Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ một chiều sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU1.1.. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng.. Chỉnhlưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha... Dây quấn phần ứ

Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã gópphần to lớn vào trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hoá của mỗi đất nước.Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về điều khiển cũnglần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý điều khiểntối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp Là một nước đang trong quátrình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm vụ hiện nay là thực hiệnthành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đất nước ta đang ngày càng đòihỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vàoquá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với cácnước trong khu vực và thế giới.Tự động hoá trong sản xuất với việc áp dụng nhữngthành tựu công nghệ mới nhằm nâng cao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm khôngnhững là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữa còn được xem như một chiến lược đối vớicác nhà máy, xí nghiệp cũng như toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốcgia

Từ những yêu cầu thực tiễn trên, em đã được giao thực hiện một đồ án môn họcmôn Tổng hợp hệ điện cơ với đề tài là: “ Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơmột chiều sử dụng vị trí tuyến tính ”

Do kiến thức còn hạn chế vì vậy đồ án này của em không khỏi những thiếusót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của cácthầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn !

Em xin chân thành cảm ơn!

Trang 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Giới thiệu về động cơ điện một chiều

Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệthống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài

W đến hàng MW Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầumomen, tăng tốc và hãm với tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ dàngđáp ứng các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanhvới nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ

Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưuđiều khiển Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng Chỉnhlưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha

1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện

Trang 3

điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm và được gắn trên gông từ bằngthép đúc, cũng chính là vỏ máy.

Rotor : còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phầnứng Lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghépcách điện với nhau Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnhtrên lõi thép rotor Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lágóp trên cổ góp Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor

Cổ góp và chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấnphần ứng

1.3 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào dòng kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại sau:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ

nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ đượctạo ra bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích từvĩnh cửu

Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song

song với mạch phần ứng

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp

với mạch phần ứng

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây

quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp Trong đó, cuộn kích từ songsong thường là cuộn chủ đạo

Trang 4

Hình 1.2: Các loại động cơ điện một chiều a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập b) Động cơ điện một chiều kích từ song song

1.4 Khái quát về động cơ điện một chiều

Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điệnkhác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễchế tạo Do đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có yêu cầu chấtlượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sửdụng động cơ điện một chiều

Đối với các hệ thống truyền động điện có yêu cầu điều chỉnh tốc độ thường

sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Trang 5

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

TUYẾN TÍNH

2.1 Cấu trúc điều khiển

Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển2.2 Giới thiệu và chọn lựa các thành phần trong cấu trúc điều khiển

2.2.1 Giới thiệu và lựa chọn bộ điều khiển

Phần cứng của hệ thống bao gồm hai khối chức năng quan trọng là: Bộ điều khiểnvà bộ cảm biến vị trí

Cả hai khối này được xây dựng trên Board Arduino Mega 2560 được mô tả dướihình sau:

Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng Atmega 2560 baogồm:

- 54 chân digital ( 15 có thể được sử dụng như các chân PWM )

- 16 đầu vào analog

- 4 UARTs ( cổng nối tiếp phần cứng )

Trang 6

- 1 thạch anh 16 MHz

- 1 cổng kết nối USB

- 1 jack cắm điện

- 1 đầu ICSP

- 1 nút reset

- Điện áp làm việc 5V

Hình 2.2: Sơ đồ linh kiện của Arduino Mega 2560

Trang 7

Hình 2.3: Các thành phần Arduino Mega2.2.2 Lựa chọn động cơ điện một chiều

Chọn động cơ Л-72 có thông số như bảng 2.1:

Bảng 2.1: Thông số động cơ Л-72

MÃ

HIỆU

Pđm(kW)

Uđm(V)

Iđm(A)

ndm(v/p)

Rư(Ω)

Lư(H)

J(kg.m2)

2.2.3 Giới thiệu và lựa chọn cảm biến vị trí

 Giới thiệu các loại cảm ứng vị trí

+ Cảm biến Chiết áp

Cảm biến vị trí được sử dụng phổ biến nhất trong thiết bị điện đó là chiết áp.Vì nó là một cảm biến vị trí rẻ tiền và dễ sử dụng Nó có một tiếp xúc gạt nước liên

Trang 8

kết với một trục cơ khí có thể là góc (quay) hoặc tuyến tính (dạng trượt) trongchuyển động của nó Tín hiệu điện trở gây ra giữa gạt nước / thanh trượt và hai kếtnối cuối có mối quan hệ tỷ lệ thuận Giữa vị trí gạt nước thực tế giữa điện trở và giátrị điện trở của nó Nói cách khác, mức điện trở là tỷ lệ thuận với vị trí.

Hình 2.4: Ví dụ về mạch cảm biến vị trí đơn giản+ Cảm biến tiệm cận cảm ứng

Một loại cảm biến vị trí cảm ứng khác sử dụng phổ biến là cảm biến tiệm cận cảmứng cũng được gọi là cảm biến dòng xoáy Trong khi họ không thực sự đo chuyểndịch hoặc xoay góc, chúng chủ yếu được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của mộtvật ở trước mặt chúng hoặc trong một khoảng cách gần, do đó tên của chúng là

“cảm biến tiệm cận”

Cảm biến tiệm cận, là cảm biến vị trí không tiếp xúc sử dụng từ trường để phát hiệnvới cảm biến từ tính đơn giản nhất là công tắc sậy Trong một cảm biến cảm ứng,một cuộn dây quấn quanh lõi sắt trong một trường điện từ để tạo thành một vòngcảm ứng

Trang 9

Khi một vật liệu sắt từ được đặt trong trường dòng xoáy tạo ra xung quanh cảmbiến cảm ứng, chẳng hạn như một tấm kim loại sắt từ hoặc kim loại vít, điện cảmcủa cuộn dây thay đổi đáng kể Mạch phát hiện cảm biến tiệm cận phát hiện sự thayđổi này tạo ra điện áp đầu ra Do đó, cảm biến tiệm cận cảm ứng hoạt động theonguyên lý điện của Luật tự cảm của Faraday

+ Cảm biến vị trí cảm ứng

Một loại cảm biến vị trí không bị các vấn đề về cơ khí là “Biến áp biến thiêntuyến tính” hoặc LVDT Đây là cảm biến vị trí cảm ứng loại hoạt động trênnguyên tắc tương tự như máy biến áp AC được sử dụng để đo chuyển động Nó làmột thiết bị rất chính xác để đo chuyển vị tuyến tính Đầu ra của nó tỉ lệ thuận với

vị trí của lõi di chuyển của nó

Về cơ bản nó bao gồm ba cuộn dây điện trở trên một ống rỗng trước đây.một cuộn cuộn dây chính và hai cuộn dây khác tạo thành các dây tương tự giốnghệt nhau được kết nối bằng điện với nhau với góc 1800 với cuộn dây chính Một lõisắt từ sắt mềm có thể di chuyển được (đôi khi được gọi là “phần ứng”) được nốivới vật thể đang được đo, trượt hoặc di chuyển lên xuống trong thân hình ống củaLVDT

Một điện áp tham chiếu AC nhỏ gọi là “tín hiệu kích thích” (2 – 20V rms, 2– 20kHz) được áp dụng cho cuộn dây chính, tạo ra tín hiệu EMF vào hai cuộn dâyphụ kế tiếp (các nguyên lý biến áp) Nếu phần lõi lõi sắt từ mềm chính xác ở giữaống và cuộn dây, “vị trí rỗng” Hai cảm ứng trong hai cuộn dây thứ cấp triệt tiêunhau khi chúng lệch 1800 Do đó kết quả đầu ra điện áp bằng không Khi lõi đượcdịch chuyển nhẹ sang một bên hoặc vị trí khác 0 Điện áp cảm ứng thiết bị thứ haisẽ lớn hơn điện áp chính và đầu ra sẽ được tạo ra

Trang 10

Độ phân cực của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào hướng và dịch chuyển của lõichuyển động Sự chuyển động của lõi sắt mềm từ vị trí rỗng trung tâm của nó cànglớn thì tín hiệu đầu ra sẽ càng lớn Kết quả là một đầu ra điện áp vi sai thay đổituyến tính với vị trí lõi Do đó, tín hiệu đầu ra từ loại cảm biến vị trí này có cả biênđộ là hàm tuyến tính của dịch chuyển lõi và cực phân cực cho biết hướng chuyểnđộng.

Giai đoạn của tín hiệu đầu ra có thể được so sánh với pha kích thích cuộn dây chínhcho phép các mạch điện tử thích hợp như Bộ khuếch đại cảm biến LVDT AD592để biết một nửa cuộn dây lõi từ tính ở đâu và do đó biết hướng đi.Bộ khuếch đạicảm biến LVDTAD592 để biết một nửa của cuộn dây lõi từ tính đang ở trong và do

đó biết hướng đi

Trang 11

Hình 2.5: Cảm biến vi sai tuyến tính

 Lựa chọn cảm ứng vị trí phù hợp

Để xác định vị trí đối tượng điều khiển, ta sử dụng cảm biến hồng ngoạiGP2D12 Nó sử dụng tia hồng ngoại để xác định khoảng cách đến vật phản hồitrong khoảng từ 10 – 80 cm và là mô – đun đo khoảng cách bằng ánh sáng hồngngoại thông dụng trên thị trường ( Sharp Corporation, 2005 ) Việc giao tiếp giữaAuduino Mega 2560 với GP2D12 khá đơn giản nhưng tín hiệu đầu ra tương tự củacảm biến không tuyến tính nên cần tuyến tính hóa dữ liệu từng đoạn để đạt được độ

Trang 12

chính xác cao hơn Công thức xác định khoảng cách cần đo được định nghĩa nhưsau:

Trong đó: KC là khoảng cách cần đo; X là điện áp ra của cảm biến Vout; K =0,42; a và b là 2 hệ số cần tìm Để xác định a và b, các thực hiện đo đạc được thiếtlập với khoảng cách từ 10 đến 80 cm được thiết lập như bảng 2.2 với 4 đoạn dữliệu (KC, X, Y), (KC1, X1, Y1), (KC2, X2, Y2), (KC3, X3, Y3)

Bảng 2.2: Giá trị đo từ 10 – 80 cm

Trang 13

Hình 2.6: Đồ thị khoảng cách cảm biến GP2D12 từ 10 – 80cm

Từ mỗi đoạn dữ liệu trên bảng 2, sử dụng phương pháp bình phương tốithiểu bằng công cụ polyfit của MATLAB, ta dễ dàng xác định được a và b

 Sơ đồ đấu nối từ cảm biến tới Auduno

Hình 2.7: Sơ đồ thực tế

Trang 14

Hình 2.8: Sơ đồ đấu nối2.2.4 Lựa chọn mạch công suất

Sử dụng mạch cầu H (HB - 300W)

2.3 Hàm truyền của khâu đo vị trí

Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu vị trí:

Trong đó: T - hằng số thời gian của cảm biến đo vị trí

K- hệ số phản hồi vị trí

Trang 15

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

3.1 Tổng hợp các bộ điều khiển

Việc tổng hợp các bộ điều khiển đều được tiến hành theo phương pháp tiêuchuẩn module tối ưu hoặc tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng

Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển ba mạch vòng kín là: Bắt đầu từvòng trong , từng vòng từng vòng một mở rộng ra ngoài Nghĩa là trước tiên ta phảithiết kế bộ điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi cả mạch vòng dòng điện là một khâutrong hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quay, tiếptục coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu trong hệ điều chỉnh vị trí để thiết kế bộđiều chỉnh vị trí

3.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện

Mạch vòng điều khiển dòng điện có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điệnkhi điều khiển động cơ điện một chiều, nó cũng làm hạn chế dòng của động cơkhông vượt quá ngưỡng cho phép Mặt khác, nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiếtlập dòng phần ứng bằng giá trị đặt trước sự tác động của nhiễu

Hình 3.1 : Cấu trúc mạch vòng dòng điệnĐối với động cơ một chiều, bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo 2 cách:

Trang 16

- Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng.

- Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi tính đến suất điện động phần ứng

Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so với quán tínhđiện, nghĩa là tại một thời điểm có thể xem sự thay đổi về dòng điện lớn hơn nhiềulần so với sự thay đổi của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi.Khi cần chính xác ta phải tính đến suất điện động của động cơ

Ta tổng hợp bộ điều khiển dòng RI khi bỏ qua suất điện động phần ứng:

Hình 3.2: Mô hình bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứngKhi đó đối tượng điều khiển dòng SI được tính như sau:

R





Trang 17

1.

(1 )(1 )

I

I BD I

K K S

K K

T p T p R



1 .2 .

I

u I

I BD

S u

T p R

K K T p R

I BD S u

R T R

3.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ

Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ:

Trang 18

Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn module tối ưu:

S

K F

T p



Khi đó sơ đồ điều khiển cho mạch vòng tốc độ có thể rút gọn lại:

Trang 19

Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn

Hàm truyền của khâu đo tốc độ có dạng: 1

K K

u

K C S

Trang 20

3.1.3 Tổng hợp bộ điều khiển vị trí

Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ như sau:

1 ( )

Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí:

1

K

Trang 21

1.2 .(1 )

1 .2 .(1 )

cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Trang 22

3.2 Tính toán thông số và kết quả mô phỏng

3.2.1 Tính toán thông số

Thông số động cơ 1 chiều:

MÃ

HIỆU

Pđm(kW)

Uđm(V)

Iđm(A)

ndm(v/p)

Rư(Ω)

Lư(H)

J(kg.m2)

Trang 23

- Hàm truyền động cơ:

10,35 0,0966

( )

u D

dm bd

dat

U k

U

22( )

(1 )(1 ) (1 0,003 )(1 0, 0015 )

bd BBD

dat I

R T R

Trang 24

rad R

10

0,1100

k i

1 1 0, 002

I I

Trang 25

4.444 s Transfer Fcn4

1 1.2s Transfer Fcn3

10.35 0.066s+1 Transfer Fcn2

1 0.0015s+1 Transfer Fcn1

22 0.003s+1 Transfer Fcn

Scope3 Scope2 Scope1

Scope

1 10s Khuech dai TD

0.1 0.3s+1

Do vi tri

0.064 0.001s+1

Do toc do

0.076 0.002s+1

PD(s)

BDK vi tri

P(s) BDK toc do

PI(s) BDK dong

Hình 3.6: Mô phỏng trên Simulink

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	1,32 MB