TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ 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 1 Lời nói đầu 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 2 3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 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 3 1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều 7 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 4 3.2.1.Tính toán thông số 39 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. 5 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 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 6 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. 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. 7 •Cổ góp và chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng. 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. 8 Hình 2: Các loại động cơ điện một chiều a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 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. 9 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. 1.3. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU 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 , T I , T D 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 vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối tượng cần điều khiển. Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điển không thực hiện được. 1.3.1. Khái quát về bộ điều khiển PID Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P,I hay D và sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn. Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID. Hình 3: Cấu trúc bộ điều khiển PID 10 [...]... Trong đó: R- các bộ điều khiển BB - bộ biến đổi M- động cơ TB Đo- thiết bị đo 2.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC THÀNH PHẦN 2.2.1 Bộ điều khiển Trong hệ thống, bộ điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đo từ động cơ và hộp số để điều khiển hệ thống theo đúng tín hiệu đặt Tín hiệu từ bộ điều khiển được gửi tới bộ biến đổi công suất a) Bộ điều khiển P 18 Bộ điều khiển P là... lặp lại Ti Đối với thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID, thì tác động điều khiển có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số do đó làm giảm khuynh hướng dao động Tác động điều khiển là tác động tốc độ Trong thực tế, bộ điều khiển PID có thể được hình thành từ việc mắc nối tiếp hai bộ điều khiển PI và PD Lúc này hàm truyền bộ điều khiển có dạng:  1  R ( s ) = k P 1 +  T... xác cao thì ở bộ điều khiển này không đáp ứng được c) Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) Các bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) hoặc tỉ lệ - vi phân (PD) đã đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng trong quá trình điều khiển Tuy nhiên chúng còn tồn tại một số nhược điểm cơ bản, ví dụ như ở bộ điều khiển PD rất nhạy với tín hiệu nhiễu vì bản thân PD là bộ lọc thông cao, với bộ lọc lớn hơn... đồ khối của bộ điều khiển PID: 22 Hình 12: Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID Trong quá trình hoạt động của bộ điều khiển PID, hiệu quả của điều khiển tích phân là loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ nhiễu lớn bằng các hiệu chỉnh liên tục, hoặc lặp lại đầu ra thiết bị điều khiển Tốc độ mà tác động đó lặp lại nhân đôi hoặc lặp lại tác động tỉ lệ... thì hệ thống bắt đầu dao động và làm cho nó mất ổn định trước khi đạt được giá trị khuếch đại mong muốn b) Bộ điều khiển tích phân – tỉ lệ (PI) Bộ điều khiển này là dạng điều khiển sử dụng phổ biến trong họ PID So với bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI mở rộng thêm thành phần tích phân (còn gọi là tác động tích phân) với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh, tác động tích phân đưa ra tín hiệu điều khiển. .. 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 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 32 quay, tiếp tục coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu trong hệ điều chỉnh vị trí để thiết kế bộ điều. .. 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 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... đại TI - hằng số tích phân TD - hằng số vi phân Từ mô hình vào-ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:   1 R ( s ) = k P 1 + + TD s   Ts  I   Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID: - Phương pháp Ziegler-Nichols - Phương pháp tối ưu modul - Phương pháp tối ưu đối xứng 1.3.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID a) Phương pháp Ziegler-Nichols... của nhiễu Với bộ điều khiển PI lại là nguyên nhân kéo dài thời gian tăng tốc và thời gian xác lập Để thỏa mãn yêu cầu về chất lượng người ta sử dụng tổ hợp điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) Bộ điều khiển PID kết hợp được những điểm mạnh của các bộ điều khiển P, PI, PD, nhằm cải thiện quá trình quá độ, đồng thời tăng độ chích xác cho hệ thống Hàm truyền đạt của hệ điều khiển PID có dạng: R(s)... S Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 8 Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s) Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín Tiêu chuẩn module tối ưu được sử dụng để tổng hợp nên bộ điều khiển với hàm kín của toàn hệ phải thỏa mãn dạng: F= 1 1 + 2τ p + 2τ 2 p 2 14 Hàm truyền kín của hệ khi thỏa mãn dạng này sẽ có các đặc điểm sau: - Vô sai cấp 1 theo tín hiệu điều khiển - Độ quá chỉnh . đó: R- các bộ điều khiển BB - bộ biến đổi M- động cơ TB Đo- thiết bị đo 2.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC THÀNH PHẦN 2.2.1. Bộ điều khiển Trong hệ thống, bộ điều khiển. HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Đề số 37 : Cho một hệ truyền động động c - xe. Xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập. Yêu. các tín hiệu đo từ động cơ và hộp số để điều khiển hệ thống theo đúng tín hiệu đặt. Tín hiệu từ bộ điều khiển được gửi tới bộ biến đổi công suất. a) Bộ điều khiển P 18 Bộ điều khiển P là dạng