Điều khiển góc quay cho động cơ điện một chiều

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 13351 Học kỳ 1 – Năm học 2021 2022 Đề tài mô hình 4 Đi.

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: 13351 Học kỳ: 1 – Năm học: 2021 - 2022

Đề tài mô hình 4: Điều khiển góc quay cho động cơ một chiều

gắn với cơ cấu chỉ thị góc quay tròn.

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn: ThS Trần Tiến Lương

HẢI PHÒNG - 12/2021

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển cho mô hình

Hình 2.2 Thay bộ điều khiển PID bằng khâu khuếch đại

MỞ 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 hệtruyền 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 hệthống truyền động, góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học nên

nhóm em được thầy giao cho đề tài mô hình: “Điều khiển góc quay cho động cơ

một chiều gắn với cơ cấu chỉ thị góc quay tròn.”

Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tiến Lương đã tận tình giúp đỡnhóm em trong suốt thời gian vừa qua để nhóm em có thể hoàn thành thiết kế môhình Trong quá trình thiết kế còn tồn tại những sai sót, mong các thầy góp ý để bàithiết kế của nhóm em hoàn thiện hơn

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 1.1 Cấu trúc điều khiển một hệ điện cơ

Hình 1.1 Cấu trúc điều khiển một hệ điện cơ

THĐ: Tín hiệu đặt BĐ: Bộ biến đổi công suất

NL: Nhiễu loạn M: Động cơ truyền động

R: Bộ điều khiển MX: Máy sản xuất

ĐL: Đo lường

• Mục tiêu: Điều khiển máy sản xuất với tín hiệu đặt

• Nguyên lý:

Hệ thống thực hiện theo nguyên lý điều khiển phản hồi, nghĩa là bộ điều khiển

R sẽ thực hiện điều khiển hệ thống bằng cách so sánh tín hiệu đặt với các tín hiệuphản hồi về thông qua tín hiệu đo

Nếu có sự sai khác giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đo, bộ điều khiển đưa ra cáctác động điều khiển, đưa các sai lệch này về 0 Tín hiệu từ bộ điều khiển được gửitới các bộ biến đổi công suất, các bộ biến đổi công suất sẽ biến đổi điện năng thànhdạng năng lượng phù hợp với động cơ chuyển động và mang theo thông tin điềukhiển

Thông tin điều khiển thông qua bộ biến đổi được gửi tới động cơ và làm thayđổi động cơ để thay đổi máy sản xuất sao cho đưa nó về bằng tín hiệu đặt Đối vớiđộng cơ, người ta thường điều khiển 3 thông số sau:

- Dòng điện động cơ (tương ứng với mômen động cơ)

- Tốc độ động cơ ω

- Vị trí động cơ φ

Các thông số này thường sử dụng cấu trúc điều khiển phân tầng với tối đa 3vòng điều khiển lồng nhau Lần lượt từ trong ra ngoài là: vòng điều khiển I → vòngđiều khiển ω → vòng điều khiển φ.

Cấu trúc này được mô tả như sau:

Các mạch vòng phía trong tuỳ theo yêu cầu điều khiển có thể bỏ qua hoặckhông Ví dụ khi chỉ yêu cầu điều khiển tốc độ, ta có thể bỏ qua mạch vòng vị trí.Đối với mạch vòng dòng điện, khi động cơ công suất nhỏ và các bộ biến đổi chophép chịu quá tải lớn thì ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện

Khi sử dụng nhiều mạch vòng, ta có thể thêm các khâu giới hạn vào tín hiệuđặt của các mạch vòng phía trong để giới hạn các giá trị dòng điện, tốc độ động cơ

Hình 1.3 Khâu giới hạn trong Simulink

1.2 Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho mô hình

Hình 1.2 Cấu trúc phân tầng

Động cơ ta sử dụng trong mô hình là động cơ GM25 - 370 có kích thước vàthông số như sau:

Hình 1.4 Động cơ GM25 – 370

Hình 1.5 Datasheet động cơ

Từ datasheet của động cơ, ta thấy đây là động cơ công suất thấp Do đó ta bỏqua mạch vòng dòng điện Mặc khác yêu cầu của mô hình là điều khiển góc quaycho nên ta bỏ qua mạch vòng tốc độ

Do vậy ta có cấu trúc điều khiển như sau:

• Giải thích cấu trúc điều khiển:

Hệ thống thực hiện theo nguyên lý điều khiển phản hồi, khi ta cấp tín hiệu đặtφsp (góc điều khiển mong muốn) vào bộ điều khiển Rφ, bộ điều khiển sẽ thực hiệnđiều khiển hệ thống bằng cách so sánh tín hiệu đặt với các tín hiệu phản hồi thôngqua thiết bị đo Nếu có sự sai khác giữa tín hiệu đặt với tín hiệu đo thì bộ điều khiển

sẽ đưa ra tín hiệu mới nhằm đưa sai lệch này vè 0

Tín hiệu bộ điều khiển Rφ sẽ được gửi tới bộ biến đổi công suất Bộ biến đổicông suất sẽ biến đổi điện năng thành dạng năng lượng phù hợp với động cơ chuyểnđộng và mang thông tin điều khiển Thông tin điều khiển thông qua bộ biến đổiđược gửi tới động cơ và làm thay đổi động cơ sao cho nó bằng với tín hiệu đặt Bộđiều khiển dừng gửi tín hiệu điều khiển đến bộ biến đổi khi sai lệch bằng 0 (động cơ

đã quay đúng góc φsp yêu cầu)

1.3 Các thành phần trong cấu trúc

1 Bộ điều khiển PID

1.3.1.1 Tồng quan về bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) làmột cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệthống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu

Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển cho mô hình

số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn và sẽ thực hiện giảmtối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.

Hàm truyền đạt của hệ điều khiển PID có dạng:

s k s

k k s T s T

k s G

s U s

P d

=

) (

) ( ) (

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:

Hình 1.7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Khâu P (khâu tỉ lệ) cho tín hiệu ra tỷ lệ thuận với tín hiệu vào (sai lệch Error)qua hệ số Kp – Đây là tín hiệu quan trọng vì nó đảm bảo tính tác động nhanh và độchính xác của hệ

Về lý thuyết ta thấy gần như chỉ cần khâu P là điều khiển được chính xác,nhưng trong thực tế khi sai số trả về quá nhỏ đến mức khâu P không thể tác độngđược đến động cơ Vì vậy đáp ứng đầu ra của động cơ gần sát với tín hiêụ đặt

Ví dụ tốc độ động cơ mong muốn là 100 vòng/phút, nhưng tốc độ thực tế củađộng cơ là 99 vòng/phút bởi giá trị Kp*e quá nhỏ, không thể tăng tốc độ của động

cơ lên được nữa Vì vậy ta phải tích luỹ sai số, cứ sau một khoảng thời gian ta lạicộng sai số lên cho đến khi nào sai số đủ lớn để có thể thay đổi được tốc độ củađộng cơ Sai số được cộng dồn theo thời gian là phép tích phân, nên ta gọi thànhphần này là thành phần tích phân I

Tuy nhiên, ta còn chưa tính đến quán tính của trục động cơ và các cơ cấu kèmtheo Giả sử động cơ đang tăng tốc và đến điểm sai số e(t) = 0 Lúc này tín hiệu racủa bộ PID bằng 0, có vẻ tốc độ của động cơ sẽ giữ nguyên và giảm đi Nhưngkhông, do quán tính tốc độ động cơ vẫn tăng thêm Việc tốc độ động cơ vượt quáđiểm đặt một chút so với thực tế được gọi là đáp ứng có dao động Nguyên lý đểngăn chặn dao động này diễn ra là ta sẽ giảm dần sự thay đổi tốc độ động cơ (tức làgiảm gia tốc động cơ) khi mà tốc độ ngày càng tiến đến điểm đặt, đồng nghĩa vớiviệc giảm sự thay đổi của sai số e khi mà động cơ tiến gần đến tốc độ yêu cầu.

Sự thay đổi sai số được tính theo công thức:

∆e = E_now – E_prvVới: E_now: sai số ở thời điểm hiện tại

E_prv: sai số ở thời điểm trước

Thành phần ∆e chính là thành phần đạo hàm trong bộ PID

1.3.1.2 Hiện tượng Windup (bão hoà tích phân) của bộ điều khiển PID

Giả sử một bộ điều khiển kiểu PI được dùng để điều khiển cho một đối tượng

có đáp ứng chậm như điều khiển nhiệt độ Do đáp ứng chậm nên có thể xảy ratrường hợp sai lệch giữa giá trị đặt so với giá trị thực có thể diễn ra trong thời giandài Ví dụ, nhiệt độ đặt là 200℃, nhiệt độ hiện tại của đối tượng là 35℃ và giả sửphải gia nhiệt hết công suất thì cũng phải sau 15 phút thì nhiệt độ mới đạt yêu cầu.Khi đó tín hiệu ra của khâu I được cộng dồn liên tục do chu kỳ điều khiểnthường rất nhỏ (chỉ cỡ vài chục ms) Kết quả là tín hiệu ra của khâu I cứ tăng lênmãi, vượt quá khả năng của mạch công suất nhưng do sai lệch vẫn còn lớn nên khâu

I vẫn tiếp tục cộng dồn Hiện tượng như vậy còn được gọi là Windup (tích phânbão hoà) Vì vậy, với bộ điều khiển có khâu I người ta có thể còn cần phải thiết kếthêm một phần để chống lại hiện tượng này và được gọi là anti windup (chống tíchphân bão hoà)

 Các biện pháp chống tích phân bão hoà

Các biện pháp chống tích phân bão hoà gồm các giải pháp như thay đổi hệ sốkhuếch đại của bộ điều khiển và các giải pháp thay đổi cấu trúc bộ điều khiển PID

Biện pháp 1

Giảm hệ số khuếch đại K để đầu ra bộ điều khiển nằm trong giới hạn chophép, có nghĩa là thay đổi K sao cho tín hiệu điều khiển nhỏ hơn giá trị giới hạn vàqua đó tránh được hiện tượng bão hoà tích phân

Hình 1.8 Đáp ứng của hệ kín khi thay đổi hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

Ưu điểm: Dễ thực hiện, đơn giản, không tồn tại sai lệch tĩnh

Nhược điểm: Nếu giảm hệ số khuếch đại thì hệ thống tác động chậm hơn và

do đó thời gian quá độ bị kéo dài hơn

Biện pháp 2

Theo dõi giá trị thực của tín hiệu điều khiển bị giới hạn phản hồi về bộ điềukhiển, để thực hiện thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân Mục đích nhằmthay đổi giá trị Ti trong bộ điều khiển PID sao cho tác động điều khiển nhanh chậmtheo yêu cầu để hạn chế hoặc chống tích phân bão hoà

Giá trị đầu ra của bộ điều khiển trước và sau khâu giới hạn được tính toán sosánh phản hồi về thành phần tích phân để thực hiện thuật toán chống tích phân bãohoà

Hình 1.9 Cấu trúc bộ PID khi dùng biện pháp chống tích phân bão hoà 2

Hình 1.10 Đáp ứng của hệ kín y và tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển PID với

biện pháp chống tích phân bão hoà 2

Ưu điểm: triệt tiêu được sai lệch tĩnh, có khả năng tác động nhanh Hệ số Kstrong cấu trúc hình 1.9 được chọn theo kinh nghiệm hoặc qua mô phỏng

Nhược điểm: Thời gian quá độ tăng, khó loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tíchphân bão hoà và chỉ có thể làm giảm thời gian xảy ra bão hoà, vì nếu cố gắng triệttiêu hiện tượng này sẽ chỉ làm cho thời gian quá độ tăng lên

Biện pháp 3

Đặt một khâu giới hạn tại đầu ra của bộ điều khiển để mô phỏng đặc tính phituyến của thiết bị chấp hành và sử dụng thuật toán bù giống như biện pháp 2 Cũngnhư trên ta có sơ đồ bộ điều khiển như sau”

Hình 1.11 Cấu trúc bộ PID khi dùng biện pháp chống tích phân bão hoà 3

Khâu phi tuyến ở đây là khâu có vùng không nhạy:

Hình 1.12 Đáp ứng của hệ kín y và tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển PID với

biện pháp chống tích phân bão hoà 3

Biện pháp chống tích phân bão hoà 3 mang lại cho đáp ứng của hệ kín có độquá điều chỉnh giảm và triệt tiêu được sai lệch tĩnh, có khả năng giảm và triệt tiêuđược sai lệch tĩnh, có khả năng tác động nhanh, hệ số tắt dần giảm

1.3.1.3 Xây dựng bộ điều khiển PID cho mô hình

Ta sẽ xây dựng bộ điều khiển PID bằng phần mềm mô phỏng Simulink Đây làcông cụ giúp chúng ta có thể dễ dàng khởi tạo một bộ PID trong phần mềm, do đó

ta không cần phải mua bộ PID, từ đó tiết kiệm được chi phí thực hiện mô hình

Simulink được phát triển bởi MathWorks, là một môi trường lập trình đồ họa

để lập mô hình, mô phỏng và phân tích các hệ thống động đa miền Giao diện chínhcủa nó là một công cụ sơ đồ khối đồ họa và một tập hợp các thư viện khối tùychỉnh Nó cung cấp tích hợp chặt chẽ với phần còn lại của môi trường MATLAB và

rãi trong điều khiển tự động và xử lý tín hiệu số cho mô phỏng đa miền và thiết kếdựa trên mô hình.

Cách khởi tạo và sử dụng bộ PID trong Matlab:

Hình 1.13 Bộ điều khiển PID trong Matlab/Simulink

Hình 1.14 Giao diện thiết lập bộ PID trong Matlab/Simulink

Trên hình vẽ ta thấy được công thức của bộ PID trong Matlab

Với bộ PID trong Matlab, ta có thể giới hạn đầu ra và có thể kích hoạt tínhnăng chống tích phân bão hoà (Anti-windup) tại thẻ Output Saturation.

Hình 1.15 Thẻ Output saturation của bộ điều khiển PID trong matlab

2 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

1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

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

Hình 1.16 Mặt cắt ngang động cơ điện một chiều

• Stator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tậptrungtrên 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 bằng thépđúc, 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 quấn phầnứng

1.3.1.4 Động cơ sử dụng trong mô hình

Động cơ sử dụng trong mô hình là động cơ điện một chiều GM25 – 370

Hình 1.17 Động cơ DC GM25 - 370

Hình 1.18 Mặt cắt ngang và kích thước động cơ

Thông số kĩ thuật động cơ:

• Điện áp danh định: 12VDC

• Tốc độ không tải tại 12VDC: 110rpm

• Dòng điện không tải: 160mA

• Thông số khi có tải (tối đa hiệu suất ở 12VDC):

o Tốc độ: 102rpm

o Dòng điện: 160mA

o Mômen xoắn: 5,2kg.cm

o Công suất đầu ra: 1,18W

1.3.1.5 Lựa chọn phương pháp điều khiển tốc độ cho mô hình

• Thay đổi điện trở phụ Rp:

Hình 1.19 Đặc tính động cơ khi thay đổi điện trở phụ

Nhược điểm:

- Hao phí năng lượng do phải dùng điện trở

- Nếu mômen cản (Mc) nhỏ thì tốc độ được thay đổi không đáng kể

Mà trong mô hình động cơ lai tải rất nhỏ (biến trở) → Mc nhỏ → Ta không sửdụng phương pháp này

• Thay đổi từ thông kích từ ϕ

ω

ω

Nhược điểm: Khó biết phải thay đổi từ thông kích từ ϕ như thế nào để thay đổitốc độ như ý muốn Mặt khác thay đổi từ thông ϕ rất phức tạp → Ta không sử dụngphương pháp này.

• Thay đổi điện áp mạch phần ứng:

Hình 1.21 Đặc tính của động cơ khi thay đổi điện áp mạch phần ứng

Trước đây khi khoa học công nghệ chưa phát triển, phương pháp này ít được

sử dụng Hiện nay, do sự phát triển mạnh mẽ của các van bán dẫn công suất(Mosfet, IGBT…) cho nên việc điều chỉnh điện áp rất dễ dàng Mặt khác các vanbán dẫn tiêu thụ rất ít năng lượng, tần số đóng cắt cao, chịu tải lớn cho nên phươngpháp thay đổi điện áp mạch phần ứng được sử dụng rất phổ biến, thay thế chophương pháp được dùng trước đây thay đổi điện trở mạch phần ứng

Vì vậy trong mô hình ta sử dụng phương pháp này để thay đổi tốc độ độngcơ

3 Bộ biến đổi L298N

Xuất phát từ yêu cầu của bộ biến đổi:

- Ta sử dụng phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng để điều chỉnh tốc

độ động cơ → bộ biến đổi phải có chức năng thay đổi điện áp đầu ra

- Ta sẽ thay đổi điện áp bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM)cho nên tín hiệu ra từ bộ điều khiển PID sẽ được giới hạn từ (-255 → 255) →

bộ biến đổi phải điều khiển được động cơ bằng xung PWM

- Khi bộ PID thực hiện điều chỉnh, đáp ứng có thể vọt lố qua giá trị đặt, chonên bộ điều khiển phải có chức năng đảo chiều động cơ

Bộ biến đổi L298N đáp ứng được những yêu cầu đó

• Giới thiệu Module L298N

Mạch cầu L298N là Module điều khiển động cơ (Motor Driver) sử dụng chipcầu H L298N giúp điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễdàng, ngoài ra module L298N còn điều khiển được 1 động cơ bước lưỡng cực.Mạch cầu H của IC L298N có thể hoạt động ở điện áp từ 5V đến 35V

Hình 1.22 Module L298N

Thông số kỹ thuật:

Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

Điện áp điều khiển: + 5V +12V

Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A

Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V +7V

Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)

Nhiệt độ bảo quản: : -25 ℃ ~ +130 ℃

• Power GND chân này là GND của nguồn cấp cho Động cơ

o Lưu ý: Nếu sử dụng Arduino thì phải nối với GND của Arduino

• 2 Jump A enable và B enable, có chức năng bật tắt động cơ A và B

• Gồm có 4 chân Input IN1, IN2, IN3, IN4 Cặp chân IN1 IN2 được sử dụng

để điều khiển động cơ A, cặp chân IN3 IN4 được sử dụng để điều khiển động

cơ B, khi được đặt ở mức logic tương ứng, động cơ sẽ được điều khiển như