BÀI TẬP LỚN MÔN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp như hình 1. Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ;

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: Cơ điện tử 4 Khóa: K13

2 Tên nhóm: 15

Họ và tên thành viên: Nguyễn Tấn Ngọc - 2018605905

Nguyễn Văn Phương - 2018605556 Dương Viết Nguyên - 2018606266

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một

chiều kích từ nối tiếp như hình 1 Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2

Trong đó:

R là tín hiệu đặt tốc độ;

𝜃̇ là vận tốc góc của động cơ;

u là tín hiệu điều khiển động cơ

Các thông số của động cơ như sau:

3 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)

- Nội dung 2: Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống (L1.1; L1.2)

- Nội dung 3: Viết báo cáo

4 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch

KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Anh Tú ThS Lê Ngọc Duy

1 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 3

1.1 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều 3

1.1.1 Cấu tạo 3

1.1.2 Phân loại 5

1.1.3 Phương trình đặc tính cơ 5

1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều 6

1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 6

1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông Ф 6

1.2.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 7

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VẬT LÝ VÀ PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 9

2.1 Phân tích vật lý động cơ điện một chiều 9

2.2 Phân tích vật lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 10

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 12

3.1 Xây dựng biểu đô bond graph 12

3.1.1 Hàm truyền, phương trình trạng thái và sơ đồ khối hệ thống 12 3.1.2 Sơ đồ bond graph 14

3.2 Xây dựng bộ điều khiển hệ thống (bộ điều khiển PID) 16

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH VẬN TỐC

VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM 17

4.1 Quá trình mô phỏng trên phần mềm 20-Sim 17

4.2 Kết quả mô phỏng trên bond graph 20

4.2.1 Đặc tính tốc độ, đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp 20 4.2.2 Chưa có bộ điều khiển trong hệ thống 22

4.2.3 Khi có bộ điều khiển ổn định trong hệ thống 23

4.3 Đánh giá các đặc tính vận tốc góc quay của động cơ và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 25

4.3.1 Đặc tính vận tốc góc quay của động cơ kích từ nối tiếp 25

4.3.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ nối 26

2 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Động cơ DC một chiều dùng lõi nam châm vĩnh cửu 9

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 14

Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện động cơ DC kích từ nối tiếp 14

Hình 3.3 Sơ đồ bond graph sau khi hoàn chỉnh 15

Hình 4.1 Giao diện người dùng phần mềm 20 – Sim 17

Hình 4.2 Vẽ sơ đồ khối của bond graph vào phần mềm 18

Hình 4.3 Chọn đơn vị cho đại lượng cần tính 18

Hình 4.4 Sơ đồ sau khi vẽ không có bộ điều khiển 19

Hình 4.5 Sơ đồ sau khi vẽ có bộ điều khiển PID 20

Hình 4.6 Đặc tính tốc độ của động cơ DC kích từ nối tiếp 20

Hình 4.7 Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp 21

Hình 4.8 Đặc tính cơ và tốc độ của động cơ DC kích từ nối tiếp 21

Hình 4.9 Biểu đồ liên hệ giữa các đặc tính của động cơ không tải 22

Hình 4.11 Biểu đồ liên hệ giữa các đặc tính của động cơ có tải 22

Hình 4.13 Thông số khi khởi động động cơ với bộ điều khiển PID 23

Hình 4.14 Thông số khi khởi động động cơ với bộ điều khiển PID đã điều chỉnh thông số 23

Hình 4.15 Khi chưa hiệu chỉnh bộ PID 24

Hình 4.16 Thông số khi khởi động động cơ với bộ điều khiển PID đã điều chỉnh thông số 24

Hình 4.17 thông số mở máy của động cơ DC kích từ nối tiếp 25

Hình 4.18 Đặc tính cơ và tốc độ của động cơ DC kích từ nối tiếp 25

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Chú giải các thông số trên sơ đồ bond graph 15

Bảng 3.2 Phương pháp lựa chọn thông số PID 16

Bảng 4.1 Thông số cần nhập vào sơ đồ 19

Bảng 4.2 Thông số PID của bộ điều khiển 27

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH

TỪ NỐI TIẾP 1.1 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều

1.1.1 Cấu tạo

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần

động

Phần tĩnh (Stator)

 Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch: mạch từ được làm băng sắt

từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích

từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

 Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt

 Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính, có nhiệm vụ cải thiện đổi chiều, thường được làm bằng thép khối

 Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

Hình 1.1 Cấu tạo phần stator

 Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động

và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng

có bọc cách điện

 Cổ góp: Dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều Thường được làm bởi nhiều phiến đồng mỏng được cách điện với nhau bằng những tấm mica dày 0,4 đến 1,2 mm

5

Hình 1.3 Sơ đồ nối mạch

1.1.2 Phân loại

Khi xem xét động cơ điện một chiều, người ta phân loại theo cách kích thích

từ các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ

 Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng

 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng

 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng

mô men điện từ, ta ký hiệu là M

6

1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều

1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U =𝑈đ𝑚,   dm

và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

2( kt)

K M

1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông Ф

Nguyên lý điều khiển:

Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (   max) mà

phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Nên khi giảm từ thông thì tốc độ không tải lý tưởng 0

dm U K

7

Hình 1.5 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ

1.2.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Phương trình đặc tính cơ tổng quát:

Khi thay đổi Uư thì 0 thay đổi còn  = const, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau Nhưng muốn thay đổi 𝑈ư thì phải

có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ nguồn biến đổi như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển …

8

Hình 1.6 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp

Nhận xét: 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 điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp Uư 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 tổn hao

9

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VẬT LÝ VÀ PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Phân tích vật lý động cơ điện một chiều

Hình 2.1 Động cơ DC một chiều dùng lõi nam châm vĩnh cửu

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp nào đó thì trong dây quấn kích

từ sẽ có dòng điện và mạch từ của máy sẽ có từ thông Ф Tiếp đó đặt một giá trị điện áp Uư lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện Iư

chạy qua, tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ Vậy ta có các phương trình cơ bản của động cơ một chiều

- Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

K: Là hệ số cấu tạo của máy điện M: Là

mô men động cơ

Uư: Là điện áp đặt vào phần ứng động cơ

ω: Là tốc độ góc động cơ

Φ: Là từ thông động cơ

J : moment quán tính của động cơ

Mc: moment cản của động cơ

2.2 Phân tích vật lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Hình 2.1 Sơ đồ đấu dây

Mạch gồm:

 Điện trở, cuôn cảm phần kích từ ( Field )

 Điện trở, cuộn dây phần ứng ( Armature )

 Lõi thép, nguồn

𝜔(𝑡): tốc độ góc của động cơ

𝐸𝑢: sức điện động phần ứng

𝑇𝑙: moment tải của động cơ

12

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 3.1 Xây dựng biểu đô bond graph

3.1.1 Hàm truyền, phương trình trạng thái và sơ đồ khối hệ thống

 Xây dựng hàm truyền và phương trình trạng thái

𝑥̇2] = [

𝑎1𝑥22− 𝑎2𝑥1− 𝑎3𝑇𝐿

−𝑏1𝑥2− 𝑏2𝑥1𝑥2+ 𝑏3𝑉] = 𝑓(𝑥, 𝑢)

𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢

𝑦 = 𝐶𝑥Với:

𝐺(𝑠) = 1650

𝑠2+ 8137,5𝑠 + 256,2

14

 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

3.1.2 Sơ đồ bond graph

Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện động cơ DC kích từ nối tiếp

Nguyên tắc khi sơ đồ hóa mạch điện:

 Mỗi vị trí trong mạch điện mà điện thế khác nhau thì đặt 0-Junction

 Chèn mỗi phần tử mạch “ single port” bằng kết nối với 1-Junction bằng power bond

 Gán chiều công suất cho các liên kết

 Gán vị trí xác định cho các phần tử

 Đơn giản hóa sơ đồ thiết lập

15

Hình 3.3 Sơ đồ bond graph sau khi hoàn chỉnh

Chú giải:

Bảng 3.1 Chú giải các thông số trên sơ đồ bond graph

16

3.2 Xây dựng bộ điều khiển hệ thống (bộ điều khiển PID)

Giải thuật tính toán PID hay còn gọi là bộ điều khiển ba khâu, bao gồm:

Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm) Tổng chập của

ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển

Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc

vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và D dự đoán các

sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡

𝑡 0

+ 𝐾𝑑.𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡Phương pháp điều chỉnh Ziegler - Nichols:

Trong phương pháp này, đầu tiên Ki và Kd được đặt bằng 0 K p sẽ được

tăng đến một giá trị tới hạn Kc , ở đó đầu ra của hệ thống bắt đầu dao động Kc

và chu kỳ dao động pc sẽ được sử dụng để đặt các tham số còn lại như sau:

hệ thống điều tốc động cơ DC kích từ nối tiếp là hệ thống bậc cao (bậc 2) Nên

thông số PID được lựa chọn theo nguyên tắc sau:

Bảng 3.2 Phương pháp lựa chọn thông số PID

Thông số Thời gian quá độ Độ vọt lố

Thời gian đáp ứng

Steadystate error

Kd Ít thay đổi Giảm Giảm Ít thay đổi

- Chọn Kp trước: Thử bộ điều khiển P với hệ thống điều khiển tốc độ bằng

mô phỏng trên bond graph, điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh,

chấp nhận độ vọt lố rất lớn

- Thêm thành phần D để loại bỏ độ vọt lố, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn

giá trị thích hợp Sai số ổn định (State-steady error) có thể sẽ xuất hiện

- Thêm thành phần I để giảm sai số ổn định Nên tăng Ki từ bé đến lớn để

giảm sai số ổn định, đồng thời không để cho độ vọt lố xuất hiện trở lại

17

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH VẬN TỐC

VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG

PHẦN MỀM 20-SIM 4.1 Quá trình mô phỏng trên phần mềm 20-Sim

Giới thiệu phần mềm 20 – Sim

Phần mềm mô phỏng 20-Sim được phát triển bởi nhóm Điều khiển tự động tại Trường ĐH Twente, Hà lan 20-Sim được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống Cơ điện tử 20-Sim cho phép mô hình hóa hệ thống theo các cách sau:

- Equation models

- Block Diagram models

- Bond Graph models (Matlab chưa có chức năng này)

- Iconic Diagram models (Matlab chưa có chức năng này)

18

Quá trình mô phỏng hệ thống động cơ DC kích từ nối tiếp

 Lấy các phần tử của biểu dồ bond graph từ phần thư viện (library)

Hình 4.2 Vẽ sơ đồ khối của bond graph vào phần mềm

 Nhập thông số và đơn vị cho từng phần tử trong biểu đồ bond graph

Hình 4.3 Chọn đơn vị cho đại lượng cần tính

 Sau khi vẽ xong được kết quả như hình

Hình 4.4 Sơ đồ sau khi vẽ không có bộ điều khiển

20

Hình 4.5 Sơ đồ sau khi vẽ có bộ điều khiển PID

4.2 Kết quả mô phỏng trên bond graph

4.2.1 Đặc tính tốc độ, đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp

Hình 4.6 Đặc tính tốc độ của động cơ DC kích từ nối tiếp

21

Hình 4.7 Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp

Hình 4.8 Đặc tính cơ và tốc độ của động cơ DC kích từ nối tiếp

22

4.2.2 Chưa có bộ điều khiển trong hệ thống

 Thông số của động cơ DC kích từ nối tiếp khi không tải

Hình 4.9 Biểu đồ liên hệ giữa các đặc tính của động cơ không tải

 Thông số của động cơ DC khi có tải (chọn tải 100N)

Hình 4.10 Biểu đồ liên hệ giữa các đặc tính của động cơ có tải

23

4.2.3 Khi có bộ điều khiển ổn định trong hệ thống

 Thông số của động cơ DC kích từ nối tiếp khi không tải có bộ điều khiển PID

Hình 4.11 Thông số khi khởi động động cơ với bộ điều khiển PID

Hình 4.12 Thông số khi khởi động động cơ với bộ điều khiển PID đã điều

chỉnh thông số

24

 Thông số của động cơ DC kích từ nối tiếp khi có tải, có bộ điều khiển PID (chọn tải 100N)

Hình 4.13 Khi chưa hiệu chỉnh bộ PID

Hình 4.14 Thông số khi khởi động động cơ với bộ điều khiển PID đã điều chỉnh

thông số

25

4.3 Đánh giá các đặc tính vận tốc góc quay của động cơ và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

4.3.1 Đặc tính vận tốc góc quay của động cơ kích từ nối tiếp

Hình 4.15 thông số mở máy của động cơ DC kích từ nối tiếp

Nhận xét : khi mở máy dòng điện và moment sẽ tăng lên rất lớn trong một khoảng

thời gian vô cùng ngắn để khởi động động cơ, nguyên nhân là do động cơ cần một moment đủ lớn để khởi động và thắng được các moment cản

Hình 4.16 Đặc tính cơ và tốc độ của động cơ DC kích từ nối tiếp

 Trên đặc tuyến tốc độ tại các vị trí có dòng điện tải thấp, tốc độ động

cơ tăng cao

 Vì đặc tuyến nhận trục tung làm đường tiệm cận, nên tại lúc động cơ vận hành không tải (dòng điện có giá trị rất nhỏ) tốc độ quay của động cơ rất lớn (tiến đến giá trị vô cùng lớn)

 Như vậy động cơ kích từ nối tiếp không được vận hành tại trạng thái không tải vì tốc độ tăng rất cao có thể phá hủy rotor do tác dụng của lực ly tâm

4.3.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Nhận xét:

Thông số bộ điều khiển PID được lựa chọn dựa trên phương pháp bằng tay theo nguyên tắc của bảng 3.2 Các thông số của bộ điều khiển trong bài lần lượt là:

Thông số PID của bộ điều khiển

Bảng 4.2 Thông số PID của bộ điều khiển

Thống số Động cơ không tải Động cơ có tải

Qua biểu đồ nhận thấy được khi có bộ điều khiển thì tốc độ của động cơ khi

có tải hay không có tải được đáp ứng nhanh hơn, tốc độ mong muốn của mình là

100 (Rad/s) được đáp ứng nhanh gọn và ổn định, độ vọt lố cũng như thời gian đáp ứng đều nằm trong giới hạn cho phép (độ vọt lố POT <5%, thời gian đáp ứng nhỏ hơn 5 s)