Đang tải... (xem toàn văn)
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng.Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt (dải điều chỉnh tốc độ rộng), khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải... mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều.Việc động cơ điện một chiều được sử dụng khá rộng rãi trong thời đại hiện nay dẫn đến việc thiết kế ra một hệ thống điều khiển cho động cơ sao cho hệ thống hoạt động ổn định, chất lượng tốt…được các kĩ sư khá quan tâm và phát triển.Trong phạm vi đề tài tác giả sẽ trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Từ đó tác giả sẽ mô hình hóa động cơ và sẽ thiết kế Bộ điều khiển PID Số (mô phỏng và giao tiếp máy tính) để điều khiển động cơ điện một chiều nhằm đạt được các chỉ tiêu về thời gian quá độ và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều dưới tải trọng nhất định.
i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trường Đại học Giao Thông Vận Tải-Cơ Sở 2 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Bộ môn : Kĩ Thuật Máy Khoa: Cơ Khí Sinh viên: Lê Sĩ Toàn lớp Cơ Điện Tử - K47 Liên hệ: 0909045179 | Email: lesitoan.vi@gmail.com Tóm tắt yêu cầu, nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW. Số liệu cần thiết chủ yếu để thiết kế: Nội dung của bản thuyết minh, yêu cầu giải thích tính toán của thiết kế tốt nghiệp: 1. Tìm hiểu động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, 2. Xác định các thông số của động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, 3. Tìm hiểu, nghiên cứu phần mềm mô phỏng LabVIEW , 4. Thiết lập và chế tạo bộ điều khiển PID nhằm đạt được các chỉ tiêu về thời gian quá độ và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều dưới tải trọng nhất định. 5. Kết luận. ii LỜI CẢM ƠN Sau gần 6 tháng thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW” đã phần nào được hoàn thành. Ngoài sự cố gắng, nỗ lực hết mình của bản thân em cũng đã nhận được rất nhiều những sự giúp đỡ, góp ý, quan tâm và khích lệ đến từ gia đình, nhà trường, các thầy cô và bạn bè trong quá trình nghiên cứu. Trước tiên con xin cảm ơn ba mẹ đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện tốt để con học tập và hoàn thành đề tài này. Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô trường Đại học Giao Thông Vận Tải – Cơ Sở 2 đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Trường Giang, thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và luôn động viên tinh thần cho em trong suốt quá trình làm đề tài. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các bạn bè của tôi đã luôn động viên, giúp đỡ tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! iii TÓM TẮT Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng. Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt (dải điều chỉnh tốc độ rộng), khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều. Việc động cơ điện một chiều được sử dụng khá rộng rãi trong thời đại hiện nay dẫn đến việc thiết kế ra một hệ thống điều khiển cho động cơ sao cho hệ thống hoạt động ổn định, chất lượng tốt…được các kĩ sư khá quan tâm và phát triển. Trong phạm vi đề tài tác giả sẽ trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Từ đó tác giả sẽ mô hình hóa động cơ và sẽ thiết kế Bộ điều khiển PID Số (mô phỏng và giao tiếp máy tính) để điều khiển động cơ điện một chiều nhằm đạt được các chỉ tiêu về thời gian quá độ và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều dưới tải trọng nhất định. Tuy nhiên do thời gian và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai xót, vì vậy tác giả rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn sinh viên để đồ án được thêm hoàn thiện. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN II TÓM TẮT III MỤC LỤC IV DANH SÁCH BẢNG BIỂU VI DANH SÁCH HÌNH VẼ VII CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 1.1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài: 1 1.2 Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều 1 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 10 2.1 LabVIEW là gì?: 10 2.2 Lập trình với LabVIEW Error! Bookmark not defined. 2.3 Một số khối (hàm thức) của LabVIEW……………………………………… 18 2.4 LabVIEW trong các ứng dụng mô phỏng 3D Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PIDERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 3.1 Khái niệm 22 3.2 Khâu tỷ lệ P (Proportional) 22 3.3 Khâu tích phân I(Integral): 24 3.4 Khâu vi phân D (Derivative) 25 3.5 Khâu tích phân-tỷ lệ PI (Proportional – Integral) 26 3.6 Khâu PD (Proportional – Derivative) 27 3.7 Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) 28 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 30 v 4.1 Mô hình hóa động cơ điện một chiều 30 4.2 Thiết lập bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. 31 4.3 Mô hình giao tiếp máy tính PC điều khiển động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu… ……… ………………………………………… 39 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Chức năng của các đường dẫn tới chân ở cổng RS-232…………… …….15 Bảng 4.1: Tác động của việc tăng các thông số K P , K I, K D một cách độc lập 38 Bảng 4.2: Chức năng của các cổng vào/ ra Card USB 9001…………………….…….40 Bảng 4.3: Thông số kĩ thuật của card USB 9001…………………………………………….42 vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình trong chương 1: Hình 1.1: Cấu tạo bên ngoài của động cơ điện một chiều 1 Hình 1.2: Cấu tạo bên ngoài của động cơ điện một chiều. 2 Hình 1.3: Cấu tạo của cổ góp điện 3 Hình 1.4: Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 4 Hình1.5: Nguyên lý hoạt động của DCVC 5 Hình1.6: Băm áp một chiều nối tiếp; a. Sơ đồ nguyên lí; b. Đường cong điện áp 6 Hình1.7: Sơ đồ hoạt động với tải điện cảm; a. Sơ đồ nguyên lí; b. Đường cong điện áp, dòng điện 7 Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hoạt băm áp song song; a. Sơ đồ nguyên lí; b. Đường cong điện áp, dòng điện 8 Hình trong chương 2: Hình 2.1: Giao diện chính của phần mềm LabVIEW phiên bản 2009…………….….11 Hình 2.2: Một robot dưới nước (Spider) được phát triển dựa trên lập trình LabVIEW…………………………………………….………… ……………… 12 Hình 2.3: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW…………………… … 13 Hình 2.4: Giao diện làm việc của phần mềm LabVIEW…………………………… 14 Hình 2.5: Khởi tạo control để nhập x …………………………………… …………15 Hình 2.6: Biến x xuất hiện bên cửa sổ Block Diagram……………………………….16 Hình 2.7: Khởi tạo hai hàm bình phương và căn thức bên cửa sổ Block Diagram 16 Hình 2.8: Nối dây tín hiệu giữa biến x và hai hàm bình phương và căn thức…….… 17 Hình 2.9: Khởi tạo các Indicator (output)…………………………………………….17 Hình 2.10: Cửa sổ Front Panel cuối cùng thu được………………………………… 17 Hình 2.11: Kết quả thu được khi nhập x=16 và x=-4…………………………….… 18 Hình 2.12: Khối While Loop………………………………………………………….18 viii Hình 2.13: Khối Case Structure……………………………………………………….18 Hình 2.14: Khối Flat Sequence………………………………………………… ….19 Hình 2.15: Khối Flat Sequence……………………………………………………….19 Hình 2.16: Hàm While Until Next ms Multiple………………………………………19 Hình 2.17:Các hàm tính toán trong LabVIEW……………………………………… 20 Hình 2.18:Các hàm so sánh trong LabVIEW…………………………………………20 Hình 2.19: Ứng dụng LabVIEW để mô phỏng một vật bị ném xiên ……………… 21 Hình 2.20: Ứng dụng LabVIEW để mô phỏng cánh tay robot 2 bậc tự do………… 21 Hình trong chương 3: Hình 3.1: Khâu tỉ lệ (P).………………………………………………………………22 Hình 3.2: Quá trình đáp ứng của hệ thống khi sử dụng luật điều khiển P………… 24 Hình 3.3: Khâu tích phân (I)………………………………………………… …… 24 Hình 3.4: Khâu vi phân (D).…………………………………………………… ……25 Hình 3.5: Khâu PI…………………………………………………………………… 26 Hình 3.6: Khâu PD. ………………………………………………………………… 27 Hình 3.7: Khâu PID………………………………………………………………… 28 Hình trong chương 4: Hình 4.1: Nguyên lý động cơ điện một chiều……………………………………… 30 Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển DC motor………………………………33 Hình 4.3: cổng đầu vào……………………………………………………………… 34 Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc hàm truyền của hệ thống……………………………….… 35 Hình 4.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi có khâu PID……….………………….….36 Hình 4.6: Thuật toán mô phỏng được viết bởi phần mềm LabVIEW…………… ….37 Hình 4.7: Kết quả khảo sát và chọn bộ thông số………………………………….… 38 Hình 4.8: Động cơ nhãn hiệu DB036GA229 xuất xứ từ Nhật Bản……………… …39 Hình 4.9: Card giao tiếp USB 9001 của Hocdelam Group……………………… ….39 Hình 4.10: Sơ đồ chân của card USB 9001……………………………………….… 40 Hình 4.11: Mạch động lực 3A-DCS HIPO của Hocdelam Group……………………45 ix Hình 4.12: Cảm biến Encoder của SHARP……………………………………….… 46 Hình 4.13: Dây cabple kết nối giao tiếp giữa USB 9001 và máy tính PC………… 46 Hình 4.14: Mô hình giao tiếp máy tính PC điều khiển DC Motor……………………47 Hình 4.15: Sơ đồ đấu nối mạch giao tiếp máy tính PC điều khiển DC motor………. 47 Hình 4.16: Chương trình điều khiển vị trí động cơ DC MOTOR sử dụng thuật toán PID…………………………………………………………………………………….49 Hình 4.17: Thuật toán của bộ điều khiển PID……………………………… ……….49 Hình 4.18: Giao diện người dùng điều khiển vị trí DC MOTOR) ………….……… 50 Hình 4.19: Thông số cho bộ điều khiển PID………………………………………….51 Hình 4.20: Chương trình điều khiển tốc độ động cơ DC MOTOR sử dụng thuật toán PID…………….………………………………………………………………………52 Hình 4.21: Giao diện người dùng điều khiển tốc độ DC MOTOR… ………….… 53 Hình 4.22: Thông số cho bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ DC…………………54 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài: Mục đích của đề tài: Hiểu một cách toàn diện về cấu tạo, nguyên lí hoạt động của một động cơ điện một chiều thông thường nói chung và động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nói riêng. Từ đó thiết kế và chế tạo được bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nhằm đạt được các chỉ tiêu về thời gian quá độ và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều (DC motor) dưới tải trọng nhất định. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW” sẽ thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu đồng thời thiết kế bộ thí nghiệm điều khiển DC motor không tải trọng với mô hình thật và mô phỏng trên cơ sở sở lập trình LabVIEW. 1.2 Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều 1.2.1 Động cơ điện một chiều thông thường Cấu tạo: Cấu tạo bên ngoài: Hình 1.1: Cấu tạo bên ngoài của động cơ điện một chiều. Chú thích: Cấp nguồn: là 2 dây dẫn điện (1 chiều) từ nguồn phát tới nuôi động cơ, nguồn điện phát một chiều thường có điện áp từ 6Vol, 12Vol đến hàng ngàn Vol. [...]... thể trình bày hết Trong các phần tiếp theo của đề tài tác giả sẽ ứng dụng LabVIEW để giao tiếp với thiết bị phần cứng để điều khiển động cơ điện một chiều 21 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 Khái niệm Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (bộ điều khiển PID) là một bộ điều khiển có cơ chế phản hồi Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp và. .. kích từ độc lập Động cơ một chiều kích từ nối tiếp Động cơ một chiều kích từ song song Động cơ một chiều kích từ bằng nam châp vĩnh cửu 1.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (DCVC) 1.2.2a Cấu tạo: Động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (DCVC) - là trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độc lập Cuộn dây kích từ trên Stator được loại bỏ và thay bằng một cặp nam... để điều khiển được tốc độ động cơ ta có thể thay đổi: Điện áp phần ứng Điện trở phần ứng Trong kĩ thuật, phương pháp hay được dùng để điều khiển tốc độ của động cơ là phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Để thay đổi điện áp phần ứng hay điện áp ra tải (động cơ) người ta thường dùng phương pháp Băm áp một chiều hay phương pháp PWM Phương pháp băm áp một chiều Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện. ..Vỏ kim loại: Là vỏ bọc động cơ, tác dụng bảo vệ động cơ tránh những tác động của môi trường Động thời cũng để định vị động cơ vào vị trí làm việc Trục động cơ: Để truyền mô men quay của động cơ tới cơ cấu công tác Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá... lựa chọn để thiết kế hệ thống điều khiển PID là viết tắt của Proportional -Integral –Derivative (tỷ lệ, tích phân – vi phân), là sự cộng gộp của 3 thành phần (khâu) P (điều khiển tỷ lệ), I (điều khiển tích phân) và D (điều khiển vi phân) Tùy vào mức độ yêu cầu của hệ thống và kinh nghiệm mà người thiết kễ sẽ kết hợp các khâu đơn lẻ trên (P, I, D) để tạo thành các bộ điều khiển P, I, D, PI, PD hay PID sao... sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển phản hồi (phản hồi âm hoặc dương) Bộ điều khiển PID tính toán giá trị "sai lệch" là hiệu số giữa giá trị đầu ra (output hay giá trị đáp ứng) và giá trị đầu vào (input hay giá trị mong muốn) Bộ điều khiển PID sẽ thực hiện nhiệm vụ giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Bộ điều khiển PID có ưu điểm là thiết kế dễ dàng, chất lượng tương... Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Một DCVC thì bao gồm 6 phần chính như sau: Phần ứng hay rô to; Cổ góp; Chổi than; Trục động cơ; 4 Miếng nam châm tạo từ trường; Bộ phận cung cấp dòng một chiều; 1.2.2b Nguyên lý hoạt động của DCVC: ( Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của DCVC Khi động cơ được cấp điện, dòng điện đi vào cuộn dây (như 1 khung dây) của Rotor thông qua cơ cấu chổi... cho ra đời phiên bản Labview 6.1 … Và bây giờ phiên bản mới nhất là LabVIEW 2009 10 Hình 2.1: Giao diện chính của phần mềm LabVIEW phiên bản 2009 LabVIEW có thể làm được gì? LabVIEW là 1 phần mềm lập trình Graphic (hay lập trình G) Labview được dùng nhiều trong phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kĩ thuật như: tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh,… Hiện... trong: Hình 1.2: Cấu tạo bên trong của động cơ điện một chiều Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy Cực động cơ (cực chính): là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi... không thể làm việc được, một ví dụ : Một con robot là một cái máy xúc được điều khiển để làm việc dưới đáy biển, nơi mà con người khó có thể thực hiện tốt những nhiệm vụ đặc biệt… 11 Hình 2.2: Một robot dưới nước (Spider) được phát triển dựa trên lập trình LabVIEW Mô phỏng và xử lí các tín hiệu thu nhận được để phục vị các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập tình mong muốn Xây . Đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW sẽ thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều kích. LỜI CẢM ƠN Sau gần 6 tháng thực hiện nghiên cứu đề tài Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW đã phần nào được hoàn thành 3.7 Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) 28 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 30 v 4.1 Mô hình hóa động cơ điện một chiều 30 4.2 Thiết