đánh giá kết Công suất động 10KW Điện áp nguồn 110 VDC Trọng lượng tải 4000kg Tốc độ lớn 0.05m/s Hệ số ma sát 0.5 Tỉ số hộp truyền 10/1 Giáo viên hướng dẫn : TRẦN TIẾN LƯƠNG Sinh viên : ĐINH VĂN MẠNH Msv : 39190 Lớp : ĐTĐ51-ĐH2 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 1.2 1.3 1.4 Động điện chiều Mô hình toán động điện chiều Hàm truyền biến đổi Vít me Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ truyền động điện 2.2 Tổng hợp mạch điều khiển dòng 2.3 Tổng hợp mạch điều khiển tốc độ 2.4 Tổng hợp mạch điều khiển vị trí Chương MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Tính toán giá trị mô 3.2 Mô simulink 3.3 Kết mô LỊCH TRÌNH Tuần 10 11 12 13 Nội dung Nhận đề tài Đề cương sơ Đọc tài liệu Đọc tài liệu Đọc tài liệu Đọc tài liệu Đọc tài liệu Đọc tài liệu Chương Mục 2.1 đến 2.3 Mục 2.4 Mục 3.1;3.2 Mục 3.3 Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Tổng quan máy điện chiều a) Khái niệm Động điện chiều loại máy điện làm việc với nguồn điện chiều Chúng vận hành theo chế độ máy phát theo chế độ động Nghĩa máy điện chiều biến đổi thành điện ngược lại b) Cấu tạo Cấu tạo máy điện chiều gồm phần chính: - Stato: Còn gọi phần cảm có nhiệm vụ tạo từ thông máy, thường chế tạo gang hay thép đúc Stato mạch từ vỏ máy bao bọc phận bên Phía mặt stato gắn cực từ, phần cuối cực từ làm loe tạo thành đầu cực từ, thân cực từ có gắn cuộn dây kích từ Hình 1.1 Cấu tạo máy điện chiều - Roto: gọi là phần ứng, gồm lõi thép dây quấn phần ứng - Lõi thép: có hình trụ ghép từ ghép kĩ thuật điện, ghép cách điện với nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao dòng điện xoáy Hình 1.2 Lá thép stato Chung quanh thép dập rãnh để ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây phần ứng Giữa thép có dập lỗ lắp trục lỗ trêm dọc Ngoài lõi thép dập số lỗ thông gió để làm mát Thân máy, cực từ lõi thép phần ứng tạo thành mạch từ máy điện chiều Dây quấn tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, phần tử gồm nhiều vòng dây xếp rãnh lõi thép Hai đầu phần tử nối với với phiến góp, cạnh tác dụng phần tử xếp rãnh nằm cực khác tên Phần ứng bắt chặt trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn Nắp máy giữ cố định hai bạc đạn bắt chặt vào thân máy bu-lông xuyên - Cổ góp – chổi than Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện phần ứng máy điện với thiết bị bên Khi hoạt động chế độ máy phát điện cổ góp có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp chiều trước đưa mạch điện Hình 1.3 Cổ góp chổi than Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp đồng thành hình trụ tròn, sau gắn vào trục roto, phiến góp có cách điện với cách điện với trục lớp mica mỏng Một đầu phiến góp xẻ rãnh để hàn với đầu dây phần tử dây quấn phần ứng Chổi than gọi chổi điện làm từ than graphit đặt giá đỡ hình hộp Chổi than di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ cách điện bắt chặt vào nắp máy Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu lại có lò xo ép chặt Các đầu dây phần tử dây quấn phần ứng nối với cổ góp tạo thành mạch điện khép kín Khi chổi than ép vào phiến góp chia dây quấn phần ứng thành mạch nhánh song song c) Phân loại Máy điện chiều phân loại theo dạng mạch kích từ: - Mấy điện chiều kích từ song song - Máy điện chiều kích từ độc lập - Máy điện chiều kích từ hỗn hợp d) Ưu – nhược điểm máy điện chiều - Ưu điểm máy điện chiều: Ưu điểm bật máy điện chiều có momen mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảng nhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa cần thay đổi mịn tốc độ - Khuyết điểm: Nhược điểm chủ yếu máy điện chiều phận cổ góp có cấu tạo phức tạp đắt tiền hoạt động tin cậy thường hư hỏng trình vận hành nên cần bảo dưỡng sửa chữa thường xuyên Ngoài ra, tia lửa điện phát sinh cổ góp – chổi than gây nguy hiểm môi trường dễ cháy nổ Nhược điểm mạng điện cung cấp chủ yếu dạng xoay chiều nên cần cho máy điện chiều hoạt động phải có chỉnh lưu máy phát điện chiều kèm e) Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi mạch điện chiều có công suất không đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào nguồn độc lập với nhau, lúc động gọi động kích từ độc lập Hình 1.4 Sơ đồ nối dậy động điện chiều kích từ độc lập ϖ= Phương trình đặc tính cơ: Uö R + Rf + ö ×M đñt kφđñm ( kφ ) đm Với Uư: điện áp phần ứng Rư: điện trở mạch phần ứng Rf: điện trở phụ mạch phần ứng Hình 1.5 Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập 1.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động điện chiều có nhiều loại động điện chiều kích từ độc lập hay sử dụng nhiều có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay động điện chiều sau: Hình 1.6 Hệ thống truyền động động điện chiều kích từ độc lập - ĐC: Động điện chiều - Uư: Điện áp phần ứng - Ukt: Điện áp kích từ - Iư: Dòng điện phần ứng - Ikt: Dòng điện kích từ - CF: Cuộn dây cực từ phụ - CB: Cuộn bù - Mđt: Momen điện từ - Mc: Momen cản - ω: Tốc độ góc động - φkt: Từ thông kích từ 1.2.1 Mô hình toán động điện chiều chế độ xác lập - Phương trình cân điện áp phần ứng: U = I ö R ö + E - Biểu thức momen suất điện động: M đt = K.φ.I ö ϖ Trong đó: K = p.N / (2πa) hệ số cấu trúc động p: số cặp cực từ động N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a: số nhánh song song Từ biểu thức ta suy biểu thức tính tốc độ góc: ϖ= Uö Rö U Rö − Iö = ö − M Kφ Kφ Kφ ( Kφ ) đñt Biểu thức cho phép xây dưng đặc tính điện đặc tính động điện chiều chế độ xác lập, phương pháp điều chỉnh tóc độ đảo chiều quay 1.2.1 Chế độ độ động điện chiều Hệ phương trình viết cho động dạng toán tử Laplace: - Với mạch kích từ: U k (p) = R k I k + N k pφ(p) -Với mạch phần ứng: U ö ( p) = R ö I ö (p) + L ö p.I ö (p) ± N N pφ(p) + E(p) - Phương trình cân momen: M đñt (p) – M c (p) = J.p.∆ϖ( p) Từ phương trình phần ứng ta có: I ö (p) = Rö =  U(p) mN N pφ(p) − E(p)  + Tö p  với Tö = L ö R ö Trên sở ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động điện chiều tổng quát: Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc động điện chiều tổng quát Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ thấy tính phi tuyến sơ đồ cao Như tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc phương trình tuyến tính hóa viết sau: 10 FI (p) = SI (p).R I (p) FI (p) ⇒ R I (p) = + SI (p).R I (p) SI (p) − FI (p)SI (p) R I (p) = Chọn K CL K I R ö ×2τ p ( + 2τi p ) ( + TSI p ) ( + Tö p ) i τi = ( TSI , Tö ) = TSI Vậy ta có hàm truyền điều chỉnh dòng điện: R I (p) = + pTö Rö = 2pK IK CL TSI R ö 2.K CL K I TSI  1 × Tö + ÷ p  Kết tổng hợp mạch vòng phương pháp tối ưu: FI (p) = KI KI ≈ + 2TSI p + 2TSI2 p2 + 2TSI p 2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Rϖ Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với vòng vòng điều khiển dòng, vòng vòng điều khiển tốc độ Tuy nhiên trường hợp cấu trúc nhỏ điều khiển tốc độ có yêu cầu chất lượng không cao người ta bỏ qua mạch vòng dòng điện 2.3.1 Tổng hợp điều khiển tốc độ có mạch điều khiển dòng Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 19 Theo hình 2.6 ta có đối tượng cho điều khiển: Sϖ = kϖ KI Cu × × + 2TSI p J.p + Tω.p ; với kϖ + Tϖ p hàm truyền khâu đo - Khi tổng hợp điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu, với giá trị T SI nhỏ ta được: FI (p) = KI KI ≈ 2 + 2TSI p + 2TSI p + 2TSI p Hình 2.7 Sơ đồ rút gọn mạch vòng vị trí Sϖ = Rϖ = k ω Cu K I Jp ( + 2TSϖ p ) ; với 2TSv = 2TSI + Tv C u k ϖ × ×2 p ( + p ) J ×k I p ( + 2TSϖ ) Áp dụng phương pháp tối ưu ta có: Rϖ = k ϖ C u K I ×2τp ( + τp ) Jp ( + 2TSω p ) Đặt τ = 2TSϖ ⇒ Rϖ = k ϖ Cu 4TSϖ KIJ 20 Từ công thức ta thấy Rϖ = K I J k ϖ Cu.4Tϖ Kết tổng hợp modul tối ưu có TSϖ nhỏ nên ta có: kϖ ϖ ≈ = Fϖ ϖ ñđ + p.TS ϖ 21 2.4 MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Hình 2.8 Mạch vòng điều khiển vị trí Ta có hàm truyền kín mạch vòng tốc độ sau: Fϖ = kϖ + 4Tϖ Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí: Sϕ = kϕ kϖ kr × × + 4TSϖ p + Tϕ ×p Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: Rϕ = Đặt 1 = kϕ S.2.τ.p ( + τp ) kϖ kr × × ×τ.p ( + τp ) + 4TSϖ p + Tϕ ×p Tϕ = τ Rϕ = Ta có: kϖ ( + 4TSϖ p ) 2k r k ϕ Tϕ Bộ điều khiển vị trí tổng hợp theo phương pháp tối ưu P – D 22 23 Chương MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 3.1 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MÔ PHỎNG * Các thông số biết - Pđm = 11 KW - Uđm = 220 V - Iđm = 59.5 A - nđm = 1500 v/p - Rư = 0.197 Ω - Lư = 0,014 H - J = 0.56 kg.m2 - Tỉ số truyền: i = 10 - Đường kính trục visme : D = 0.1m * Các thông số chọn: - TI = 0.002s - Tϖ= 0,001 s - Tbd = 0,002 s - Tv = 0,003 s - Tϕ = 0,2 s * Tính toán thông số - Tốc độ góc: - Từ thông: ϖ= kφ = 2πn × π × 1500 = = 157 60 60 (rad/s) U đm − I đm R ö 220 − 59.5 × 0.197 = = 1.3 ϖ 157 - Hằng số thời gian phần ứng: - Hàm truyền động cơ:  Tö = WD ( p) = L ö 0.014 = = 0.07 R ö 0.197 (s) Rö 0.197 = = + Tö ×p + 0.07 p + 0.07 p 24 25 - Hàm truyền biến đổi: Chọn U ñ = 10V ⇒ k bñ = Wbbñ = 220 = 22 10 K bñ 22 = ( + Tv p ) ( + Tbđp ) ( + 0.03p ) ( + 0.025p ) - Bộ điều khiển dòng: TSI = Tv + TI + Tbñđ = 0.003 + 0.002 + 0.002 = 0.007(s) KI = Uñ = 0.168 I đñm RI = Vậy: ⇒ RI = R ö Tö 2.K bđ.K I TSI   ×1 + ÷  p.Tö   0.197 × 0.07  1 + ÷ = 0.2665 + 3.8072 p × 22 × 0.168 × 0.007  0.07 p  - Bộ điều khiển tốc độ TSϖ = 0.5(2TSI + Tϖ ) = 0.0075(s) k Sϖ = ϖ = Rϖ = 10 = 0.064 157 K I J 0.168 × 0.56 = = 37.69 k ϖ Cu.4TSϖ 0.064 × 1.3 × × 0.0075 - Bộ điều khiển vị trí Chọn L = 5m; Dvisme = 0.1 ⇒ R = 0.05m L φ =  =  = 100(rad) R 0.05 kϕ = U đñ 10 = = 0.1 ϕ 100 k r = = 0.01 i Hệ số khuếch đại 26 Vậy: Rϕ = Rϕ = kϖ ( + 4TSϖ p ) 2k r k ϕTϕ 0.064 ( + × 0.0075p ) × 0.1 × 0.1 × 0.2 ⇒ R ϕ = 1.6 + 0.48p - Khâu đo dòng: - Khâu đo ϖ: kI 0.168 = + TI p + 0.002 p kϖ 0.064 = + Tϖ p + 0.001p kϕ - Khâu đo ϕ: + Tϕ p = 0.01 + 0.2p 27 3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 28 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG a) Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v - Vị trí: - Tốc độ: 29 - Dòng điện: b) Với momen cản Mc = 100; điện áp đặt 10v - Vị trí: 30 - Tốc độ - Dòng điện 31 - Khi tăng điện áp đặt lên 15V nhiều thời gian để đạt vị trí cần đến Nhận xét: Sauk hi mô simulink ta thấy hệ điều khiển vị trí làm việc tốt có tải tải Tuy nhiên có sử dụng khâu hạn chế dòng nên tăng độ dài quãng đường nhiều thời gian để hệ đạt vị trí mong muốn 32 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 vị trí sử dụng động – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng điều khiển cho hệ sử dụng động truyền động động chiều kích từ độc lập” Các nhiệm vụ là: - Xây dựng mô hình động chiều kích từ độc lập - Xây dựng mô hình điều khiển truyền động cho hệ - 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 Trần Tiến Lương Sinh viên Đinh Văn Mạnh 33 [...]... XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện Trong đó: Msx: máy sản xuất M: động cơ truyền động BĐ: bộ biến đổi R: Các bộ điều chỉnh ĐL: Thiết bị đo lường Động cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ xoay chiều, động cơ bước Các động cơ điện được cấp nguồn điện từ bộ biến đổi 15 Các bộ... là thiết lập giá trị dòng bằng giá trị điều khiển trước sự tác động của nhiễu Đối với động cơ một chiều bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo hai cách: - Tổng hợp bộ điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ứng - Tổng hợp bộ điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứng Trong những trường hợp quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện nghĩa là tại một thời điểm có thể xem sự thay đổi của đong điện. .. đến suất điện động của động cơ 2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản có chức năng cơ bản của các mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Trong... ϖ(p) 11 Trong trường hợp này mô hình toán của động cơ chỉ có hai phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học U(p) = R ö I(p) ( 1 + Tö p ) + Cuω( p) Cu I(p) – M c (p) = Jp∆ω(p) Từ hai phương trình trên ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông khòn đổi.Trong trường hợp này động cơ là đối tượng tuyến tính Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc động cơ kích từ độc lập... Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông tin để điều khiển các thông số đầu ra bộ biến đổi * Hệ truyền động điện một chiều thường được phân loại: - Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước không đổi Ví dụ: Duy trì tốc độ không đổi, duy trì mômen không đổi - Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí,... đĩa từ… thường gặp các hệ điều khiển theo chương trình trong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động của robot trong sản xuất 2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng Hình 2.2 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng 16 Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dong điện của động cơ không vượt quá ngưỡng... vòng dòng điện Trong đó: Tö = Lö Rö là hằng số điện từ của động cơ Ti = R.C : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện 17 Bỏ qua sự ảnh hưởng của suất điện động ta có: Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua E Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động thì ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau: Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện Trong đó SI là mô hình đói tượng của bộ điều... 32 KẾT LUẬN Sau quá trình học tập và nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy Trần Tiến Lương Em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao trong bản đồ án : “Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng Xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập” Các nhiệm vụ đó là: - Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích từ độc... ( 1 + TSI p ) ( 1 + Tö p ) i τi = min ( TSI , Tö ) = TSI Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: R I (p) = 1 + pTö Rö = 2pK IK CL TSI R ö 2.K CL K I TSI  1 × Tö + ÷ p  Kết quả khi tổng hợp mạch vòng bằng phương pháp tối ưu: FI (p) = 1 KI 1 KI ≈ 1 + 2TSI p + 2TSI2 p2 1 + 2TSI p 2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Rϖ Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối... trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chất lượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện 2.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ khi có mạch điều khiển dòng Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 19 Theo hình 2.6 ta có đối tượng cho bộ điều khiển: Sϖ = kϖ 1 KI Cu × × 1 + 2TSI p J.p 1 + Tω.p ; với kϖ 1 + Tϖ p là hàm truyền khâu đo - Khi tổng hợp bộ điều khiển ... dòng tổng hợp theo hai cách: - Tổng hợp điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ứng - Tổng hợp điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứng Trong trường hợp quán tính lớn so với quán tính điện. .. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Tổng quan máy điện chiều a) Khái niệm Động điện chiều loại máy điện làm việc với nguồn điện chiều Chúng vận hành theo... Với Uư: điện áp phần ứng Rư: điện trở mạch phần ứng Rf: điện trở phụ mạch phần ứng Hình 1.5 Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập 1.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động điện chiều