Thiết kế bộ Điều khiển tốc bộ khi bỏ qua mạch vòng dòng và xây dựng mô hình thực nghiệm Điều khiển Đồng tốc cho 2 Động cơ một chiều kích từ Độc lập theo phương pháp Điểm Đặt chung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆTNAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ Mã: 13311 Học kỳ: 1 – Năm học: 2023 – 2024 Đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT

NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ

Mã: 13311 Học kỳ: 1 – Năm học: 2023 – 2024

Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển tốc bộ khi bỏ qua mạch vòng dòng và xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển đồng tốc cho 2 động cơ một chiều kích từ độc lập theo phương

pháp điểm đặt chung

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệpGiảng viên hướng dẫn: Cao Đức Thanh

HẢI PHÒNG – 12/2023

ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN

Thiết kế bộ điều khiển tốc bộ khi bỏ qua mạch vòng dòng và xây dựng mô hìnhthực nghiệm điều khiển đồng tốc cho 2 động cơ một chiều kích từ độc lập theophương pháp điểm đặt chung

• Thông số kỹ thuật: Động cơ Л-62, Động cơ Л-61

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG 1

1.1 Cấu trúc động cơ một chiều DC 1

1.1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều 1

1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều 1

1.1.3 Nguyên lí làm việc của động cơ điện 1 chiều 2

1.1.4 Phân loại động cơ điện một chiều 3

1.2 Encoder 4

1.2.1 Khái quát về Encoder 4

1.2.2 Cấu tạo của Encoder 5

1.2.3 Nguyên lý hoạt động 6

1.2.4 Ứng dụng Encoder 7

1.3 Arduino UNO 8

1.4 Bộ điều khiển PID 12

1.4.1 Khái niệm 12

1.4.2 Các loại bộ điều khiển PID 14

1.4.3 Nguyên lý hoạt động 14

1.4.4 Ứng dụng của PID 14

1.5 L298 điều khiển động cơ 15

1.5.1 Khái niệm 16

1.5.2 Thông số kỹ thuật 16

1.5.3 Chức năng của các chân 16

1.5.4 Ứng dụng của L298 17

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG MÔ

HÌNH THỰC NGHIỆM 18

2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tốc độ khi bỏ qua mạch vòng dòng 18

2.2 Tính toán giá trị bộ điều khiển với động cơ Л-61 18

2.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm với động cơ Л-61 bằng matlab simulink19 2.4 Tính toán giá trị bộ điều khiển với động cơ Л-62 20

2.5 Xây dựng mô hình thực nghiệm với động cơ Л-62 bằng matlab simulink21 2.6 Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển hai động cơ điểm đặt chung21 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ CHẠY ĐỘNG CƠ THỰC NGHIỆM 22

3.1 Kết quả mô phỏng mô hình thực nghiệm điều khiển hai động cơ điểm đặt chung trên matlab Simulink 22

3.1.1 Kết quả mô phỏng động cơ Л-61 22

3.1.2 Kết quả mô phỏng động cơ Л-62 22

3.1.3 Kết quả mô phỏng chung 2 động cơ 23

3.2 Xây dựng mô hình mạch thực và kết quả chạy động cơ thực tế 23

3.2.1 Xây dựng mô hình điều khiển hai động cơ điểm đặt chung 24

3.2.2 Kết quả điều khiển động cơ sử dụng matlab 24

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mắt cắt ngang trục máy điện một chiều 1

Hình 1.2 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 2

Hình 1.3 Các loại động cơ điện một chiều 3

Hình 1.4 Động cơ encoder 5

Hình 1.5 Cấu tạo Encoder 5

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động 6

Hình 1.7 Các chân vào ra trên board Arduino 11

Hình 1.8 Arduino Uno chip gắn 12

Hình 1.9 Arduino Uno chip dán 12

Hình 1.10 Bộ điều khiển PID 13

Hình 1.11 Mô phỏng PID 14

Hình 1.12 Minh họa ứng dụng PID 15

Hình 1.13 L298 16

Hình 1.14 Sơ đồ chức năng các chân L298 17

Hình 2.1 Mạch vòng tốc độ khi bỏ qua mạch vòng dòng 18

Hình 2.2 Mô hình thực nghiệm với động cơ Л-61 bằng matlab simulink 19

Hình 2.3 Mô hình thực nghiệm với động cơ Л-62 bằng matlab simulink 21

Hình 2.4 Mô hình điều khiển hai động cơ điểm đặt chung trên matlab 21

Hình 3.1 Kết quả mô phỏng động cơ Л-61 22

Hình 3.2 Kết quả mô phỏng động cơ Л-62 22

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng chung 2 động cơ 23

Hình 3.4 Mô hình mô phỏng hai động cơ điểm đặt chung điều khiển matlab 24

Hình 3.5 Kết quả chạy động cơ thực bằng matlab tốc độ 100 vòng/phút 24

Hình 3.6 Kết quả chạy thực tế 25

Hình 3.7 Mạch hiển thị matlab điều khiển tốc độ 100 vòng/phút 25

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của Arduino 9

MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, việcứng dụng công nghệ điện cơ và tự động hóa ngày càng trở nên quan trọng hơn baogiờ hết Đặc biệt, việc xây dựng các hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ mộtchiều đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hoạt động sản xuất và tiết kiệmnăng lượng

Bài tập lớn "Điều khiển hệ điện cơ" trong môn học này là một bước đángchú ý để thực hành và ứng dụng các kiến thức đã học trong việc tối ưu hóa điềukhiển tốc độ cho động cơ một chiều thông qua hai phương pháp quan trọng:phương pháp tối ưu module và phương pháp tối ưu đối xứng Bài tập lớn không chỉ

là cơ hội để rèn luyện kỹ năng thực hành và vận dụng kiến thức, mà còn mở ra cánhcửa cho việc hiểu sâu hơn về tầm quan trọng của việc tối ưu hóa trong ngành côngnghiệp và ứng dụng thực tế Chúng ta sẽ được trải nghiệm quá trình tìm hiểu, phântích, và áp dụng những kiến thức đã học vào việc giải quyết vấn đề thực tế, gópphần nâng cao khả năng giải quyết vấn đề và sáng tạo của bản thân

Trong bài tập lớn này, chúng ta sẽ cùng nhau khám phá những phương pháptối ưu hóa module và tối ưu đối xứng để xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho động cơmột chiều, đồng thời tìm hiểu về tầm quan trọng của việc áp dụng kiến thức vàothực tế công việc Cuối cùng nhóm em xin được gửi tới thầy Cao Đức Thanh, người

đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để nhóm em hoàn thành bài tập lớn này

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện (Tất cả các SV)

Ký và ghi rõ họ tên

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG

1.1 Cấu trúc động cơ một chiều DC

1.1.1 Khái quát 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 một chiều từ vài Wđến hàng MW Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầumômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ dàngđáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiềunhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – 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 diều chỉnh điện áp phần ứng động cơ.Chỉnh lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha

1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện một chiều cũng gồm cóstator và rotor….Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện

Stator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung

trên các cực từ stator Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuậtđiện 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 ñược gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần

ứng lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật diện ghép cáchđiện với nhau Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh trên

Hình KHÁI QUÁT CHUNG.1 Mắt cắt ngang trục

máy điện một chiều

lõi thép rotor Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp

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 quấn phần ứng.

1.1.3 Nguyên lí làm việc của động cơ điện 1 chiều

Trên hình 1.2 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trongdây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằmtrong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lênrôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái(hình 1.2a)

Hình KHÁI QUÁT CHUNG.2 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một

chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình1.2b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổithành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụngkhông đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảođộng cơ có chiều quay không đổi

- Các trị số định mức của động cơ điện 1 chiều

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện mộtchiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định.Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những đạilượng định mức

+ Công suất định mức P dm (kW hay W)

+ Điện áp định mức U dm (V )

a

b

+ Dòng điện định mức I dm ( A ).

+ Tốc độ định mức n dm (vòng/ph)

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với máy phátđiện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó là công suấtđưa ra trên đầu trục động cơ

1.1.4 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành cácloại 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 cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích thíchvĩnh 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 từsong song thường là cuộn chủ đạo trình bày các loại động cơ điện một chiều

Hình KHÁI QUÁT CHUNG.3 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

c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

- Điều chỉnh tốc độ 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

1.2 Encoder

1.2.1 Khái quát về Encoder

Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa, là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo ra tín hiệu kỹ thuật số đáp ứng với chuyển động Là một thiết bị cơ điện

có khả năng làm biến đổi chuyển động thành tín hiệu số hoặc xung

Bộ mã hóa Encoder là một bộ phận rất quan trọng trong cấu tạo của máy CNC Nó giúp đo và hiển thị các thồn số về tốc độ của máy

Có hai loại bộ mã hóa: tuyến tính và quay Encoder tuyến tính đáp ứng chuyển động dọc theo một đường dẫn, còn Encoder quay thì đáp ứng với chuyển động quay

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, có thể là đĩaquay của bánh xe, trục động cơ hay bất kì thiết bị nào cần xác định vị trí góc

Một bộ mã hóa thường được phân loại theo các phương tiện đầu ra của nó,gồm 2 loại chính: Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối

Ưu điểm :

+ Điều khiển vị trí và chuyển động: Encoder cung cấp các tín hiệu phản hồi

về vị trí và chuyển động của rotor, cho phép điều khiển chính xác vị trí và chuyểnđộng của động cơ Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu kiểm soát chínhxác, như robot công nghiệp, máy CNC và hệ thống tự động hóa

+ Điều khiển tốc độ và độ chính xác: Bằng cách sử dụng tín hiệu encoder,động cơ có thể được điều khiển tốc độ và vị trí một cách chính xác Điều này chophép đạt được tốc độ và độ chính xác đáng tin cậy trong các ứng dụng đòi hỏi điềukhiển chính xác như máy công cụ và hệ thống truyền động.

1.2.2 Cấu tạo của Encoder

Encoder bao gồm:

+ 1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ

Hình KHÁI QUÁT CHUNG.4 Động cơ encoder

Hình KHÁI QUÁT CHUNG.5 Cấu tạo Encoder

+ 1 đèn Led dùng làm nguồn phát sáng.

+1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng

+ Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu

1.2.3 Nguyên lý hoạt động

Hình KHÁI QUÁT CHUNG.6 Nguyên lý hoạt động

+ Khi Encoder chuyển động bộ chuyển đổi sẽ xử lý các chuyển động vàchuyển thành các tín hiệu điện Các tín hiệu này sẽ được truyền đến các thiết bị điềukhiển PLC và được xử lý để biểu thị các giá trị cần đo đạt bằng chương trình riêngbiệt.

+ Đối với các tín hiệu có ánh sáng chiếu qua hay không có ánh sáng chiếuqua Người ta vẫn có thể ghi nhận được đèn Led có chiếu qua lỗ này hay không.Hơn thế nữa, số xung đếm được và tăng lên được tính bằng số lần mà ánh sáng bịcắt

+ Ví dụ: trên đĩa có 1 lỗ duy nhất, khi mỗi lần con mắt thu nhận được 1 tínhiệu đèn Led  thì có nghĩa là đĩa đã quay được 1 vòng

+ Bởi vậy, đây chính là nguyên lý hoạt động của Encoder cơ bản, còn đối với nhiều loại Encoder khác thì khi đĩa quay có nhiều lỗ hơn khi đó tín hiệu thu

nhận sẽ khác hơn

1.2.4 Ứng dụng Encoder

Bộ mã hóa Encoder trở thành một nguồn quan trọng cho nhiều ứng dụng

Dù là liên quan đến tốc độ, hướng hay khoản cách, khả năng của Encoder cho phépngười sử dụng thông tin này để kiểm soát chính xác

+ Ứng dụng về biểu thị tốc độ

Khi một máy bơm được kết nối với biến tần để bơm chất lỏng vào bồn chứa.Khi đó chất lỏng chảy vào bồn phải có tốc độ nhất định Encoder được kết nối vớibiến tần sẽ phản hồi tốc độ thực tế dòng chảy của chất lỏng

+ Ứng dụng về đo lường

Khi chúng ta cần cắt các cuộn nhôm dài hàng trăm, hàng nghìn mét thànhtừng tấm có kích thước nhất định thông qua máy cắt Encoder khi đó sẽ được lắpvào băng tải, đọc nguyên liệu mỗi khi đi qua Encoder và tính độ dài của tấm nhôm

từ khi cho vào đến vị trí cắt Có thể điều chỉnh dao cắt theo độ dài được yêu cầuthông qua các thông số về kích thước tấm nhôm

+ Ứng dụng về đếm số lượng

Việc lắp đặt bộ mã hóa Encoder vào chương trình của các băng chuyền sảnphẩm Nó sẽ giúp chúng ta xác nhận mỗi chai sản phẩm vào và trạm trên băngchuyền Nếu các chai không ra khỏi trạm trong khoảng thời gian đã được lập trình

và không đúng như giá trị mà Encoder đã đếm Cũng có nghĩa là máy móc đã bị hưhỏng

+ Ứng dụng của Encoder trong ngành cơ khí

Nói về cấu tạo của máy CNC thì Encoder được trang bị như một thiết bị giúp

đo lường và xác định được vị trí chính xác nhất của các trục máy cũng như vị trí màdao cắt Do đó khi sử dụng máy CNC để gia công sẽ đạt được sự chính xác nhất.Hơn thế nữa, thông qua mà Encoder ghi nhận sẽ báo về hệ thống điều khiển củaPLC Từ đó, người sử dụng có thể điều chỉnh được vị trí cắt dao nhằm hạn chế saisót

+ Ứng dụng trong các ngành công nghiệp

- Ô tô

Trong ngành công nghiệp ô tô thì Encoder được sử dụng làm cảm biếnchuyển động cơ học, có thể được áp dụng để kiểm soát tốc độ

- Điện tử tiêu dùng và thiết bị văn phòng:

Bộ mã hóa Encoder được sử dụng như thiết bị dựa trên PC, máy in và máyquét

Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điềukhiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc Bảng mạch đượctrang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảngmạch mở rộng khác nhau Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếpcận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấpcác bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất (lập trình Robot, xe tựhành, điều khiển bật tắt led…).

Vi điều khiển:

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điềukhiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đonhiệt độ – độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay nhiều những ứng dụng khác

Một số thông số kĩ thuật:

Thông số kỹ thuật của Arduino theo bản dưới dây:

Bảng KHÁI QUÁT CHUNG.1 Thông số kỹ thuật của Arduino

EEPROM 1KB (Atmega328)

Nguồn sử dụng:

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp

nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7 - 12V DC và giới hạn là 6 - 20V Thườngthì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từcổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏngArduino UNO

Các chân:

+ GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạndùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phảiđược nối với nhau

+ 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.+ 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.+ Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cựcdương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

+ IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thểđược đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấynguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

+ RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tươngđương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Lưu ý:

+ Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hếtsức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho ArduinoUNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành mộtmiếng nhựa chặn giấy mình khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

+ Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra chocác thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí cóthể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

+ Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện ápdưới 6V có thể làm hỏng board