Điều khiển tốc độ động cơ bằng matlab simulink

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ ĐỀ TÀI Điều khiển tốc độ động cơ với tín hiệu đặt là hằng số Giảng viên[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ

ĐỀ TÀI: Điều khiển tốc độ động cơ với tín hiệu đặt là hằng số

Giảng viên hướng dẫn: Trần Tiến Lương

Hải Phòng, năm 2021

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1 CHIỀU 7

1.1 Tổng quan về động cơ điện 1 chiều 7

1.1.1Cấu trúc chung của hệ truyền động điện 7

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện 8

1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều 10

1.2.1 Cấu tạo 10

1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều 11

1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều 12

1.3.1Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông 12

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng 13

1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 14

CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MATLAB SIMULINK 16

2.1 Cấu trúc điều khiển 16

2.2 Các thành phần trong cấu trúc 17

2.2.1 Tên thiết bị và các thông số kỹ thuật 17

2.2.2 Hàm truyền của thiết bị 22

2.3 Sơ đồ đấu nối thiết bị hãng 23

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN MATHLAB SIMULINK VÀ MẠCH THỰC 24 3.1 Xây dựng mô hình trên mathlab simulink 24

3.1.1 Sơ đồ trên mạch trên mathlab simulink 24

3.1.2 Tiến hành mô phỏng 24

3.2 Tính toán bộ điều khiển 27

3.2.1 Phương pháp tính bộ điều khiển bằng thực nghiệm 27

3.2.2 Tính toán bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 303.3 Mô phỏng toàn bộ hệ thống bằng mathlab simulink 323.5 Đánh giá kết quả mô phỏng 353.6 Hình ảnh thực tế 35

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện 7

Hình 1 2 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 10

Hình 1 3 Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều 12

Hình 1 4 sơ đồ thay thế 12

Hình 1 5 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi từ thông θ 13

Hình 1 6 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng 14

Hình 1 7 Sơ đồ khối 14

Hình 1 8 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp 15 Hình 3 1 Sơ đồ mạch trên mathlab simulink 23

Hình 3 2 Cài đặt thời gian lấy mẫu hệ thống 24

Hình 3 3 Chọn cổng COM 24

Hình 3 4 Cài đặt mô phỏng hệ thống 24

Hình 3 5 Đồ thị tín hiệu hàm nấc dạng chữ S 26

Hình 3 6 Sơ đồ khối hệ 27

Hình 3 7 Dạng đồ thị khi dao động điều hòa 27

Hình 3 8 Đáp ứng tốc độ với bộ điều khiển PI 30

Hình 3 9 Đáp ứng tốc độ với bộ điều khiển PID 30

Hình 3 10 Đáp ứng tốc độ với tín hiệu đặt sin 31

Hình 3 11 Đáp ứng tốc độ với tín hiệu biến thiên theo thời gian 31

Hình 3 12 Hình ảnh thực tế 32

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật Arduino UNO 20

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ranhững thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần không nhỏ vàothành công đó Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hoásản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ Từ trước đến nay, động cơ mộtchiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những hệ thống yêu

cầu cao Vì vậy em đã được giao đề tài bài tập lớn là: “xây dựng bộ PID điều khiển tốc độ động cơ với tín hiệu đặt là hằng số” Nội dung đề tài chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động điện 1 chiều.

Chương 2: Xây dựng mô hình hệ truyền động điện một chiều trên Matlab

và Simulink

Chương 3: Mô phỏng trên mathlab simulink và mạch thực.

Trong quá trình làm đề tài bài tập lơn em nhận được sự hướng dẫn tận tình, vàcung cấp tài liệu cần thiết của thầy Trần Tiến Lương Trong thời gian thực hiện đề tàicộng với kiến thức còn nhiều hạn chế, nên cuốn đồ án này của nhóm em không tránhkhỏi những thiếu sót, những sai sót, nhóm em rất mong được sự giúp đỡ và góp ý kiếncủa thầy cô và các bạn sinh viên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1 CHIỀU 1.1 Tổng quan về động cơ điện 1 chiều

1.1.1Cấu trúc chung của hệ truyền động điện

Truyền động cho một máy, một dây chuyền sản xuất mà dùng năng lượng điệnthì gọi là truyền động điện (TĐĐ) Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bịnhư: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biếnđổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất,đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ của máysảnxuất Về cấu trúc, một hệ thống TĐĐ nói chung bao gồm các khâu:

Hình 1 1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện

BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều

hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại),biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số Các BBĐthường dùng là máy phát điện, hệ máy phát - động cơ (hệ F-Đ), 4 các chỉnh lưu khôngđiều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần

Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành

điện năng (khi hãm điện) Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều KĐB

TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất

hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phùhợp về tốc độ, mômen, lực Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trụcvít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ

CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và

công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển )

ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BBĐ, động

cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực Khối điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộđiều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm(các rơle, công tắc tơ) hay không có tiếp điểm (điện tử,bán dẫn) Một số hệ TĐĐ TĐkhác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, các

bộ vi xử lý, PLC Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệuphản hồi có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang

Một hệ thống TĐĐ không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu nêu trên Tuynhiên, một hệ thống TĐĐ bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính:

- Phần lực: Bao gồm bộ biến đổi và động cơđiện

- Phần điềukhiển

Một hệ thống truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, vàđược gọi là hệ kín khi có phản hồi, nghĩa là giá trị của đại lượng đầu ra được đưa trởlại đầu vào dưới dạng một tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đạilượng đầu ra đạt giá trị mong muốn

1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện

a , Theo đặc điểm động cơ điện

- Truyền động điện một chiều: Dùng động cơ điện một chiều Truyền động điệnmột chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen, nó cóchất lượng điều chỉnh tốt Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp vàgiá thành cao, hơn nữa nó đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong nhữngtrường hợp không có yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ KĐB

để thaythế

- Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều không đồng

bộ Động cơ KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành antoàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Tuy nhiên, trước đâycác hệ truyền động động cơ KĐB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc điều chỉnh tốc độđộng cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ điện một chiều Trong những năm gần đây, do

sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹthuật điện tử tin học, truyền động không đồng bộ phát triển mạnh mẽ và được khaithác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần số Những hệ này đãđạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ truyền động mộtchiều

- Truyền động điện đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha.Động cơ điện đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho loại truyền động không điềuchỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió,bơm nước, máynghiền.v.v )

b, Theo tính năng điều chỉnh

- Truyền động không điều chỉnh: Động cơ chỉ quay máy sản xuất với một 6 tốc

độ nhấtđịnh

- Truyền có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta cótruyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền độngđiều chỉnh vịtrí

c, Theo thiết bị biến đổi

- Hệ máy phát – động cơ (F-Đ): Động cơ điện một chiều được cấp điện từ mộtmáy phát điện một chiều (bộ biến đổi máy điện) Thuộc hệ này có hệ máyđiệnkhuếchđại động cơ (MĐKĐ – Đ), đó là hệ có BBĐ là máy điện khuếch đại từtrườngngang

- Hệ chỉnh lưu – động cơ (CL – Đ): Động cơ một chiều được cấp điện từ một

bộ chỉnh lưu (BCL) Chỉnh lưu có thể không điều khiển (Điôt) hay có điềukhiển(Thyristor)…

1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều

1.2.1 Cấu tạo

Hình 1 2 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

Phần tĩnh: là Stato và luôn luôn là phần cảm Phần cảm là phần nhận năng

lượng điện một chiều để tạo ra từ trường kích từ trong máy

-Vỏ máy (1): Là mạch từ, dùng để dẫn từ và gá lắp các cực từ, ngoài ra vỏ máycòn làm nhiệm vụ bảo vệ máy Vỏ được làm bằng thép đúc

-Cực từ chính (2) thực tế gồm 2 phần : thân cực,và mặt cực Thân cực làm bằngthép đúc, mặt cực làm bằng thép lá KTĐ Cực từ chính có nhiệm vụ dùng để quấn dâykích từ và để tạo ra từ trường phần cảm gọi là từ trường kích từ Trên cực từ chínhngười ta quấn dây kích từWkt

-Cực từ phụ (3): Làm bằng thép đúc, mặt cực có khe khí với rôto rộng hơn sovới cực từ chính Trên cực từ phụ, được quấn dây kích từ phụ Wp Nó tạo ra từ trườngphụ

-Dây quấn: Là mạch điện dùng để dẫn điện, nó được làm bằng dây đồng bọccách điện, hoặc dây êmay Dây quấn gồm các loạisau:

+ Dây quấn kích từ song song (5), hay dây quấn kích từ độc lập :Wss: có nội trởlớn, vì số vòng dây lớn, thiết diện dây bé Wss có thể đấu song song hay độc lập vớiphần ứng (rôto)

+ Dây quấn kích từ nối tiếp (4): Wnt có nội trở rất bé vì W nhỏ S lớn, Wnt đượcđấu nối tiếp với phần ứng qua chổi than và cổ góp điện, dòng điện qua Wnt bằng dòng

điện qua rôto Tuỳ theo quan điểm phát nhiệt hay quan điểm cách điện mà Wss hayWnt được quấn gần hoặc xa lõi thép Stato hơn.

+ Dây quấn phụ Wp: Tương tự như Wnt nhưng chỉ khác nó được quấn trênthân cực từ phụ Tín hiệu dòng qua nó bằng dòng qua cuộn nối tiếp

Phần quay: Là rôto,và luôn luôn là phần ứng Phần ứng là phần cảm ứng ra các

sức điện động xoay chiều Phần ứng baogồm:

- Lõi thép (7) là mạch từ của rôto, được cấu tạo từ các lá thép KTĐ có độ dày(0,35 0,5) mm ghép lại với nhau tương tự như lõi thép của rôto dị bộ dây quấn ba pha.Chu vi mặt ngoài của rôto được xẻ rãnh đều đặn để đặt dây

- Dây quấn(8)làmạchđiệnrôto,dâyquấnlàdâyđồngbọccáchđiệnhay dây êmay.Kiểu quấn là rải đều trên chu vi mặt ngoài của rôto (sẽ học cấu tạo dây quấn ở chươngsau)

- Trục rôto (9) được làm bằng thép hợp kim có độ bền cơ khí rất cao Trục dùng

để đỡ rôto và quay tự do bởi hai đầu có hai vòngbi - Ngoài ra phần quay còn có cổgóp, cánh quạt làm mát

Ngoài những thành phần chính trên còn có các thành phần chổi than, cổ góp

1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều

Khi đặt điện áp một chiều vào phần cảm (Stato) thì trong phần cảm xuất hiện từtrường kt Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng thì trong dây quấn phần ứng(Roto) xuất hiện dòng điện iư Do đó thanh dẫn phần ứng chịu một lực tác động F, cóchiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái F=BLI lực F sẽ tạo ra mômen quay làmquay rôto Để chứng minh nguyên lý làm việc trên, đơn giản ta xét cho máy điện córôto là khung dây, Stato là một nam châm điện hai cực Bắc – Nam (N-S)

Hình 1 3 Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiềuTrên hình 1 khi mặt phẳng khung dây ABCD trùng với các đường sức của từtrường kt, nếu điện áp U mạch ngoài có dương ở chổi C1 âm ở chổi C2 thì chiều dòngđiện chạy trong rôto có chiều là: (+) C1V1 ABCDV1C2(-) Dùng quy tắc bàn tay trái,

ta xác định được chiều của lực F và từ đó suy ra chiều momen M Trên hình 2 tương tựkhi mặt phẳng ABCD quay đi 180o so với hình 1 ta thấy chiều dòng điện chạy trongphần ứng là: (+)C1.V2DCBAV1.C2(-) và tương tự ta cũng xác định được chiều của F

và chiều của momen M C F I• D B F + I• v 2 c 1 A c 2 v 1 - U k t

1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều

1.3.1Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông

Hình 1 4 sơ đồ thay thế

Hình 1 5 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi từ thông θ.

Đồ thị hình trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứngvới các giá trị khác nhau của từ thông Khi từ thông giảm thì n0 tăng nhưng ∆n còntăng nhanh hơn do đó ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau.Chúng sẽ cùng hôi tụ về điểm trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: Iư = (U/Rư).Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng.

Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có ∆n là thay đổi Một điều dễ thấynữa là, do ta chỉ có thể đưa thêm Rf chứ không thể giảm Rư nên ở đây chỉ điều chỉnhđược tốc độ dưới tốc độ định mức Do Rf càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽthay đổi nhiều khi tải thay đổi (từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dảibiến thiên của I đường đặc tính cơ nào mềm hơn tốc độ sẽ thay đổi nhiều hơn)

Hình 1 6 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện trở

phụ Rf trên mạch phần ứng

1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Hình 1 7 Sơ đồ khốiPhương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức Tuynhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thườnggiảm điện áp U Khi U giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n giảm Vì vậythường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức Còn nếu lớn hơn thì chỉ điềuchỉnh trong phạm vi rất nhỏ Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnhtốc độ thì mô men không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi(M = CM θ Iư)

Phương pháp này có từ thông không đổi nên đặc tính cơ có độ cứng không đổi.Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống, do đó có thểnói phương pháp này điều khiển là triệt để

Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc songsong làm việc ở chế độ kích từ độc lập Điều chỉnh động cơ DC bằng PWM chính là

sử dụng phương pháp này

Hình 1 8 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp

Kết luận : Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một

chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thayđổi điện áp Uu đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì

nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không

bị hao tổn

CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT

CHIỀU TRÊN MATLAB SIMULINK

2.1 Cấu trúc điều khiển

Từ lý thuyết điều khiển 3 vòng của động : mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc

- Trong THHDC thì cấu trúc chung của nó gồm 5 khối: đặt tín hiệu, bộ

điều khiển, bộ biến đổi, động cơ, khối đo

- Bộ điểu khiển dùng PC kết hợp arduino, sử dụng phần mềm matlab

simulink để xây dựng bộ PID, tín hiệu nhận về từ máy tính sẽ truyền tínhiệu tới arduino thông qua USB, arduino gửi tín hiệu tới bộ biến đổi để

có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ

- Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

- Bộ điều khiển lựa chọn phương pháp băm xung PWM để thay đổi điệnáp

2.2 Các thành phần trong cấu trúc

2.2.1 Tên thiết bị và các thông số kỹ thuật

a, Mạch cầu H, L298