ĐIỀU KHIỂN và GIÁM sát tốc độ ĐỘNG cơ điện một CHIỀU TRÊN máy TÍNH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN DỰ ÁN LIÊN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2 (PBL 2) ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MÁY TÍNH GVHD TS NGÔ ĐÌNH THANH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

DỰ ÁN LIÊN MÔN

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2 (PBL 2)

ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MÁY TÍNH

HOÀNG VĂN CÔNG

NGUYỄN THÁI TRUNG

MÔ TẢ DỰ ÁN 2

1.1) Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập 4

1.2) Phương trình đặc tính cơ……… 5

2)CHỌN ĐỘNG CƠ 7

2.1) Chọn thông số 7

2.2) Tính toán momen điện từ và công suất của động cơ 8

2.3) Chọn động cơ 11

3) Chọn bộ biến đổi công suất 14

3.1) Chọn IC 14

3.2) Mạch cầu H 15

4) Chọn linh kiện mạch 17

4.1) Máy biến áp : 17

4.2) Chọn cầu chỉnh lưu Diode: RS507 18

4.3) Chọn Bộ lọc LC: 19

5) Thiết kế mạch 25

6)Tính toán thông số và mô phỏng hệ thống…… ……….30

6.1) Tính toán thông số Kpc , K ic, Kps , K is ………30

6.2) Mô phỏng MATLAB, kiểm nghiệm và đánh giá chất lượng hệ thống……… 35

1) MÔ TẢ DỰ ÁN

Dự án này yêu cầu sinh viên cùng làm việc trong nhóm để thiết kế

hệ thống truyền động điện với tải là chuyển động quay hoặc chuyểnđộng tịnh tiến Thực hiện điều khiển bộ biến đổi công suất để thay đổiđiện áp đặt lên động cơ, từ đó thay đổi tốc độ chuyển động của động cơ.Sản phẩm của dự án bao gồm: Bản vẽ mô hình hệ thống tải, mạchnguyên lý, sơ đồ mô phỏng, chương trình mô phỏng hệ thống truyềnđộng điện khi mang tải, bản báo cáo thuyết minh của dự án, các filetrình chiếu powerpoint, các bản vẽ thiết kế mạch chi tiết của hệ thống.Trong trường hợp quay lại trường sớm các nhóm làm prototype sảnphẩm

Hình 1a - Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

Hình 1b - Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

1.1)Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập

SV có thể lựa chọn loại bộ biến đổi là Bộ chỉnh lưu (công suất động

cơ trung bình) hoặc Bộ biến đổi là Bộ băm áp (công suất động cơ nhỏ)

Hình 2 - Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích

từ độc lập với Bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu có điều khiển

Hình 3 - Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích

từ độc lập với Bộ biến đổi là bộ băm xung áp

\

Yêu cầu: từ đặc tính tải là chuyển động quay hay chuyển động tịnh

tiến, các nhóm tính toán lựa chọn động cơ để thiết kế bộ điều khiển phùhợp cho hệ thống, từ đó lựa chọn mạch công suất, thiết kế mạch điềukhiển phát xung

Số thành viên tối đa trong một nhóm là 5 thành viên

Sau khi đã thống nhất nhóm, các thành viên không được phép đổinhóm

Mỗi thành viên có trách nhiệm, thống nhất phân chia vai trò và nhiệm

vụ để cùng nhau phối hợp thiết kế hệ thống và phải am hiểu toàn hệthống

Các thành viên thống nhất lựa chọn phương án thiết kế phù hợp vàđược sự đồng ý của giảng viên hướng dẫn.

* Tải chuyển động tịnh tiến:

Tài liệu tham khảo của dự án:

+ Tài liệu học tập của các môn học: Truyền động điện, Điện tử

 =

K e ϕ đm

-

K e K M ϕ2đm

nhỏ, nên dòng điện khởi động của động cơ rất lớn,

thường gấp 10 đến 25 lần dòng điện định mức của động cơ

I a ,kđ ≫ I a , đm

Với giá trị dòng điện khởi động lớn, sẽ không cho phép

về mặt chuyển mạch ở vành góp, sụt áp trên nguồn điện

và gây xung lực trong các cơ cấu truyền động Mô-men khởi động lớn có thể gây vặn xoán, gãy trục nối giữa

động cơ với tải Tác hại này còn nghiêm trọng hơn đối vớinhững hệ thống cần khởi động, hãm máy nhiều lần trongquá trình làm việc

I a ,kđ=¿ V a ,đm

R a

R a+Σ i=1 n R p , i

Soft starter

Khởi động với điện áp phần ứng

ban đầu có giá trị nhỏ, sau đó tăng dần trong quá trình khởi động :

+ Đảo chiều điện áp phần ứng

+ Đảo chiều từ thông kích từ

Phương trình đặc tính cơ khi đảo chiều:

Đặc tính đảo chiều

Đặc tính đảo chiều của động cơ

• Ban đầu động cơ làm việc ổn định tại điểm A như trên hình vẽ.

• Trong giai đoạn động cơ đảo chiều thì đường đặc tính của nó đi theo đường mũi tên như trên hình vẽ.

• Sau đó động cơ hoạt động ổn định sau khi trải qua quá trình quá độ thì động cơ làm việc ổn định tại điểm C như hình vẽ

1.3 Mô hình toán học của động cơ một chiều kích

Chuyển phương trình điện áp của mạch phần ứng từ

miền thời gian sang miền Laplace:

V a (s )=E a ( s )+ R a i a (s )+ L a (s ) I a (s ) (5)

Chuyển phương trình suất điện động cảm ứng trong rotor

từ miền thời gian sang miền Laplace :

2.1) Chọn thông số

Chọn tốc độ dài động cơ vào lúc ổn định là 0,2 m/s

Chọn tốc độ dài động cơ lúc khởi động là 0,2 m/s

r = 0,2/ 0,02 = 10 (rad/s)Chọn thời gian khởi động là : 1s

Chọn thời gian ổn định là : 3s

Chọn thời gian đảo chiều là 2s

Chọn thời gian từ lúc ổn định tốc độ âm về 0 là 1s

thời gian từ lúc ổn đinh về 0 của tốc độ dài là 1s

gian từ 0 lên 0,25 m/s của tốc độ dài 1s

Thời gian khởi động từ 0 →1s

Thời gian ổn định lúc đầu là 2 → 4s

Thời gian đảo chiều là 5 → 6s

Thời gian ổn định lúc sau với động cơ quay ngược chiều là 7 → 9sThời gian lúc dừng động cơ từ khoảng ổn định là tại thời điểm 10s

2.2) Tính toán momen điện từ và công suất của động cơ

2 1

.

i

em i i

Chọn hệ số quá tải hay hệ số an toàn là λ = 1,5

Pfinal = λ Peq ≈ 2,072858 (Watt)

Tfinal = λ Teq ≈0,152256 (Watt)

Momen xoắn: Txoắn = Peq 9,55n

Trong đó: _ Peq là công suất đẳng trị

_n là tốc độ động cơ(vòng/phút)

Tùy theo động cơ mà ta có tốc độ khác nhau

2.3) Chọn động cơ

Động cơ được chọn phải thỏa mãn sao cho :

{

Chọn Động cơ DC giảm tốc GA25 Encoder 250rpm

Điện áp cấp cho động cơ hoạt động: 3 – 12VDCĐiện áp cấp cho Encoder hoạt động: 3.3VDCHình ảnh động cơ:

Tfinal = 0,152256 Nm vậy để đáp ứng yêu cầu ta chọn hộp số có tỷ

Đồ thị momen động cơ

3) Chọn bộ biến đổi công suất

3.1) Chọn IC

Gọi Ud là điện áp ra tải

Ta có: điện áp ngược tối đa đặt lên diode chính là Ungmax

Ta có: theo như bảng 1.1 thì với sơ đồ cần 1 pha: U d

U2 =0.9 (lấy  từ U d = 2√π2U2)

Gọi I2là dòng điện hiệu dụng của cuộn thứ cấp máy biến áp

Theo như bảng 1.1 ta có, với mạch sơ đồ 1 pha thì: I2

I d =1,11Với I 2 max=300 mA ( dòng điện hiệu dụng tối đa ra khỏi máy biến áp )

1,11

d d

I

Gọi I v là dòng điện trung bình đi qua van

Theo như bảng 1.1 ta thấy rằng: I v=I d

2 max

Để thuận lợi cho việc lăn xung, ta sử dụng một điện áp lớn hơn khoảng2,5V.

4) Chọn linh kiện mạch

4.1) Máy biến áp :

FLYBACK TRANSFORMERS EE 25

Datasheet:

4.2) Chọn cầu chỉnh lưu Diode: RS507

4.2) Chọn Bộ lọc LC:

Tụ hóa 470 μF, 50 V:

4.3) Cuộn cảm SMD 220μH:H:

4.4) Bộ điều chỉnh điện áp: LM7824CV

Datasheet:

4.5) Cầu H băm xung điều khiển động cơ: IC L298:

Datasheet:

5) Thiết kế mạch

Giải thích:

Đầu tiên, ta để Domino P1 cấp nguồn cho biến áp có độ rộng điện áp hoạt động từ 120 - 375 V Sau đấy, điện áp ra từ máy biến áp có độ lớn 30V, 300mA

Sau đấy, điện áp gặp cầu Diode chỉnh lưu 1 san phẳng điện áp từ AC sang DC

Tiếp đến, điện áp qua bộ lọc LC để lọc, với L để lọc dòng điện và C để lọc điện áp giúp cho điện áp và dòng điện đỡ đập mạch

Khi ra khỏi bộ lọc LC, điện áp sẽ đi tới bộ điều khiển điện áp để cấp nguồn cho bộ cầu H băm xung Tác dụng của bộ điều chỉnh điện áp là

để điều chỉnh điện áp từ một giá trị lớn sang giá trị định mức nhỏ hơn

mà cầu có thể điều chỉnh, băm xung được

Điện áp khi ra khỏi bộ điều chỉnh có độ lớn định mức để bộ băm xung

có thể hoạt động được Lúc này, bộ băm xung được nối với Vi điều khiển( cụ thể ở đây chính là Arduino) để thiết lập chu kỳ và độ rộng xung, rồi từ đấy bộ cầu H băm xung theo yêu cầu và truyền điện áp tới

động cơ Ngoài ra IC điều khiển động cơ còn có thêm cách chân có nhiệm vụ gắn cảm biến tốc độ, dòng điện và Momen tải.

Hình ảnh 3D của mạch:

6) Tính toán thông số và mô phỏng hệ thống

fcc = 251 fsp = 251 4000 = 160

ωcc = 2π fcc = 2π 160 = 320π rad/s

Tần số lấy mẫu của mạch vòng tốc độ sẽ chậm hơn so với mạch vòng dòng điện Do đó, chọn tần số cắt cs của hàm truyền hở mạch vòng tốc độ bằng:

ωcs = ωcc5 = 320 π5 = 64π rad/s

B Tổng hợp mạch vòng dòng điện:

Hình 6.3 – Mô hình toán mạch vòng dòng điện

Hàm truyền hệ hở được đưa về dạng:

K s

a

K L



Từ đó, chúng ta có thể xác định được các hệ số Kpc và Kic của bộ điều khiển dòng điện:

Hình 6.5 – Mô hình toán mạch vòng dòng điện

Tương tự như cách làm đối với tổng hợp mạch vòng dòng điện, chúng

ta xác định hàm truyền hệ hở của mạch vòng tốc độ và đưa về dạng:

.64 1, 23320,03

eq

t

J K



Từ đó, chúng ta có thể xác định được các hệ số Kps và Kis của bộ điều khiển tốc độ:

5 5.10 64

0,33510,03

cs

B B

Động cơ có điện trở phần ứng và điện kháng phần ứng lần lượt là 2,3

Ta thấy rằng, bộ điều khiển phát xung cho bộ băm xung DC – DC có phản hồi tổng hợp từ dòng điện và tốc độ đầu ra rồi được đưa qua bộ giới hạn và tới khâu phát xung Bên trong khâu phát xung có tín hiệu điện áp tam giác so sánh với điện áp tham chiếu và đưa đến 4 ngõ ra của các van bộ băm xung Vì tín hiệu của van 1 chính là đảo của tín hiệu van 2 và tín hiệu van 3 là tín hiệu đảo của tín hiệu van 4 nên sẽ không xảy ra trường hợp trùng dẫn gây cháy động cơ.

C.Kiểm nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng

Kết quả lần lượt của cả 3 đặc tính tốc độ, dòng điện và mô men tải:

Đồ thị của tốc độ động cơ :

_Nhận xét: Đồ thị của tốc độ động cơ đạt như mong muốn, bám sát với yêu cầu của hệ thống Khi tăng Kps thì đồ thị càng sát với thực tế, còn giảm độ Kí thì biên độ đập mạch và giao động giảm do Khâu P có tác dụng tỉ lệ với đầu vào và khâu I có tác dụng triệu tiêu sai lệch nhưng lạităng thời gian đáp ứng

Đồ thị của dòng điện phần ứng:

_Nhận xét: Đồ thị của dòng điện phần ứng như mong muốn, bám sát với yêu cầu của thực nghiệm Tuy có biên độ đập mạch nhưng độ dập mạch rất nhỏ và ở mức cho phép Cũng giống với bộ điều khiển tốc độ,

hệ số Kpc và Kic của dòng điện đã điều chỉnh độ quá độ, vọt lố giúp cho

đồ thị mô phỏng sát với yêu cầu của hệ thống Khâu tỉ lệ có tác dụng tỉ

lệ đầu vào khiến đồ thị bám sát lý thuyết và khâu I giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh, giảm độ giao động nhưng lại khiến tăng thời gian đáp ứng Ban đầu dòng điện tăng trong thời gian ngắn đó chính là do dòng điện khởi động ban đầu rất cao vì lúc khởi động chưa có tốc độ động cơ

( ) ( )

.

a E t a

Ban đầu do tốc độ động cơ = 0 nên IKĐ rất lớn

Đồ thị của Momen điện từ:

Nhận xét: Đồ thị của dòng điện phần ứng như mong muốn, bám sát với yêu cầu của thực nghiệm Tuy có biên độ đập mạch nhưng độ dập mạchrất nhỏ và ở mức cho phép Hệ số Kpc và Kic của dòng điện đã điều chỉnh độ quá độ, vọt lố giúp cho đồ thị mô phỏng sát với yêu cầu của hệthống Khâu tỉ lệ có tác dụng tỉ lệ đầu vào khiến đồ thị bám sát lý

thuyết và khâu I giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh, giảm độ giao động nhưng lại khiến tăng thời gian đáp ứng Sở dĩ có sự giống nhau giữa đồ thị củadòng điện phần ứng và độ thị Momen điện từ là vì ta có công thức :

M t

( )  K

( ) 

I t

D Phân tích:

+) Các khoảng thời gian chuyển giao khi tốc độ yêu cầu tăng thì còn tùy thuộc vào dấu của tốc độ (quay thuận chiều hay ngược chiều) do công thức:

( ) ( )

.

a E t a

+) Xét 5 ≤ 𝑡 ≤ 6: tốc độ động cơ tăng theo chiều âm (góc phần tư thứ tư tiến về trục Oy) khiến cho dòng điện và Momen điện từ giảm

+) Xét 6 ≤ 𝑡 ≤ 9: Tốc độ động cơ không đổi nên mô men cũng không đổi

+) Xét 9 ≤ 𝑡 ≤ 10: Tốc độ động cơ giảm theo chiều ngược lại giúp cho momen tăng, đây chính là hãm ngược

Nhận xét: Tuy nhiên, do khâu lọc chưa được thiết kế tốt nên còn dao động nhiều ở kết quả đầu ra và ảnh khoảng dao động tương đối bé khiến ta khó có thể nhận ra sự thay đổi

E Tương quan giữa momen, điện áp và tốc độ

_Phân tích: +) Khi tốc độ yêu cầu của động cơ tăng, điện áp đặt vào phần ứng( chính là Va(t) ) của động cơ cũng tăng để tốc độ thực đạt yêucầu

+) Khi tốc độ không đổi, điện áp đặt vào động cơ và momen không đổi.+) Khi tốc độ đảo chiều, bộ chỉnh lưu cũng đảo chiều điện áp cấp cho động cơ, momen đảo chiều tương ứng Bộ băm xung nên dung chỉnh lưu có điều khiển hoàn toàn đề phòng trường hợp khi tốc độ đảo chiều nhưng bộ chỉnh lưu lại không cho điện áp chạy qua khiến cho động cơ

bị khựng lại đột ngột, nếu tốc độ cao sẽ dễ gây hỏng hóc động cơ

_Nhận xét:

+) Điện áp trung bình theo gần đúng giá trị tính toán, tương ứng với sự thay đổi của momen và tốc độ

+) Với 5 ≤ 𝑡 ≤ 10: điện áp đảo chiều dẫn đến sự đảo chiều của tốc độ,

đồ thị các đặc tính đối xứng với khoảng thời gian trước đó do tốc độ đốixứng

_Nhận xét chung về hệ thống và rút ra kinh nghiệm :

Hệ thống hoạt động tương đối tốt với giá trị trung bình của các đại lượng tốc độ, momen, dòng điện và điện áp theo đúng với giá trị tính toán trên lí thuyết

Khâu lọc LC ngoài thực tế khác trong lý thuyết do có sai số từ động cơ,

đo đạc và sai số từ linh kiện cuộn cảm, tụ điện( Tụ điện không có điện điện dung lý tưởng và cuộn cảm không có độ từ thẳm bằng vô cùng) nên không thể làm cho dòng điện ra phẳng hoàn toàn Kết quả đầu ra của Momen và dòng điện phần ứng tuy có đập mạch nhưng nhỏ => bộ lọc LC và bộ PI hoạt động tương đối hiệu quả

Đối với tải tương đối nhỏ khoảng vài kg thì tương đối khó phát hiện ra

sự thay đổi trong các giai đoạn thay đổi tốc độ của động cơ (do nhóm

em thiết kế theo như dự kiến học offline nên nhóm em chọn động cơ cóđiện áp định mức và tải tương đối nhỏ để có thể phù hợp khi chọn động

cơ thật và tìm ra động cơ phù hợp với giá tiền) Trong thực tế, đối với tải vài tram kg trở lên phải dung động cơ công suất lớn thì dễ dàng pháthiện ra sự thay đổi lớn hơn Nếu có điều kiện về kinh tế thì chúng ta có thể chọn động cơ có công suất cao và tải lớn hơn giúp chúng ta có thể nhận ra sự thay đổi như theo lý thuyết đã được học cực kỳ dễ dàng