ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ ĐỀ 26 Tên đề tài : xây dựng điều khiển vị trí cho động chiều sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính Sinh viên thực hiện: Đoàn Nhật Nam Lớp: DTD53-DH2 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu khoa học Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương Giới thiệu động chiều 1.1 Tổng quan động điện chiều 1.2.Điều khiển động môt chiều Chương Xây dựng mô hình động môt chiều kích từ độc lập 2.1.Động điện chiều kích từ độc lập 2.2.Mô hình điều khiển vị trí cho tuyến tính cho động điện chiều Chương Tổng hợp điều khiển kết mô 3.1.Tổng hợp điều khiển 3.2.Kết mô KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Hải Phòng, Ngày 10 Tháng Năm 2016 Giáo viên hướng dẫn Phạm Tâm Thành Sinh viên thực Đoàn Nhật Nam LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần những tiến khoa học kỹ thuật đã đưa lại những ứng dụng lớn lao vào trình công nghiệp hóa đại hoá mỗi đất nước Bên cạnh những thành tựu mặt thực tiễn những ly thuyết điều khiển cũng lần lượt đời góp phần không nhỏ việc xây dựng nguyên ly điều khiển tối ưu hệ thống truyền động công nghiệp Là nước trình xây dựng kinh tế công nghiệp đại với nhiệm vụ thực thành công trình công nghiệp hoá đại hoá, đất nước ta ngày đòi hỏi nhiều những ứng dụng mạnh mẽ thành tựu khoa học kỹ thuật vào trình sản xuất để đưa lại suất lao động cao hơn, cạnh tranh với nước khu vực 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 yêu cầu bắt buộc mà nữa xem chiến lược nhà máy, xí nghiệp cũng toàn sản xuất công nghiệp mỗi quốc gia Từ yêu cầu thực tiễn đó em đã thực đồ án môn học môn tổng hợp hệ điện với đề tài là: “xây dựng điều khiển vị trí cho động chiều sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính” Trong thời gian ngắn đồ án chắc chắn không khỏi những thiếu sót, với nỗ lực thân , em mong nhận y kiến đóng góp thầy cô giáo cùng toàn thể bạn để đồ án hoàn thiện ! Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hiện động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động điện chiều từ vài W đến hàng MW Đây loại động đa dạng linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu momen, tăng tốc hãm với tải trọng nặng Động điện chiều cũng dễ dàng đáp ứng truyền động khoảng điều khiển tốc độ rộng đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ Trong động điện chiều, biến đổi điện mạch chỉnh lưu điều khiển Chỉnh lưu dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉnh lưu sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha 1.1.1.Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm có stator, rotor, cổ góp chổi điện Hình 1: Mặt cắt ngang động điện chiều • Stator : gọi phần cảm, gồm dây quấn kích thích quấn tậptrung cực từ stator Các cực từ stator ghép cách điện từ thép kỹ thuật điện dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm gắn gông từ bằng thép đúc, cũng vỏ máy • Rotor : gọi phần ứng, gồm lõi thép phần ứng dây quấn phần ứng Lõi thép phần ứng có hình trụ, ghép từ thép kỹ thuật điện ghép cách điện với Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, đặt vào rãnh lõi thép rotor Các phần tử dây quấn rotor nối tiếp thông qua góp cổ góp Lõi thép phần ứng cổ góp cố định trục rotor • Cổ góp chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện dây quấn phần ứng 1.1.2.Phân loại động điện chiều Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động điện chiều thành loại sau: Động điện chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, từ thông kích từ tạo bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi động điện chiều kích từ vĩnh cửu Động điện chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng Động điện chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn kích từ song song dây quấn kích từ nối tiếp Trong đó, cuộn kích từ song song thường cuộn chủ đạo Hình 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 1.2.Điều khiển động điện chiều Ưu điểm động điện chiều so với loại động điện khác khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng, điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo Do đó, điều kiện bình thường, cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động điện chiều Đối với hệ thống truyền động điện có yêu cầu điều chỉnh tốc độ thường sử dụng động điện chiều kích từ độc lập CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Động điện chiều kích từ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập hay sử dụng nó có nhiều ưu điểm Sơ đồ thay động chiều kích từ độc lập sau: Hình 15: Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập ĐC: Động điện chiều Uư: Điện áp đặt vào phần ứng động Iư: Dòng điện phần ứng Ikt: Dòng điện kích từ φkt : Từ thông kích từ CF: Cuộn dây cực từ phụ CB: Cuộn dây bù Me: Momen điện từ Mc: Momen cản ω : Tốc độ góc động  Mô hình toán chế độ xác lập động 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 từ: M e = K φ I u + Phương trình đặc tính cơ: ω= U u − I u Ru Kφ  Mô hình toán chế độ độ động chiều kích từ độc lập Hệ phương trình viết cho động dạng toán tử Laplace: + Với mạch kích từ: UKT(p) = RKT.IKT + NKT.pφ(p) + Với mạch phần ứng: Uu(p) = Ru.Iu(p) + Lu.p.Iu(p) ± NN.pφ(p) + E(p) Trong biểu thức (-) khử từ, dấu (+) tham gia từ hóa + Phương trình cân bằng momen: M e ( p ) − M c ( p) = Jpω ( p ) Từ phương trình phần ứng ta có: 1/ Ru I u ( p) = [ U ( p) mN N pφ ( p) − E ( p )] + Tu p Tu = với Lu Ru Trên sở đó ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động điện chiều tổng quát: Hình 16: Sơ đồ cấu trúc tổng quát động điện chiều kích từ độc lập Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến sơ đồ cao Như có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc phương trình tuyến tính hóa viết sau: - Mạch phần ứng: U0 + ∆U(p) = Rư [.I0+∆I(p) ] +pL[I0 + ∆I(p)] + K[φ0 + ∆φ(p)][ωB +∆ω(p)] - Mạch kích từ: Uk0 + ∆Uk(p) = Rk.[Ik0+∆Ik(p)] +pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] Một cách gần ta có phương trình gia số: ∆U(p) - [k ωB ∆φ(p) +k.φ0 ∆ω(p)] = Rư ∆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 ta xác định sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa sau: Hình 17: Sơ đồ tuyến tính hóa động điện chiều kích từ độc lập  Trường hợp động kích từ độc lập có từ thông không đổi Khi xét tới động chiều kích từ độc lập không điều khiển từ thông có thể xem từ thông hằng số Khi đó, ta không mạch kích từ mà phương trình cân bằng mạch phần ứng Vì vậy, ta có thể bỏ số để mạch kích từ mạch phần ứng Trong trường hợp mô hình toán động có hai phương trình phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng chuyển động học: o Phương trình cân bằng mạch phần ứng: U u ( p ) = Ru I u ( p).(1 + Tu p ) + E ( p ) Với E ( p ) = Kφ ω ( p ) Vậy điều khiển dòng tổng hợp theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển PI Theo tiêu chuẩn hàm truyền kín mạch vòng dòng có dạng: F= I ph I u K I = = + 2τ p + 2τ p I sp I sp Iu KI ⇒ = I sp + 2TSI p + 2TS2I p 3.1.2.Tổng hợp điều khiển tốc độ Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động Rω : Hình 21:Cấu trúc điều khiển động chiều kích từ độc lập Ta đã có hàm truyền kín mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn module tối ưu: Iu KI = = FI ( p ) I sp + 2TSI p + 2TS2I p Do TSI giá trị nhỏ nên có thể nên có thể xấp xỉ hàm truyền kín mạch vòng dòng: FI ≈ KI + 2TSI p Khi đó sơ đồ điều khiển cho mạch vòng tốc độ có thể rút gọn lại: Hình 22: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn Hàm truyền khâu đo tốc độ có dạng: Kω + Tω p Vậy đối tượng điều khiển tốc độ tính 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 tối ưu ta có: Rω = S 2.τ p (1 + τ p ) ⇒ 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 điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển P Theo tiêu chuẩn này, hàm truyền kín mạch vòng tốc độ có dạng: Fω ( p) = Kω + 2τ p + 2τ p 1 Kω Kω ⇒ Fω ( p ) = ≈ + 4TSω p + 8TS2ω p + 4TSω p 3.1.3.Tổng hợp điều khiển vị trí Ta đã có hàm truyền kín mạch vòng tốc độ sau: Fω ( p ) ≈ Kω + 4TSω p k p Khâu truyền lực: Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí: Sϕ = Kϕ Kω k + 4TSω p + Tϕ p p Áp dụng tiêu chuẩn module tối 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 Chọn τ = Tϕ ⇒ Rϕ = 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 điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn module tối ưu điều khiển PD Sau tổng hợp điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều kích từ độc lập sau: Hình 23: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều kích từ độc lập 3.2.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.2.1.Tính toán thông số  Thông số cho trước: Pdm = 25 KW Udm = 220 V Idm = 132 A ndm = 1500 v/p Ru = 0,0966 Ω Lu = 0,0063 H kg m J = 1,2 Tỉ số truyền: i = 10 Đường kính bánh xe: D = 700 mm = 0,7 m Chọn: TI = 0,002 s Tω = 0,001 s Tbd = 0,0015 s Tv = 0,003 s Tϕ = 0,3 s  Tính toán thông số: ω= - Tốc độ 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 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 ) KI = U dat 10 = = 0, 076 I dm 132 RI = Ru Tu 2.K I K BD TS I   0, 0966.0, 066   1 + 1 + ÷= ÷  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 truyền lực: 1 k= = i 10 ⇒ Rϕ = Kω 0, 064 + 4TSω p = ( + 4.0, 007 p ) 2.k Kϕ Tϕ .0,1.0,3 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 Kết mô Từ thông số tính toán được, ta có sơ đồ mô hệ điều khiển vị trí kết mô với nhiễu tải khác Simulink: 10 Dat PD(s) BDK vi tri P(s) BDK toc PI(s) Saturation1 BDK dong 22 10.35 0.003s+1 0.0015s+1 0.066s+1 Transfer Fcn Transfer Fcn1 Saturation Transfer Fcn2 1.3 Cu 4.444 Mc s Transfer Fcn4 1.3 Cu 0.076 0.002s+1 Do dong Scope1 0.064 0.001s+1 Do toc Scope2 0.1 0.3s+1 Do vi tri Scope3 1 1.2s 10s Transfer Fcn3 Khuech dai TD Scope Kết mô với nhiễu tải khác nhau:  Với MC = o Dòng điện: Hình 24: Kết mô dòng điện với Mc = o Tốc độ: Hình 25: Kết mô tốc độ với Mc = o Vị trí: Hình 26: Kết mô vị trí với Mc =  Với MC = 80 o Dòng điện: Hình 27: Kết mô dòng điện với Mc = 80 o Tốc độ: Hình 28: Kết mô tốc độ với Mc = 80 o Vị trí: Hình 29: Kết mô vị trí với Mc = 80  Với MC = 172 o Dòng điện: Hình 30: Kết mô dòng điện với Mc = 172 o Tốc độ: Hình 31: Kết mô tốc độ với Mc = 172 o Vị trí: Hình 32: Kết mô vị trí với Mc = 172 KẾT LUẬN Qua thời gian với cố gắng thân hướng dẫn tận tình thầy cô, đặc biệt thầy Phạm Tâm Thành hướng dẫn trực tiếp tới em đã hoàn thành đồ án Qua nội dung đề tài em nắm vững phần ly thuyết đã học lớp cũng thực tế Tuy nhiên nội dung công việc mẻ,tầm hiểu biết hạn chế nên đồ án môn học tránh khỏi những sai sót Em mong thầy bảo giúp đỡ em để em hoàn thành tốt nữa nhiệm vụ Em xin trân thành cảm ơn! Phòng, ngày …tháng… năm… Giáo viên hướng dẫn Phạm Tâm Thành Sinh viên thực Đoàn Nhật Nam [...]... vị trí Kϕ - hệ số phản hồi vị trí 2.2 Mô hình điều chỉnh vị trí tuyến tính Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính mà ta nghiên cứu ở đây có bộ điều chỉnh vị trí Rφ là tuyến tính: giả sử các mạch vòng trong đã được tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu dạng chuẩn, hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ là: Fkw(p)= Hàm truyền của xenxo vị trí là khâu tích phân Tiến trình tông hợp tham số bộ điều chỉnh vị trí. .. dòng điện là một khâu trong 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 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, nó cũng làm hạn chế dòng của động cơ không vượt... 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 19: Cấu trúc mạch vòng dòng điện Đối với động cơ một chiều, bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo 2 cách: - Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng - Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi tính đến suất điện động phần ứng Trong những... 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 1 = = 1 + 2τ p + 2τ 2 p 2 I sp I sp 1 Iu KI ⇒ = I sp 1 + 2TSI p + 2TS2I p 2 3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ Rω : Hình 21:Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc... chuẩn module tối ưu là bộ điều khiển PD Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: Hình 23: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích từ độc lập 3.2.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.2.1 .Tính toán thông số  Thông số cho trước: Pdm = 25 KW Udm = 220 V Idm = 132 A ndm = 1500 v/p Ru = 0,0966 Ω Lu = 0,0063 H kg m 2 J... 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: Hình 20: Mô hình bộ điều khiển dòng khi... 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 tốc độ có dạng: 1 Fω ( p) = Kω 1 + 2τ p + 2τ 2 p 2 1 1 Kω Kω ⇒ Fω ( p ) = ≈ 1 + 4TSω p + 8TS2ω p 2 1 + 4TSω p 3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ như sau: 1 Fω ( p ) ≈ Kω 1 + 4TSω p k p Khâu truyền lực: Đối tượng điều khiển cho. .. chuyển vị trí: 1 Sϕ = Kϕ Kω k 1 + 4TSω p 1 + Tϕ p p Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: Rϕ = 1 S 2.τ p.(1 + τ p) 1 ⇒ Rϕ = 1 Kω 1 k 2.τ p.(1 + τ p) 1 + 4TSω p 1 + Tϕ p p Chọn τ = Tϕ ⇒ Rϕ = 1 1 Kϕ Kω k 2.Tϕ p.(1 + Tϕ p ) 1 + 4TSω p 1 + Tϕ p p ⇒ Rϕ = Kω 1 + 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 khi tổng hợp các bộ điều khiển, ... HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1.TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN RI , Rω , Rϕ 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 trong , từng vòng từng vòng một mở rộng ra ngoài Nghĩa là trước tiên ta phải thiết kế bộ điều. .. trên thì hàm truyền bộ điều chỉnh vị trí sẽ không có thành phần tích phân tức là chỉ có P hoặc PD Bộ điều chỉnh vị trí ở đây được tính chonhj theo ddieuf kiện với gia tôc hãm cực đại εhmax đỗi với quãng đường hãm cực đại Δφh max sao cho thời gian hãm không vượt quá thời gian tmax Tại thời điểm hãm, tương ứng với ddieuf kiện là tín hiệu sai lệch tốc độ Δω ở đầu vào bộ điều chỉnh tốc độ