đồ án hệ điện cơ hưng

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.. Điều khiển động cơ điện một c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

THIẾT KẾ MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

Đề số 37 : Cho một hệ truyền động động cơ-xe Xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập.

- Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích

từ độc lập

- Xây dựng mô hình điều khiển truyền động

cho xe

- Tính chọn các bộ điều khiển

- Mô phỏng đáp ứng trên Simulink với các

nhiễu tải khác nhau và đánh giá kết quả

Hải Phòng-năm 2013

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Mục lục

Lời nói đầu

Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động

1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều

1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều

1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều

1.2.Yêu cầu công nghệ

1.3.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều

1.3.1.Khái quát về bộ điều khiển PID

1.3.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

Chương 2 Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động

2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động

2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mô hình toán của các thành phần2.2.1.Bộ điều khiển

2.2.2.Bộ biến đổi

2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.2.4.Thiết bị đo lường

MỤC LỤC

toán của các thành phần

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, truyền động điện

có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của xã hội Truyền động điện làm tăngnăng suất lao động và chất lượng sản phẩm Để đáp ứng được yêu cầu thực tế các

hệ truyền động điện có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngày càng cao

đã ra đời

Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế

hệ thống truyền động, góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học nên

em được thầy giao cho đề tài: “Cho một hệ truyền động động cơ – xe Xây dựng bộ

điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập”.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tiến Lương, cùng các thầy cô giáokhoa Điện - Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thờigian vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này

Trong quá trình thiết kế còn tồn tại những sai sót, mong các thầy cô giáo góp

ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG

1.1 TỔNG QUAN 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

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Hình 1: Mặt cắt ngang động cơ điện một chiều

trên các cực từ stator Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuật

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.

ứng 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

phần ứng

1.1.2 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 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

Hình 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 c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.3 Điều khiển 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

1.2 YÊU CẦU CÔNG NGHỆ

Hệ truyền động động cơ-xe có kết cấu khá phức tạp Về phần điện hệ thốngbao gồm từ nhận năng lượng từ một nguồn cố định, biến đổi năng lượng thật phùhợp để đưa vào động cơ truyền động, bên cạnh đó là hệ thống điều khiển nguồn

năng lượng đó để phù hợp với yêu cầu thay đổi tốc độ của động cơ Về phần cơ baogồm cơ cấu bánh răng, xích truyền, hộp số,…để truyền chuyển động từ động cơđến bánh xe, hệ thống tăng giảm tốc độ, đảo chiều chuyển động, hệ thống phanhhãm….

Trong quá trình hoạt động của hệ thống yêu cầu khi tăng tốc và giảm tốc phải

êm Độ bền cơ khí của hệ thống phải cao Dải điều chỉnh tốc độ phải trơn

Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động và hệ điều khiển tự động phải đơn giản, cácphần tử cấu thành phải có độ tin cậy cao, đơn giản, sửa chữa và thay thế dễ dàng.1.3 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘTCHIỀU

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bềnvững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được phổ biến trong các

tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vậnhành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốthiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đốitượng cần điều khiển Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạntuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điểnkhông thực hiện được

1.3.1 Khái quát về bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P),khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phảilựa chọn chế độ làm việc là P,I hay D và sau đó là đặt tham số cho các chế độ đãchọn Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID

Hình 3: Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộngrãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ PID có nhiệm

vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêucầu cơ bản về chất lượng:

chỉnh u(t) càng lớn

tín hiệu điều chỉnh

phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Hình 4: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

dt

t de T d e T t e k t u

0

) ( )

(

1 ) ( )

s

I P

1 1 )

(

Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID:

- Phương pháp Ziegler-Nichols

- Phương pháp tối ưu modul

- Phương pháp tối ưu đối xứng

1.3.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

a) Phương pháp Ziegler-Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác định tham

số bộ điều khiển P, PI hoặc PID bằng các dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượngđiều khiển Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng , Ziegler và Nichols đưa ra haiphương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:

 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho cácđối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S như lò nhiệt

độ, tốc độ động cơ,…

Hình 5: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệtruyền động dùng động cơ,… Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vôcùng Phương pháp này được thực hiện như sau:

Hình 6: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biêngiới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa.

Hình 7: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k=k th

b) Phương pháp module tối ưu

Phương pháp module tối ưu là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiểnPID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hình chữ S.Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 8 Bộ điều khiển R(s) điều khiểncho đối tượng S(s)

Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín

Tiêu chuẩn module tối ưu được sử dụng để tổng hợp nên bộ điều khiển vớihàm kín của toàn hệ phải thỏa mãn dạng:

Hàm truyền kín của hệ khi thỏa mãn dạng này sẽ có các đặc điểm sau:

- Vô sai cấp 1 theo tín hiệu điều khiển

R S



F R





  

Với Ti là những hằng số thời gian nhỏ.

Với những hằng số thời gian nhỏ ta có thể xấp xỉ gần đúng bằng cách bỏ quacác hệ số bậc cao

T p T p



 

c) Phương pháp module tối ưu đối xứng

Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp module tối ưu đối xứng cónhược điểm là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ 0 và

có dạng hình chữ S Trong trường hợp này có thể chọn tham số PID theo nguyêntắc module tối ưu đối xứng

Tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng sẽ cho hệ là

vô sai cấp 2 và hàm truyền kín mong muốn của hệ đạt được thỏa mãn dạng:

2 2 3 3

1 4

1 4 8 8

p F

R S



F R

Theo dạng hàm kín mong muốn ta tìm được bộ điều khiển R có dạng:

p R

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

2.1 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG

Hình 9: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện.

Trong đó:

R- các bộ điều khiểnBBĐ- bộ biến đổiM- động cơ

TB Đo- thiết bị đo2.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH TOÁNCỦA CÁC THÀNH PHẦN

2.2.1 Bộ điều khiển

Trong hệ thống, bộ điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đo từ động cơ vàhộp số để điều khiển hệ thống theo đúng tín hiệu đặt Tín hiệu từ bộ điều khiển

a) Bộ điều khiển P

Bộ điều khiển P là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID Thuật toán khuếch đại tỉ

lệ đưa ra tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch điềukhiển e(t):

Khi xuất hiện tín hiệu sai lệch e(t), thông qua bộ điều khiển tín hiệu này được

khiển chính là tạo khả năng bù trừ sai lệch cho tín hiệu ra

Hình 10: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P

Nguyên tắc làm việc: Khi tín hiệu sai lệch e(t) lớn, đáp ứng đầu ra y(t) sẽ rấtnhỏ so với tín hiệu đặt x(t) Để cho giá trị y(t) tiến gần giá trị xác lập x(t) bộ điềukhiển phải tạo ra khả năng bù trừ sai lệch bằng cách khuếch đại tín hiệu điều khiển

có giá trị lớn để duy trì sự ổn định của hệ thống hoặc ngược lại khi tín hiệu sai lệche(t) nhỏ, đại lượng đầu ra y(t) tiến gần giá trị xác lập thì sự tác động của điều khiểnlên đối tượng u(t) sẽ nhỏ bớt đi để đảm bảo sự ổn định của hệ thống

Bộ điều khiển P có cấu trúc đơn giản song nó luôn tồn tại sai số ở chế độ xáclập Nếu cấu trúc hàm truyền hệ hở của hệ thống không chứa khâu tích phân thì sai

số xác lập sẽ là một hằng số

k

X t e

e

t

0

) ( lim 







k – hệ số khuếch đại của hàm truyền hệ hở khâu tích phân có mặt trong hệthống sẽ dẫn đến triệt tiêu sai lệch tĩnh

Từ công thức rút ra kết luận:

tĩnh e(t) sẽ giảm, kích thích của hệ thống vẫn không dao động nhưng để đảm bảo

được chất lượng như mong muốn trong chế độ quá độ Vì khi tăng hệ số khuếch đại

ổn định trước khi đạt được giá trị khuếch đại mong muốn

b) Bộ điều khiển tích phân – tỉ lệ (PI)

Bộ điều khiển này là dạng điều khiển sử dụng phổ biến trong họ PID So với

bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI mở rộng thêm thành phần tích phân (còn gọi làtác động tích phân) với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh, tác động tích phân đưa ratín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích lũy của sai lệch điều khiển quan sát được e(t)

Hình 11: Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PI

Hàm truyền của bộ điều khiển PI:

s

k k s T

k k s E

s U s

P i

P

P   



 ) (

) ( )

(

s

s E k s E k s

U( )  P ( )  i ( )

đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là vấn đề hết sức quan

2 (   

chính là phụ thuộc vào tham số này Về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn sovới quy luật tỉ lệ và nhanh hơn so với quy luật tích phân

Về tính chất của luật điều khiển tỉ lệ thì nó có đáp ứng tốt xong tồn tại sai số

hệ thống mất tác động

của khâu tích phân đến đáp ứng quá độ ít vì vậy mà bộ điều khiển PI hoạt động như

bộ điều khiển tỉ lệ Tức là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai số vẫn còn lớn so vớiyêu cầu

đến một trị số nào đó thì quá trình quá độ không còn đơn điệu mà nó trở thành quá

hoặc ngược lại và có thể làm cho hệ thống mất ổn định

Bộ điều khiển PI được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Tuy nhiên do ảnhhưởng của thành phần tích phân nên tốc độ tác động của bộ điều khiển bị chậm đi.Nếu đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà đòi hỏi độ chính xác cao thì ở bộ điềukhiển này không đáp ứng được

c) Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID)

Các bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) hoặc tỉ lệ - vi phân (PD) đã đáp ứngđược các yêu cầu về chất lượng trong quá trình điều khiển Tuy nhiên chúng còntồn tại một số nhược điểm cơ bản, ví dụ như ở bộ điều khiển PD rất nhạy với tínhiệu nhiễu vì bản thân PD là bộ lọc thông cao, với bộ lọc lớn hơn sẽ làm tăng ảnhhưởng của nhiễu Với bộ điều khiển PI lại là nguyên nhân kéo dài thời gian tăng tốc

và thời gian xác lập Để thỏa mãn yêu cầu về chất lượng người ta sử dụng tổ hợpđiều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) Bộ điều khiển PID kết hợp được nhữngđiểm mạnh của các bộ điều khiển P, PI, PD, nhằm cải thiện quá trình quá độ, đồngthời tăng độ chích xác cho hệ thống

Hàm truyền đạt của hệ điều khiển PID có dạng:

k s

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:

Hình 12: Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID

Trong quá trình hoạt động của bộ điều khiển PID, hiệu quả của điều khiển tíchphân là loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt sự truyền tín hiệu tăngtheo tỉ lệ nhiễu lớn bằng các hiệu chỉnh liên tục, hoặc lặp lại đầu ra thiết bị điềukhiển Tốc độ mà tác động đó lặp lại nhân đôi hoặc lặp lại tác động tỉ lệ một lần

Đối với thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID, thì tác động điều khiển

có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số do đó làm giảmkhuynh hướng dao động Tác động điều khiển là tác động tốc độ

Trong thực tế, bộ điều khiển PID có thể được hình thành từ việc mắc nối tiếphai bộ điều khiển PI và PD Lúc này hàm truyền bộ điều khiển có dạng:

s T k

N

s T s T s T k

s

R

d d i

2.2.2 Bộ biến đổi

Bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu điều khiển dùng van tiristor Bộ biến đổiThyristor với chuyển mạch tự nhiên và có điện áp ra là một chiều là các thiết bịđiện, biến nguồn điện xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều điều khiển được

Hình 13: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha

cung cấp nguồn điện một chiều cho tải Các tiristor thay nhau dẫn dòng nhưng lệch

Hình 14: Hàm truyền của bộ biến đổi

Trong đó:

2.2.3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng vì nó có nhiều ưuđiểm Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập như sau:

Hình 15: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ĐC: Động cơ điện một chiều

kt