Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)

Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động (Luận văn thạc sĩ)

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA

Trang 3

MỤC LỤC

Mục lục………i

Lời cam đoan:……… ………vi

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt……….……… vii

Mục lục hình vẽ ………….……….viii

Lời cảm ơn:……….…… … ix

Lời nói đầu……… 01

Chương I……….…02

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN TỰ ĐỘNG … ……… 02

I.1.Công dụng của máy hàn tự động ……….……….… 02

I.2 Giới thiệu các chuyển động của máy hàn tự động……… …………03

I.2.1 Chuyển động đẩy que hàn vào vùng hàn……… ……….03

I.2.2 Chuyển động lắc que hàn……… ………….……03

I.3 Giới thiệu các thông số và các yêu cầu máy hàn tự động ……… ……05

I.4 Các phương án điều khiển ổn định tốc độ xe hàn ……….……… … 09

I.5 Tìm hiểu máy hàn tự động trong chương trình KC.03.06-10……….….…10

I.5.1 Sự ra đời của mày hàn này ……….……… 10

I.5.2 Yêu cầu rô bôt và các thông số kỹ thuật ……… 12

I.5.3 Các chuyển động điều khiển, các chuyển động của robot hàn tự động ……… 13

I.5.4 Thiết kế, chế tạo, lắp ráp hệ thống điều khiển ……… 14

I.5.5 Xây dựng phần mềm tính toán và điều khiển robot ……… 16

Trang 4

I.5.6 Module vào ra số liệu ……… ……… 16

I.5.7 Giới thiệu hệ thống chuyển động được ứng dụng ……… 19

I.5.8 Cơ cấu robot tự hành ……….……… …… … 19

Chương II KHẢO SÁT & TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG XE HÀN MÁY HÀN TỰ ĐỘNG……….……….………25

II.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ truyền động ……….……… ….… ………….25

II.1.1 Động cơ điện xoay chiều 3 pha……… ……….……….……….…25

II.1.2 Biến tần ……… ……….……….….….…… … 27

II.1.1 Động cơ điện xoay chiều 3 pha……… ……….……….……….…27

II.1.2 Biến tần ……… ……….……….….….…… … 27

II.1.2.1 Khối động lực……….……… ……….……….……….…27

II.1.2.2 Các phương pháp điều khiển ……… ……….……….….….…… … 27

II.1.2.2.1 Xây dựng hệ điều khiển vector ……… ……….……….……… 28

II 1.2.2.1.1 Khái niệm về vector không gian ……… ……….……….….… .… 38

II 1.2.2.1.2 Trạng thái của van và các vectơ biên chuẩn ……….……….….….…… … 29

II 1.2.2.1.3 Tổng hợp vector không gian từ các vectơ biên …… ……….……….……… 30

II.1.3 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300……… ……….……….….… .… 31

II.1.3.1 Cấu trúc của trạm SIMATIC PLC S7-300 ……….……….….….…… … 31

II.1.3.2 Module điều khiển PID ……… ……….……….……… 33

II.1.3.3 Thiết bị tín hiệu tốc độ ……… ……… ……….……….….… .… 37

II.2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB 3 PHA……….……….….….…… … 39

Trang 5

II.2.1 Các phương pháp điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều 3 pha …….39

II.2.1.1 Điều khiển vectơ ( FOC …….……… ……….……….….… .… 39

II.2.1.2 Điều khiển trực tiếp mômen ( DTC)…… ……….……….….….…… … 40

II.2.2.1 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stato (α,β) ……….……… 41

II.2.2.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB 3 pha từ hệ tọa độ cố định trên stato (α,β) về hệ tọa độ tựa từ thông rotor (d,q)……… 42

II.2.2.3 Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ……… …43

II.2.2.4 Cơ sở định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)……… …….44

II.2.3 TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300……… 46

II.2.3.1.Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện điều khiển vector biến tần II.2.3.2.Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện……… 49

II.2.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ.……….……….51

II.2.4 Mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink……….… 53

II.2.4.1.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống.……….……… ….54

II.2.4.1.2 Khối động cơ KĐB……… ……….54

II.2.4.1.3 Khối điều khiển vector……….……….……….….55

II.2.4.1.4 Khối điều khiển tốc độ……… ……… ……… ….… 55

II.2.5 Tính toán gần đúng các thông số……… 56

II.2.5.1 Tính toán gần đúng các thông số ghi trên nhãn động cơ……….56

II.2.5.2 Xác định các thông số của máy phát tốc………57

II.2.5.3 Tính toán thông số bộ điểu chỉnh dòng điện Ri(p) ……… ….57

II.2.5.4 Tính toán các thông số bộ điều chỉnh tốc độ Rω(p)) ……… ……57

II.2.6 Quá trình mô phỏng……… …58

Trang 6

II.2.6.1 Động cơ làm việc không tải tần số 50 Hz……….59

II.2.6.2 Động cơ làm việc có tải ở tần số 50 Hz……….……… 60

II.2.6.3 Động cơ làm việc có tải ở tần số 15Hz ……… 61

II.2.6.4 Nhận xét………63

II.3 Thí nghiệm……… 64

II.3.1 Giới thiệu bài thí nghiệm……… 64

II.3.2 Xây dựng hệ mô hình thực nghiệm………….……… 65

II.3.3 Nguyên lý làm việc………65

II.3.4 Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển P trong S7-300……… ……….66

II.3.5 Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển PI trong S7-300……….67

II.3.6 So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với lý thuyết tính toán………68

CHƯƠNG III KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ỔN ĐỊNH VỊ TRÍ XE HÀN……….69

III.1 Khảo sát và tính toán với hệ điều khiển tuyến tính………69

III.1.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ BT ĐC KĐB xoay chiều 3 pha……….69

III.1.2 Xây dựng hàm số hệ truyền động BT ĐCKĐB ~ 3 pha ổn định tốc độ………70

III.1.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí……….70

III.1.4 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí………71

III.1.5 Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động xe hàn khi dùng bộ điều khiển PID………72

III.2 Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động xe hàn……… …72

III.2.2 Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong mạch vòng vị trí……… …74

III.2.2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ………74

III.2.2.2 Các bộ điều khiển mờ………75

III.2.2.2.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển……….75

III.2.2.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh……… 75

III.2.2.2.3 Bộ điều khiển mờ động………76

III.2.3 Bộ điều khiển mờ lai PID………76

III.2.3.1 Giới thiệu chung……… 80

III.2.3.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID………80

Trang 7

III.3 Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ cho truyền

động để điều khiển chuyển động cho xe hàn máy hàn tự động………81

III.3.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ III.3.2 Mô phỏng hệ với bộ điều khiển mờ mắc nối tiếp….82 III.3.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG SO SÁNH CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI NỐI TIẾP CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE HÀN……… 89

III.3.3.1 Mô phỏng với lƣợng đặt là = 10 V III.3.3.2 Mô phỏng với lƣợng đặt là hàm điều hòa tuần hoàn: y = Asin(ωt)………90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………96

IV.1 Kết luận……… 98

IV.2 Kiến nghị……… Tài liệu tham khảo

Trang 8

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Bích Ngọc

Sinh ngày: 02 tháng 11 năm 1988

Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Công ty TNHH SamSung Electro – Mechanics Việt Nam

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận trong luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Trần Bích Ngọc

Trang 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 BTKĐB~3 pha Biến tần không đồng bộ xoay chiều ba pha

2 ADC Analog Digital Convert

3 DAC Digital Analog Convert

4 PID Proportional Intergal Derivative

5 PI Proportional Intergal

6 PD Proportional Derivative

7 Ucđ Điện áp chủ đạo

8 Ki , Kp Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện

9 Kω Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ truyền động dịch cực………

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ truyền động cho xe hàn………

Hình 1.3 Sơ đồ động học rôbot hàn tự động………

Hình 1.4 Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển vị trí các trục………

Hình 1.5 Lưu sơ đồ chức năng chương trình………

Hình 1.6 Cơ cấu hệ thống điều khiển Servo robot hàn tự hành 4 trục………

Hình 1.7 Mô hình cơ cấu robot hàn tự hành………

Hình 1.8 Cơ cấu chuyển động của các khớp robot hàn………

Hình 1.9 Cơ cấu chuyển động của khớp robot………

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động………

Trang 4 9 13 15 18 19 20 21 23 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần động cơ………

Hình 2.2.a: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp không đổi………

Hình 2.2.b Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp (U/f = const)………

Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha………

Hình 2.4 Biểu đồ sóng điện áp ra biến tần khi điều khiển theo phương pháp PWM Hình 2.5 Vector không gian và vector biên chuẩn………

Hình 2.6 Trạm PLC máy gạt phôi………

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc module điều khiển PID………

Hình 2.8 Thuật toán điều khiển PID………

Hình 2.9 Đặc tính đo máy phát tốc 1 chiều………

Hình 2.10 Mạch đo tốc độ bằng máy phát tốc xoay chiều 3 pha………

Hình 2 11 Sơ đồ điều khiển vector của hệ truyền động BT KĐC ~ 3pha………

Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ BT KĐB ~ 3 pha điều khiển trưc tiếp momen………

Hình 2.13 Hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stator (α,β)

Hình 2.14 Hệ tọa độ quy đổi (α,β) tựa theo từ thông rotor (d,q)………

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vector động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần………

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB……

Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB………

Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB… Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện………

Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ………

Hình 2.21 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ ………

25

26

27

28

30

31

34

37

38

39

41

43

46

47

48

49

51

Trang 11

Hình 2.22 Cấu trúc mô phỏng hệ thống BĐBT – ĐCKĐB………

Hình 2.23 Khối động cơ xoay chiều 3 pha………

Hình 2.24 Cấu trúc khối điều khiển vector………

Hình 2.25 Cấu trúc khối điều khiển tốc độ………

Hình 2.26 Điện áp tức thời của biến tần ở tần số 50 Hz………

Hình 2.27 Tốc độ động cơ ở tần số 50 Hz………

Hình 2.28 Mômen điện từ ở tần số 50 Hz………

Hình 2.29 Tốc độ động cơ ở tần số 50 Hz………

Hình 2.30 Điện áp đặt vào động cơ ở tần số 50 Hz có tải………

Hình 2.31 Tốc độ đặt vào động cơ ở tần số 50 Hz có tải………

Hình 2.32 Mômen đặt vào động cơ ở tần số 50 Hz có tải………

Hình 2.33 Điện áp ra của biến tần không tải ở tần số 15 Hz………

Hình 2.34 Điện áp đặt vào của biến tần không tải ở tần số 15 Hz………

Hình 2.35 Tốc độ của động cơ ở tần số 15 Hz có tải………

Hình 2.36 Mômen của động cơ ở tần số 15 Hz có tải………

Hình 2.37 Hệ thống điều khiển kết nối với Win CC………

Hình 2.38 ………

52 54 55 57 58 59 60 61 61 62 63 64 65 65 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển vị trí tuyến tính………

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định tốc độ truyền động BT ĐCKĐB ~ 3 pha………

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí………

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển vector biến tần ĐC xoay chiều 3 pha KĐB…

Hình 3.5 Đáp ứng vị trí bộ điều khiển PID………

Hình 3.6 Đáp ứng tốc độ bộ điều khiển PID………

Hình 3.7 Đáp ứng mômen bộ điều khiển PID………

Hình 3.8 Quan hệ giữa ∆φ và ω………

69

70

71

72

Trang 12

Hình 3.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ………

Hình 3.10 Mô hình chuyển đổi hiểu biết com người và điều khiển mờ………

Hình 3.11 ví dụ chọn dữ liệu vào/ra………

Hình 3.12 Hệ điều khiển mờ theo luật I………

Hình 3.13 Hệ điều khiển mờ theo luật PD………

Hình 3.14 Hệ điều khiển mờ theo luật PI………

Hình 3.15 Hệ điều khiển mờ PID………

Hình 3.16 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển………

Hình 3.17 Mô hình bộ điều khiển mờ bù………

Hình 3.18 Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID……

Hình 3.19 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ………

Bảng 3.20 Xây dựng luật điều khiển ………

Hình 3.21 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.22 Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.23 Định nghĩa các tập mờ cho biến DET của bộ điều khiển mờ PD…………

Hình 3.24 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.25 Xây dựng các luật cho bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.26 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ PD…………

Hình 3.27 Quan sát tín hiệu vào ra bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.28 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………

Hình 3.29 Đáp ứng vị trí bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………

Hình 3.30 Đáp ứng tốc độ bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………

Hình 3.31 Đáp ứng mômen bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………

Hình 3.32 Sơ đồ mô phỏng đánh giá chất lượng bộ điều khiển PID và mờ lai nối tiếp PD…

Hình 3.33 Đáp ứng vị trí với lượng đặt =10V………

Hình 3.34 Đáp ứng tốc độ với lượng đặt =10V………

Hình 3.35 Đáp ứng mômen với lượng đặt =10V………

Hình 3.36 Chất lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử y= 0,1 sin(ωt) với ω=1 rad/s………

Hình 3.37 Chất lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử y= 0,1 sin(ωt) với ω=10 rad/s………

73 73 75 77 77 77 79 80

81

82

85

86

87

89

90

91

93

Trang 13

Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	472,02 KB
File đính kèm	Luận văn Full.rar (5 MB)