Đề tài Thiết kế môn học tổng hợp hệ điện cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ Đề bài: Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập. Với các thông số sau: Thông số kỹ thuật Yêu cầu Công suất động cơ 10KW Điện áp nguồn 110 VDC Trọng lượng tải 4000kg Tốc độ lớn nhất 0.05m/s Hệ số ma sát 0.5 Tỉ số hộp truyền 10/1 Xây dựng mô hình động cơ một chiều Xây dựng mô hình điều khiển cho hệ Tính chọn các bộ điều khiển Mô phỏng đáp ứng trên simualink với các nhiễu, tải khác nhau và đánh giá kết quả Giáo viên hướng dẫn : TRẦN TIẾN LƯƠNG Sinh viên : ĐINH VĂN MẠNH Msv : 39190 Lớp : ĐTĐ51-ĐH2 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Chương 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều 1.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập 1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều 1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi 1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI 1.4 VISME 1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý 1.4.2 Ưu - nhược điểm của visme Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2.2 TỔ HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng 2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI 2.3 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 2.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ khi có mạch điều khiển dòng 2.4 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Chương 3 MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MÔ PHỎNG 3.1.1 Các thông số đã biết 3.1.2 Các thông số chọn 3.1.3 Tính toán các thông số 3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.3.1 Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v 3.3.2 Với Momen cản Mc = 100; điện áp đặt 10v Giáo viện hướng dẫn Sinh viên Trần Tiến Lương Đinh Văn Mạnh MỤC LỤC Lời nói đầu………………………………………………………………………….6 Chương 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...……………………………………………..7 1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều..…………………………………………..7 a) Khái niệm.……………………………………………………………………….7 b) Cấu tạo.………………………………………………………………………….7 c) Phân loại ……………..……………..……………..……………..……………...9 d) Ưu – nhược điểm của máy điện một chiều……………..……………………….9 1.1.2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập......……………………10 1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU …………………………11 1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập ……………….12 1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều ……………..………………….12 1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi ……………….14 1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI ………………..……………..……………...15 1.4 VISME ……………..……………..……………..……………..……………..16 1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý ……………..……………..………………………….16 a) Cấu tạo ……………..……………..……………..……………..………………16 b) Nguyên lý……………..……………..……………..……………..……………17 1.4.2 Ưu - nhược điểm của visme ……………..……………..……………..…….17 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ……………..………….18 2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG………....……………………….19 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng ……………..………………………..19 2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI ……………..……………..…………………….20 2.3 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ……………..………………...22 2.4 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ……………...…………………..24 Chương 3. MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MÔ PHỎNG.……………..…………………...25 3.1.1 Các thông số đã biết …...…………………………………………………...25 3.1.2 Các thông số tính chọn ..……………………………………………………25 3.1.3 Tính toán thông số ………….……………..……………..…………………25 3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK ……………..……………..……………….28 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ……………..……………..………………………..29 3.3.1 Với momen cản Mc = 0; điện áp đặt 10v …………………………………..29 3.3.2 Với momen cản Mc = 0; điện áp đặt 10v……………………………………32 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện 1 chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot ; để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ. Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất. Trong học kì này em đã nhận được đề tài : “Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập”. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã dành nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô. Chương 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều a) Khái niệm Động cơ điện một chiều là loại máy điện làm việc với nguồn điện một chiều. Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc theo chế độ động cơ. Nghĩa là máy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại. b) Cấu tạo Cấu tạo máy điện một chiều gồm 3 phần chính: - Stato: Còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy, thường được chế tạo bằng gang hay thép đúc. Stato là mạch từ cũng là vỏ máy bao bọc các bộ phận bên trong. Phía mặt trong của stato được gắn các cực từ, phần cuối của cực từ được làm loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ có gắn cuộn dây kích từ. Hình 1.1. Cấu tạo máy điện một chiều - Roto: còn gọi là là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. - Lõi thép: có hình trụ được ghép từ các lá ghép kĩ thuật điện, ghép cách điện với nhau nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Hình 1.2. Lá thép stato Chung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây phần ứng. Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc. Ngoài ra trên lõi thép còn dập một số lỗ thông gió để làm mát. Thân máy, cực từ và lõi thép phần ứng tạo thành mạch từ của máy điện một chiều. Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiều vòng dây được xếp trong các rãnh của lõi thép. Hai đầu phần tử nối với với 2 phiến góp, 2 cạnh tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2 cực khác tên. Phần ứng được bắt chặt trên trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn. Nắp máy giữ cố định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bu-lông xuyên. - Cổ góp – chổi than Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện giữa phần ứng của máy điện với thiết bị bên ngoài. Khi hoạt động ở chế độ máy phát điện cổ góp còn có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều trước khi đưa ra mạch điện ngoài. Hình 1.3. Cổ góp và chổi than Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụ tròn, sau đó gắn vào trục roto, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được cách điện với trục bằng lớp mica mỏng. Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn với đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng. Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hình hộp. Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắt chặt vào nắp máy. Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò xo ép chặt. Các đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng được nối với nhau tại cổ góp tạo thành mạch điện khép kín. Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dây quấn phần ứng thành các mạch nhánh song song. c) Phân loại Máy điện một chiều được phân loại theo dạng mạch kích từ: - Mấy điện một chiều kích từ song song - Máy điện một chiều kích từ độc lập - Máy điện một chiều được kích từ hỗn hợp d) Ưu – nhược điểm của máy điện một chiều - Ưu điểm của máy điện một chiều: Ưu điểm nổi bật của máy điện một chiều là có momen mở máy lớn, do vậy kéo được tải nặng khi khởi động. Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảng nhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa khi cần thay đổi mịn tốc độ. - Khuyết điểm: Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp và đắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên. Ngoài ra, tia lửa điện phát sinh trên cổ góp – chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ. Nhược điểm nữa là do mạng điện cung cấp chủ yếu ở dạng xoay chiều nên khi cần cho máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một chiều đi kèm. 1.1.2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi mạch điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Hình 1.4. Sơ đồ nối dậy của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ: Với Uư: điện áp phần ứng Rư: điện trở mạch phần ứng Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng Hình 1.5. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 1.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ điện một chiều có nhiều loại nhưng động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều như sau: Hình 1.6. Hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập - ĐC: Động cơ điện một chiều - Uư: Điện áp phần ứng - Ukt: Điện áp kích từ - Iư: Dòng điện phần ứng - Ikt: Dòng điện kích từ - CF: Cuộn dây cực từ phụ - CB: Cuộn bù - Mđt: Momen điện từ - Mc: Momen cản - w: Tốc độ góc của động cơ - fkt: Từ thông kích từ 1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập - Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: - Biểu thức momen và suất điện động: Trong đó: là hệ số cấu trúc động cơ p: số cặp cực từ chính của động cơ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số nhánh song song Từ các biểu thức trên ta suy ra được biểu thức tính tốc độ góc: Biểu thức trên cho phép xây dưng đặc tính điện cơ và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều trong chế độ xác lập, cũng như các phương pháp điều chỉnh tóc độ và đảo chiều quay của nó. 1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace: - Với mạch kích từ: -Với mạch phần ứng: - Phương trình cân bằng momen: Từ phương trình phần ứng ta có:  với Trên cơ sở đó ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều tổng quát: Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều tổng quát. Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ đồ là rất cao. Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương trình tuyến tính hóa được viết như sau: - Mạch phần ứng: - Mạch kích từ: Một cách gần đúng ta có phương trình gia số : Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ kích từ độc lập 1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi Khi từ thông kích từ của động cơ kích từ độc lập không đổi () thì với ký hiệu ta có: và Trong trường hợp này mô hình toán của động cơ chỉ có hai phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học. Từ hai phương trình trên ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông khòn đổi.Trong trường hợp này động cơ là đối tượng tuyến tính. Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc động cơ kích từ độc lập với từ thông không đổi. 1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI (CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA) Sơ đồ nguyên lý mạch động lực Hình 1.10. Mạch động lực Hình 1.11. Sơ đồ tổng quát bộ biến đổi Trong đó Tv0 kể tới sự không đồng thời của tín hiệu Tđk là hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu Kcl là hằng số khuếch đại của bộ chỉnh lưu Kết luận: Động cơ một chiều với những ưu điểm như điều chỉnh tốc độ dễ dàng và khả năng quá tải lớn nên được ứng dụng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Cùng với những ưu điểm khác về cấu tạo, dải điều chỉnh, cấu trúc mạch lực và ứng dụng của các phương pháp điều khiển thông minh, hệ truyền động điện một chiều ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế đem lại những hiệu quả cao trong sản xuất và góp phần giảm nhẹ sức lao động. 1.4 VISME Cơ cấu vít-me và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Khi động cơ quay thì đai ốc sẽ chuyển động tịnhtiến dọc theo trục của vít-me. 1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý a) Cấu tạo Vít me có kết cấu đa dạng nhưng chúng đề có dạng chung gồm: Trục vít me, đai ốc, vòng bi, ống hồi tiếp… Vít me đai ốc thường:Vit-me đai ốc thường bao gồm một trục được tiện ren và lắp với một ống được tiện ren trong sao cho 2 ren nay phải cùng dạng và cùng bước ren với nhau. Hình bên dưới là một minh họa về ăn khớp giữa trục vít và đai ốc. Cơ cấu này chính làcơ cấu của bu-lông và đai ốc. Khi bu-lông di chuyển thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến. Tiếp xúc giữa bu-lông và đai ốc là tiếp xúc mặt nên đai ốc sẽ di chuyển tương đối khó do ma-sát lớn. Hình 1.12. Vít me đai ốc thường Vít me đai ốc bi: Để khắc phục hiện tượng trên ta tiện các rãnh của trục vít-me có hình tròn thay vì hình thang hoặc tam giác và những rãnh này sẽ được đặt vào những viên bi sắt. Mối ghép vít me bi và đai ốc là những đường được lắp đầy bởi những viên bi thép. Khi trục vít xoay, những viên bi cuộn tròn trong mối ren của trục vít và đai ốc. Hình 1.13. Vít me đai ốc bi b) Nguyên lý: Động cơ quay trục Vít me làm cho đai ốc gắn với tải chuyển động dọc theo trục hoặc ngược lại. 1.4.2 Ưu - nhược điểm Vít me đai ốc bi Vít me đai ốc thường Ưu điểm - Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất truyền lớn gần bằng 0.9. - Đảm bảo truyền động ổn đinh vì gần nhưu ma sát không phụ thuộc vào tốc độ. - Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao. - Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài. - Giá thành hạ hơn so với Vít me đai ốc bi - Khả năng chịu tải cao hơn so với Visme đai ốc bi Nhược điểm - Khả năng chịu tải kém hơn Vít me thường - Khó chế tạo, giá thành cao - Ma sát cao do tiếp xúc mặt trực tiếp Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Hình 2.1. Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện Trong đó: Msx: máy sản xuất M: động cơ truyền động BĐ: bộ biến đổi R: Các bộ điều chỉnh ĐL: Thiết bị đo lường Động cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ xoay chiều, động cơ bước. Các động cơ điện được cấp nguồn điện từ bộ biến đổi. Các bộ biến đổi thường được dùng là các bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor, các bộ biến tần tranzitor….Các bộ điều khiển ở đây có hai chức năng: Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông tin để điều khiển các thông số đầu ra bộ biến đổi. * Hệ truyền động điện một chiều thường được phân loại: - Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước không đổi. Ví dụ: Duy trì tốc độ không đổi, duy trì mômen không đổi. - Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí, trong đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng ta thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại… - Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình định trước, thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chương trình điều khiển được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ… thường gặp các hệ điều khiển theo chương trình trong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động của robot trong sản xuất. 2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG 2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng Hình 2.2. Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dong điện của động cơ không vượt quá ngưỡng cho phép. Mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập giá trị dòng bằng giá trị điều khiển trước sự tác động của nhiễu. Đối với động cơ một chiều bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo hai cách: - Tổng hợp bộ điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ứng - Tổng hợp bộ điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứng Trong trường hợp quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện nghĩa là tại thời điểm đó có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn hơn nhiều lần so với sự thay đổi của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi. Khi cần điều khiển chính xác thì ta cần phải tính đến xác xuất điện động của động cơ. 2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản có chức năng cơ bản của các mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc... Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Trong đó: là hằng số điện từ của động cơ : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện Bỏ qua sự ảnh hưởng của suất điện động ta có: Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua E Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động thì ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau: Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện Trong đó SI là mô hình đói tượng của bộ điều khiển dòng , bỏ qua các hệ số bậc cao ta có: Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có hàm truyền của hệ thống kín: Mặt khác theo hình 2.5 ta có: Chọn Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: Kết quả khi tổng hợp mạch vòng bằng phương pháp tối ưu: 2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Rv Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với vòng trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ. Tuy nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chất lượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện. Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Theo hình 2.6 ta có đối tượng cho bộ điều khiển: ; với là hàm truyền khâu đo - Khi tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu, với giá trị TSI rất nhỏ ta sẽ được: Hình 2.7. Sơ đồ rút gọn mạch vòng vị trí ; với Áp dụng phương pháp tối ưu ta có: Đặt Từ công thức trên ta thấy Kết quả khi tổng hợp bằng modul tối ưu có TSv rất nhỏ nên ta có: 2.4 MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Hình 2.8. Mạch vòng điều khiển vị trí - Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ như sau: - Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí: - Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có: - Đặt . Ta có: Bộ điều khiển vị trí tổng hợp theo phương pháp tối ưu là một bộ P–D. Chương 3. MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 3.1. TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 3.1.1 Các thông số đã biết - Pđm = 11 KW - Uđm = 220 V - Iđm = 59.5 A - nđm = 1500 v/p - Rư = 0.197 W - Lư = 0,014 H - J = 0.56 kg.m2 - Tỉ số truyền: i = 10 - Đường kính trục visme : D = 0.1m 3.1.2 Các thông số chọn: - TI = 0.002s - Tv= 0,001 s - Tbd = 0,002 s - Tv = 0,003 s - Tj = 0,2 s 3.1.3 Tính toán thông số - Tốc độ góc: (rad/s) - Từ thông: - Hằng số thời gian phần ứng: (s) - Hàm truyền động cơ: - Hàm truyền bộ biến đổi: Chọn - Bộ điều khiển dòng: Vậy: Þ - Bộ điều khiển tốc độ - Bộ điều khiển vị trí Chọn L = 5m; Dvisme = 0.1 Þ R = 0.05m Hệ số khuếch đại Vậy: - Khâu đo dòng: - Khâu đo v: - Khâu đo j: 3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.3.1 Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v - Vị trí: Nhận xét: Cần hơn 6s để đạt được vị trí mong muốn. - Tốc độ: - Dòng điện: 3.3.2 Với momen cản Mc = 100; điện áp đặt 10v - Vị trí: Nhận xét: Cần hơn 7s để đến vị trí mong muốn và ổn định. - Tốc độ - Dòng điện - Khi tăng điện áp đặt lên 15V, MC = 100 thì mất nhiều thời gian hơn để đạt vị trí cần đến (hơn 9s). Nhận xét: Sau khi mô phỏng trên simulink ta thấy hệ điều khiển vị trí làm việc tốt ngay cả khi có tải và không có tải. Tuy nhiên do có sử dụng khâu hạn chế dòng nên khi tăng độ dài quãng đường sẽ mất nhiều thời gian hơn để hệ đạt được vị trí mong muốn. KẾT LUẬN Sau quá trình học tập và nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy Trần Tiến Lương. Em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao trong bản đồ án : “Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập”. Các nhiệm vụ đó là: - Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập. - Xây dựng mô hình điều khiển truyền động cho hệ - Tính chọn các bộ điều khiển. - Mô phỏng đáp ứng trên Simulink với các nhiễu tải khác nhau và đánh giá kết quả. Trong quá trình thực hiện, bài làm của em sẽ có nhiều sai sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy. Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo: “Điều chỉnh tự động truyền động điện”- Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2006. Giáo viên hướng dẫn Sinh viên Trần Tiến Lương Đinh Văn Mạnh