Đồ án điện tử công suất truyền động điện Thiết kế hệ thống Chopper DC điều khiển số tốc độ động cơ điện một chiều công suất nhỏ sử dụng PID

26 1.7K 13
Đồ án điện tử công suất truyền động điện  Thiết kế hệ thống Chopper DC điều khiển số tốc độ động cơ điện một chiều công suất nhỏ sử dụng PID

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần không nhỏ vào thành công đó. Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ. Từ trước đến nay, động cơ một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những hệ thống yêu cầu cao. Vì vậy nhóm em đã được giao đề tài đồ án là: “Thiết kế hệ thống (ChopperDC motor) điều khiển số tốc độ động cơ điệnmột chiều công suất nhỏ sử dụng bộ điều khiển PID”. Nội dung đề tài được chia làm 5 chương: Chương 1. Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều Chương 2. Xây dựng mô hình toán học của hệ thống Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển PID số (Digital PID controller) Chương 4. Mô phỏng kết quả trên MatlabSimulink Chương 5. Tính toán mạch động lực Trong quá trình làm đồ án, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo TS. Quách Đức Cường. Em xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành. Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của đồ án cùng với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn.

\Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Mục Lục Lời nói đầu .2 CHƯƠNG .3 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động một chiều CHƯƠNG 11 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG .11 Mô hình toán của động một chiều (Hàm truyền và sơ đồ khối) .11 Mô hình của bộ điều khiển công suất .13 Hàm truyền của đối tượng và sơ đồ khối của hệ thống 13 CHƯƠNG .15 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ .15 Xác định chu kỳ lấy mẫu 15 Thiết kế bộ PID số điều chỉnh tốc độ (Digital PID controller) 15 CHƯƠNG 4: .19 MÔ PHỎNG KẾT QUẢ TRÊN MATLAB&SIMULINK 19 Mô phỏng chế độ không tải, nhận xét 19 Mô phỏng chế độ tải định mức, nhận xét .20 Khảo sát chế độ tải xung, nhận xét 21 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC 23 Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Lời nói đầu Ngày với phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật tạo thành tựu to lớn, ngành tự động hóa góp phần không nhỏ vào thành công Một vấn đề quan trọng các dây truyền tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động Từ trước đến nay, động một chiều vẫn là loại động sử dụng rộng rãi kể cả hệ thống yêu cầu cao Vì vậy nhóm em giao đề tài đồ án là: “Thiết kế hệ thống (ChopperDC motor) điều khiển số tốc độ động điệnmột chiều công suất nhỏ sử dụng điều khiển PID” Nội dung đề tài chia làm chương: Chương Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động một chiều Chương Xây dựng mô hình toán học của hệ thống Chương Thiết kế bộ điều khiển PID số (Digital PID controller) Chương Mô phỏng kết quả Matlab&Simulink Chương Tính toán mạch động lực Trong quá trình làm đồ án, em nhận hướng dẫn, bảo tận tình và cung cấp tài liệu cần thiết của thầy giáo TS Quách Đức Cường Em xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành Tuy nhiên, thời gian và giới hạn của đồ án với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi thiếu sót rất mong đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án của nhóm em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nhóm 16 Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Tổng quan hệ điều khiển tốc độ động chiều Hệ truyền động máy phát - động một chiều (F - Đ) Hệ truyền động xung áp - động (XA – ĐC) Hệ truyền động chỉnh lưu - động (CL - ĐC) a Hệ truyền động máy phát – động điện chiều (F - Đ) + Cấu trúc hệ F - Đ và đặc tính bản: Hệ thống máy phát - động (F - Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điên một chiều kích từ độc lập Máy phát này thường động sơ cấp không đồng bộ ba pha kéo quay Tính chất của máy phát điện xác định hai đặc tính: Đặc tính từ hoá là phụ thuộc sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải là phụ thuộc của điện áp hai cực của máy phát vào dòng điện tải Các đặc tính này nói chung là phi tuyến tính chất của lõi sắt, các phản ứng của dòng điện phần ứng … tính toán gần có thể tuyến tính hoá các đặc tính này: 𝐸𝐹 = 𝐾𝐹 ∅𝐹 = 𝐾𝐹 𝜔𝐹 𝐶𝑖𝐾𝐹 Trong đó: KF: Hệ số kết cấu của máy phát C = ∆∅F/∆ iKF: Hệ số góc của đặc tính từ hóa Nếu dây quấn kích thích cảu máy phát cấp nguồn áp lý tưởng UKF thì: 𝐼𝐾𝐹 = 𝑈𝐾𝐹 /𝑟𝐾𝐹 Sức điện động của máy phát trường hợp này tỷ lệ với điện áp kích thích hệ số KF vậy có thể coi gần máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính: 𝐸𝐹 = 𝐾𝐹 𝑈𝐾𝐹 Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động máy phát động Nếu đặt R = R ưF + R ưD thì có thể viết phương trình các đặc tính của hệ F – Đ sau : KF RI ω= UKF − K∅ K∅ ω= KF R UKF − M K∅ K∅ ω = ω0 UKF UKD − M βUKD Các biểu thức chứng tỏ rằng, điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống độ cứng đặc tính thì giữnguyên Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động để có dải điều chỉnh tốc độ rộng + Các chế độ làm việc của hệ F – Đ Hình 1.2 Các trạng thái làm việc của hệ F – Đ Trong hệ F - Đ phần tử phi tuyến nào nên hệ có đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt chuyển các trạng thái làm việc Với sơ đồ bản hình 1.1 Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường động chấp hành Đ có thể làm việc chế độ điều chỉnh cả hai phía: Kích thích máy phát F và kích thích động Đ, đảo chiều quay cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động dòng kích thích máy phát không, hãm tái sinh giảm tốc độ đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược cuối giai đoạn hãm tái sinh đảo chiều làm việc ổn định với mômen tải có tính chất thế … hệ F-Đ có đặc tính cả bốn góc phần tư của mặt phẳng toạ độ [ ω,M] + Ở góc phần tư thứ I và thứ III tốc độ quay và mômen quay của động chiều nhau, sức điện động máy phát và động có chiều đối và |EF|>|E|, |ωc|>|ω| Công suất điện từ của máy phát và động là: PF = EF I > PĐ = EI < Pcơ = Mω > + Vùng hãm tái sinh nằm góc phần tư thứ II và thứ IV, thì lúc này |ω|>|ω0| nên |E|>|EF|, E, EF mắc ngược nhau, dòng điện phần ứng lại chạy ngược từ động về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ quay Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất học của động là: PF = EF I < PĐ = EI > Pcơ = Mω < Chỉ dòng điện đổi chiều mà các bất đẳng thức cho ta thấy lượng chuyển vận theo chiều từ tải động máy phát nguồn, máy phát F và động Đ đổi chức cho Hãm tái sinh hệ F - Đ khai thác triệt để giảm tốc độ, hãm để đảo chiều quay và làm việc ổn định với tải có tính chất thế Đặc điểm của hệ F - Đ: + Các tiêu chất lượng của hệ F - Đ về bản tương tự các tiêu của hệ điều áp dùng bộ biến đổi nói chung Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả chịu quá tải lớn, vậy thường sử dụng hệ truyền đông F - Đ các máy khai thác công nghiệp mỏ + Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay, ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhấtgấp ba lần công suất động chấp hành Ngoài các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ b Hệ truyền động xung áp – động (XA - ĐC) Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng điều chỉnh tốc độ động điện một chiều Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng ta thêm vào mạch một van đếm V0 Có thể sử dụng thyristor transistor công suất để thay cho khóa K Khi đóng cắt khóa K, phần ứng động có điện áp biến đổi theo dạng xung vuông Khi trạng thái dòng liên tục thì giá trị trung bình của điện áp là: t1 t1 ∫ Udt = Ud = U = γ U TCK TCK Trong đó: t1: thời gian khóa trạng thái đóng t2: thời gian khóa trạng thái mở TCK: thời gian thực hiện một chu kỳ đóng mở khóa γ= t1 TCK : Độ rộng của xung áp Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp Ud và Ud có thể thay đổi cách thay đổi độ rộng xung Mặt khác, thời gian một chu kỳ đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với số thời gian học của hệ truyền động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần ứng động không thay đổi thời gian TCK Đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC γ U R b + R bđ ω= − I K∅đm K ∅đm γ U R b + R bđ ω= − M K∅đm (K ∅đm )2 Khi thay đổi γ ta họ đường thẳng song song có độ cứng β = const vàtốc độ không tải lí tưởng ω0 thay đổi theo Nếu nguồn vô lớn thì ta có thể bỏ qua Rbđ, độ cứng của đặc tính của hệ có độ cứng là: (K ∅đm )2 β = βTN = = const Rb Tốc độ không tải lí tưởng không phụ thuộc vào là giá trị giả định Nó có thể tồn nếu dòng hệ là liên tục kể cả giá trị dòng tiến đến Vì vậy hai biểu thức với trạng thái dòng liên tục Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn Khi các phương trình đặc tính điều chỉnh nói không mà lúc này đặc tính của hệ là đường cong rất dốc Hình 1.4 Đặc tính của hệ Nhận xét: + Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC dòng điện gián đoạn đều có chung một giá trị không tải lí tưởng, ngoại trừ trường hợp = + Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít, hệ đơn giản chắn + Độ cứng của đặc tính lớn + Điện áp dạng xung nên gây tổn thất phụ khá lớn động Khi làm việc trạng thái dòng điện gián đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định và tổn thất lượng nhiều c Hệ truyền động chỉnh lƣu - động điện chiều (CL - ĐC) Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ chỉnh lưu - động điện một chiều Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển - động điện một chiều (CL - ĐC) có bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu có điều khiển, có sức điện động Ed phụ thuộc vào giá trị của xung điều khiển ( tức là phụ thuộc vào góc điều khiển hay góc mở Tiristor ) Điện áp chỉnh lưu Ud ( hay Ed ) là điện áp không tải đầu ra, có dạng đập mạch với số lần đập mạch là n một chu kì 2π của điện áp thứ cấp máy biến áp Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường + Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia: n = m, m là số pha + Với sơ đồ hình cầu: n = 2.m, m là số pha Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp có dạng hình sin với biểu thức là: u2 = U2m sinωt = U2m sinθ (vớ i θ = ωt) Trong khoảng = ( 0÷2π ) thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại chu kì ban đầu nên ta cần xét một chu kì T = 2π Sơ đồ thay thế của hệ CL – ĐC Hình 1.6 Sơ đồ thay thế của hệ chỉnh lưu – động điện một chiều Khi van dẫn thì ta có phương trình cân điện áp sau: did u − E = I d R Σ + LΣ dt did Suy ra: U2m sinθ − E = id R Σ + LΣ dt Trong đó: R Σ = R ba + R + R k LΣ = Lba + Lư + Lk W2 Vớ i: R ba = R + R1 ( )2 W1 W2 Lba = L2 + L1 ( )2 W1 Trạng thái dòng liên tục Ở trạng thái dòng liên tục, van này chưa khóa thì van kế tiếp mở, việc mở van kế tiếp là điều kiện cần để khóa van dẫn Do vậy, điện áp của chỉnh lưu có dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu: α+ Ud = 2π n α+ 2π n n n n π ∫ u2 dt = ∫ U2m sinθdθ = sin U2m cosα = Ud0 cosα 2π 2π π n α α Trong đó: θ = ωt π π n α = α0 − ( − ): Là góc mở của van Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường n π π n Ud0 = U2m sin : Là điện áp một chiều lớn nhất đầu chỉnh lưu ứng với α=0 U2m: Là trị biên độ cảu điện áp thứ cấp máy biến áp N: Là số lần đập mạch một chu kỳ + Bỏ qua sụt áp van, ta có phương trình đặc tính sau : Ud0 cosα RΣ ω= − M K ∅đm (K∅đm )2 Trong đó: n R Σ = R u + R kh + R ba + X + Rv 2π ba Ru: Là điện trở phần ứng động Rkh: Là điện trở cuộn kháng lọc W2 ) W1 W2 Rba: Là điện trở của máy biến áp, với R ba = R + R1 ( Xba: Là điện kháng máy biến áp, với X ba = X + X1 ( n 2π + W1 ) X ba : Là điện trở đẳng trị quá trình chuyển mạch Độ cứng cảu đặc tính cơ: dM ∆M (K∅đm )2 β= ≈ = dω ∆ω RΣ Hình 1.7.Đặc tính của hệ chỉnh lưu – động một chiều dòng liên tục - Trạng thái gián đoạn Khi điện kháng mạch không đủ lớn, nếu sức điện động của động đủ lớn thì dòng điện tải trở thành gián đoạn Ở trạng thái này thì dòng qua van bất kì trước van kế tiếp mở Do vậy một khoảng dẫn của van thì sức điện động của chỉnh lưu sức điện động nguồn: ed = U2 , với 0≤θ≤λ, λ là khoảng dẫn Khi dòng điện thì sức điện động của chỉnh lưu sức điện động của động cơ: ed = E , với λ < θ ≤ 2π n Vậy ta có điện áp trung bình của chỉnh lưu là: Trang \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường 2π 2π λ λ n n n Ud = ∫ u2 dθ + ∫ E dθ = ∫ U2m sinθ dθ + ∫ Edθ 2π λ λ n 2π = U (1 − cosλ) + E( − λ) 2π 2m n n 2π Vậy: Ud = U2m (1 − cosλ) + E( − λ) 2π n Đặc tính của hệ CL - ĐC dòng điện gián đọan: Hình 1.8 Đặc tính của hệ chỉnh lưu – động dòng gián đoạn Nhận xét: + Ưu điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động có độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hóa, các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, vì vậy rất thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống Mặt khác, việc dùng hệ chỉnh lưu - động có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn + Nhược điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động có các van bán dẫn là các phần tử phi tuyến tính, dạng điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thất phụ máy điện một chiều Trang 10 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Từ các phương trình ta sơ đồ cấu trúc của động điện một chiều sau: Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc động điện một chiều Thông số động cơ: Pr = 54W, Ur = 32V, Ir = 2A, nr =3100 rpm Điện trở phần ứng: Ra = + 0.2×m = 4.2(Ω) Điện cảm phần ứng: La = 0.005 + 0.0002×16 = 8,2 × 10−3 (H) Hệ số mô men: Kt = 0.0896(Nm/A) Hệ số ma sát nhớt: Kf = 0.000062(Nms/rad) Hệ số phản sức điện động: Kb = Kt = 0.0896(Vs/rad) Mô men quán tính của hệ: Mô men quán tính của rotor động Jm = 0.000115(kgm2) Mô men quán tính của bánh sơ cấp J1 = 0.00002(kgm2) Mô men quán tính của bánh thứ cấp J2 = 0.0002(kgm2) Mô men quán tính của tải: JL = 0.00003(kgm2) Hệ số giảm tốc của hộp số: kg = 0.5 Ta có: J  Jm  - J1  J  J L 0.00002  0.0002  0.00003  0.000115   1.115.103 (kgm2 ) 2 Kg 0.5 Hàm truyền của động sau: Kt w( s) Wdc   U u ( s) La Js  ( Ra J  La K f )s  ( Ra K f  Kb Kt ) 0.0896 9.143 × + 4.6835 × 10−3 𝑠 + 0.008289 Mô hình động điện một chiều: 𝑊𝑑𝑐 = - 10−6 𝑠2 Hình 2.1 Mô hình động điện một chiều Trang 12 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Mô hình của điều khiển công suất Ta có hàm truyền đạt của cầu H sau: G(s)  G(s)  U ( s)  Ke  t U dk ( s ) K 1 s   s   2!  n  s  n! Hàm truyền đạt của cầu H có thể lấy gần đúng: G( s)  U ( s) K  U dk ( s)  s  Sơ đồ cấu trúc của cầu H: Giả thiết τ = ∞, ta có U dc  2047.K K U dc 36   0.0176 2047 2047 Tần số băm xung: f PWM  3KHz τ 1   1.67.104 f PWM 2.3.10 Kết luận: Hàm truyền của cầu H: G( s)  0.0176 1.67.104 s  Hàm truyền của đối tượng và sơ đồ khối của hệ thống a Sơ đồ khối của hệ thống Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống b Hàm truyền của đối tượng Trang 13 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Ta có sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ sau: U d  K (1  τs) R (s) / R­  T­ s Kt U  Js  K f K Hình 2.3 Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ Trong đó: R (s) : Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ K  (s) : Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ K : Hàm truyền của cầu H  τs Ta có sơ đồ rút gọn sau: U đ  R (s) S0 (s) U Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh: 𝑆0𝜔 = 9.55𝐾 𝐾𝑡 𝑅𝑎 𝐾𝑓 (1 + 𝐽 𝐾𝑓 𝑠) (1 + 𝐿𝑎 𝑅𝑎 𝑠) (1 + 𝜏𝑠) Kết luận: Hàm truyền của đối tương: 𝑆0𝜔 = 9.55𝐾 𝐾𝑡 𝑅𝑎 𝐾𝑓 (1 + 𝐽 𝐾𝑓 𝑠) (1 + Trang 14 𝐿𝑎 𝑅𝑎 𝑠) (1 + 𝜏𝑠) 30  \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ Xác định chu kỳ lấy mẫu  Hàm truyền động cơ: 𝑊𝑑𝑐 =  10−6 9.143 × Đáp ứng của động cơ: 𝑠2 0.0896 + 4.6835 × 10−3 𝑠 + 0.008289 Hình 3.1 Đáp ứng bước của động   Từ đáp ứng bước của động ta có: ts =2.2 (s) Xác định chu kỳ lấy mẫu T: 𝑇𝑙𝑚 = 𝑡𝑠 50 = 0.044 (𝑠) Thiết kế PID số điều chỉnh tốc độ (Digital PID controller) Sơ đồ hàm truyền rút gọn: U đ  S0 (s) R (s) U Ta có hàm truyền của đối tượng: 𝑆0𝜔 = 9.55𝐾 𝐾𝑡 𝑅𝑎 𝐾𝑓 (1 + 𝐽 𝐾𝑓 𝑠) (1 + Trang 15 𝐿𝑎 𝑅𝑎 𝑠) (1 + 𝜏𝑠) \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Giả sử tốc độ cực đại của động là 4096(vong / phut ) và bộ điều khiển 12 bit Ta có: 4096Kω  2047  2047  0.5 4096 Kω  Sau thay số ta hàm truyền của đối tượng sau: 57.83 𝑆0𝜔 = (1 + 17.98 𝑠)(1 + 1.62 × 10−3 𝑠)(1 + 1.67 × 10−4 𝑠) Áp dụng phương pháp tối ưu modunt thiết kế:  Khi ta đưa đối tượng về dạng: Wo ( s)  𝑊0 (𝑠) = Ko (1  T1s)(1  TΣ s) 57.83 (1 + 17.98 𝑠)(1 + 1.787 × 10−3 𝑠) Với : 𝑇Σ = 𝑇2 + 𝑇3 = 1.62 × 10−3 + 1.67 × 10−4 = 1.787 × 10−3  Chọn bộ điều khiển dạng PI có hàm truyền đạt: WPI ( s)   K p (1  TI s) TI s Để khử thời gian lớn nhất ta chọn: TI  T1  17.98 Vậy tính các tham số của bộ PI: 𝑇𝐼 17.98 𝐾𝑝 = = = 86.99 2𝐾0 𝑇Σ × 57.83 × 1.787 × 10−3 TI  T1  17.98 𝐾𝐼 = 𝐾𝑝 86.99 = = 4.8383 𝑇𝐼 17.98 Trang 16 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Mô phỏng Matlab: Step Response 1.4 1.2 Amplitude 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Time (seconds) Hình 3.2 Mô Matlab của toàn hệ thống có bộ ĐK PI Nhận xét: Khi thiết kế bộ PI thì ta thấy tiêu chất lượng bám cụ thể sau:  Từ mô phỏng ta thấy thời gian quá độ t(s)=0,066(s) đạt yêu cầu độ quá hiệu chỉnh vượt mức bài toán cho là 5% rất nhiều nên không đáp ứng yêu cầu của bài toán  Vậy nhiệm vụ của ta là thiết kế bộ PI khác hợp lý Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và làm giảm không loại bỏ sai số xác lập Điều khiển tích phân (K I) loại bỏ sai số xác lập có thể làm đáp ứng quá độ xấu Điều khiển vi phân (K D) có tác dụng làm tăng ổn định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, KI, KD lên hệ thống vòng kín tóm tắt bảng sau: Hình 3.3 Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp , KI , KD Dựa vào bảng ta thấy muốn độ vọt lố hay độ quá điều chỉnh giảm xuống ta phải giảm KP và tăng KI  Ta thấy chọn 𝑲𝑷 = 𝟏𝟎 và 𝑲𝑰 = 𝟑𝟎 là thỏa mãn yêu cầu bài toán Trang 17 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Hình 3.4 Mô Matlab của toàn hệ thống tinh chỉnh lại bộ điều khiển PI Chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc:  Áp dụng công thức chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc theo công thức: 𝟐 𝐳−𝟏 𝒔= 𝑻𝟏 𝐳 + 𝟏 Trong đó: 𝑻𝟏 (𝒔) là chu kì lấy mẫu Biến đổi ta PI(z) rời rạc của vòng điều chỉnh tốc độ: 𝑲𝑰 𝑻𝟏 𝒛 − 𝟏 𝑷𝑰𝑫𝟏 (𝒛) = 𝑲𝑷 + 𝟐 𝒛+𝟏 Mô hình bộ điều khiển PI(z): Hình 3.5 Mô hình bộ điều khiển PI(z) Matlab Trang 18 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KẾT QUẢ TRÊN MATLAB&SIMULINK Hình 4.1 Mô hình hệ thống Matlab  Mô chế độ không tải, nhận xét  Mô hình hệ thống Matlab: Kết quả mô phỏng: Hình 4.2 Đáp ứng tốc độ ở chế độ không tải tốc độ đặt 250v/phút  Nhận xét: Đầu đáp ứng tốt tải và sai lệch Trang 19 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường  Đáp ứng của dòng điện: Hình 4.3 Đáp ứng của dòng điện không tải  Nhận xét:  Đầu đáp ứng tốt tải và sai lệch Mô chế độ tải định mức, nhận xét  Kết quả mô phỏng giá trị đặt tốc độ là 250 v/phút và có tải định mức: Hình 4.4 Đáp ứng tốc độ đầu tải định mức Trang 20 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường  Đáp ứng của dòng điện: Hình 4.5 Đáp ứng của dòng điện có tải  Nhận xét:  Ban đầu tốc độ bị sụt xuống sau tăng lên một cách nhanh chóng và ổn định về giá trị đặt 250 v/phút  Dòng điện tăng lên khá cao Khảo sát chế độ tải xung, nhận xét Kết quả mô phỏng giá trị đặt tốc độ là 250 v/phút và có tải xung: Hình 4.6 Đáp ứng tốc độ đầu tải xung Trang 21 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Đáp ứng dòng điện Hình 4.7 Đáp ứng dòng điện đầu tải xung Nhận xét:  Ban đầu tốc độ bị sụt xuống sau tăng lên một cách nhanh chóng và ổn định về giá trị đặt 250 v/phút  Dòng điện tăng lên khá cao sau giảm xuống và ổn định Trang 22 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC Tính kiện của van mạch cầu H Với bài này ta sử dụng Mạch cầu H dùng van MOSFET: MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn Hình 11 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của loại MOSFET kênh n và kênh p Hình 5.1 Cấu tạo của van MOSFET MOSFET có chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và C của BJT Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET các tài liệu về điện tử, mô tả các kích hoạt MOSFET Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn Khi điện trở chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng Ngược lại, với MOSFET kênh P, điện áp chân G nhỏ điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn rất nhỏ Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET gọi là linh kiện điều khiển điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1) MOSFET thường dùng thay các BJT các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo cặp MOSFET gồm linh kiện kênh N và linh kiện kênh P, MOSFET này có thông số tương đồng và thường dùng Một ví dụ dùng MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS) Cũng giống BJT, dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET thích hợp với vị trí nhất định, MOSFET kênh N dùng cho các khóa phía và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía Để giải thích, ví dụ một MOSFET kênh N dùng điều khiển motor DC hình bên Trang 23 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Ban đầu MOSFET ko kích, ko có dòng điện mạch, điện áp chân S Khi MOSFET kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần điện áp nguồn là 12V Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo điện áp 15V Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía mạch cầu H (ít nhất là theo cách giải thích trên) MOSFET loại P thường dùng trường hợp này Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của lớn MOSFET loại N Vì thế, dù thiết kế tốt, MOSFET kênh P các mạch cầu H dùng loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng MOSFET loại N, công suất mạch bị giảm phần nào Hình 13 thể hiện một mạch cầu H dùng loại MOSFET tương đồng Hình 5.2 Mạch cầu H dùng MOSFET Mạch dùng MOSFET kênh N IRF540 và kênh P IRF9540 của hãng International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H Các MOSFET loại này chịu dòng khá cao (có thể đến 30A, danh nghĩa) và điện áp cao có nhược điểm là điện trở dẫn tương đối lớn (bạn tìm đọc datasheet của chúng để biết thêm) Phần kích cho các MOSFET kênh N bên thì không quá khó, cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2 Riêng các khóa (IRF9540, kênh P) phải dùng thêm BJT 2N3904 để làm mạch kích Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G của MOSFET nối lên VS điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần VS là điện áp chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn Khi kích các line L1 R1, các BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân G của IRF9540 sụt xuống gần 0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch) Khi đó, điện áp chân G nhỏ nhiều so với điện áp Trang 24 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường chân S, MOSFET dẫn Vi điều khiển có thể dùng để kích các đường L1, L2, R1 và R2 Trang 25 \Đồ án điện tử công suất truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bính (1996), Điện tử công suất NXB Khoa Học Kỹ Thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2008), Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học và kỹ thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ Sở Truyền Động Điện NXB Khoa học và kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học và kỹ thuật Design PID circuit - http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/op_pid.htm Trang 26 [...]... nhỏ hơn nhiều so với điện áp Trang 24 \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường chân S, MOSFET dẫn Vi điều khiển có thể được dùng để kích các đường L1, L2, R1 và R2 Trang 25 \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Nguyễn Bính (1996), Điện tử công suất NXB Khoa Học Kỹ Thuật 2 Bùi Quốc... mẫu T: 𝑇𝑙𝑚 = 𝑡𝑠 50 = 0.044 (𝑠) 2 Thiết kế bộ PID số điều chỉnh tốc độ (Digital PID controller) Sơ đồ hàm truyền rút gọn: U đ  S0 (s) R (s) U Ta có hàm truyền của đối tượng: 𝑆0𝜔 = 9.55𝐾 𝐾𝑡 𝑅𝑎 𝐾𝑓 (1 + 𝐽 𝐾𝑓 𝑠) (1 + Trang 15 𝐿𝑎 𝑅𝑎 𝑠) (1 + 𝜏𝑠) \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Giả sử tốc độ cực đại của động cơ là 4096(vong / phut ) và bộ... = ∞, ta có U dc  2047.K K U dc 36   0.0176 2047 2047 Tần số băm xung: f PWM  3KHz τ 1 1   1.67.104 3 2 f PWM 2.3.10 Kết luận: Hàm truyền của cầu H: G( s)  0.0176 1.67.104 s  1 3 Hàm truyền của đối tượng và sơ đồ khối của hệ thống a Sơ đồ khối của hệ thống Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống b Hàm truyền của đối tượng Trang 13 \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm... Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2008), Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học và kỹ thuật 3 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ Sở Truyền Động Điện NXB Khoa học và kỹ thuật 4 Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học và kỹ thuật 5 Design PID circuit - http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/op _pid. htm Trang 26 ... \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG 1 Mô hình toán của động cơ một chiều (Hàm truyền và sơ đồ khối) Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ... Ra J  La K f )s  ( Ra K f  Kb Kt ) 0.0896 9.143 × + 4.6835 × 10−3 𝑠 + 0.008289 Mô hình động cơ điện một chiều: 𝑊𝑑𝑐 = - 10−6 𝑠2 Hình 2.1 Mô hình động cơ điện một chiều Trang 12 \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường 2 Mô hình của bộ điều khiển công suất Ta có hàm truyền đạt của cầu H như sau: G(s)  G(s)  U ( s)  Ke  t U dk ( s ) K 1... = 𝟏𝟎 và 𝑲𝑰 = 𝟑𝟎 là thỏa mãn yêu cầu bài toán Trang 17 \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Hình 3.4 Mô phỏng trên Matlab của toàn hệ thống khi tinh chỉnh lại bộ điều khiển PI Chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc:  Áp dụng công thức chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc theo công thức: 𝟐 𝐳−𝟏 𝒔= 𝑻𝟏 𝐳 + 𝟏 Trong đó: 𝑻𝟏 (𝒔) là chu kì... điều khiển PI(z) trên Matlab Trang 18 \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KẾT QUẢ TRÊN MATLAB&SIMULINK Hình 4.1 Mô hình hệ thống trên Matlab 1  Mô phỏng chế độ không tải, nhận xét  Mô hình hệ thống trên Matlab: Kết quả mô phỏng: Hình 4.2 Đáp ứng tốc độ ở chế độ không tải khi tốc độ đặt 250v/phút  Nhận xét: Đầu... Trang 14 𝐿𝑎 𝑅𝑎 𝑠) (1 + 𝜏𝑠) 30  \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ 1 Xác định chu kỳ lấy mẫu  Hàm truyền động cơ: 𝑊𝑑𝑐 =  10−6 9.143 × Đáp ứng của động cơ: 𝑠2 0.0896 + 4.6835 × 10−3 𝑠 + 0.008289 Hình 3.1 Đáp ứng bước của động cơ   Từ đáp ứng bước của động cơ ta có: ts =2.2 (s) Xác định... truyền của động cơ như sau: w(s) Kt Wđc = = Uư (s) (La J)s2 + (R a J + La K f )s + (R a K f + K b K t ) Uư (t) = R a iư (t) + La Trang 11 \Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS Quách Dức Cường Từ các phương trình trên ta được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như sau: Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều Thông số động cơ: Pr = 54W, Ur

Ngày đăng: 05/06/2016, 21:06

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan