Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều thích nghi trên cơ sở kết hợp pid và logic mờ,luận văn thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa

Ngoài bộ điều khiển kinh điển đã biết như PID còn có những bộ điều khiển khác với những ưu điểm cao đã được hình thành và phát triển như điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Trang 2

Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông vận

tải - CSII, dưới sự chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô, sự giúp đỡ của bạn bè, đồng

nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện cho tôi tích lũy được nhiều kiến thức khoa

học qúy báu và đến nay tôi đã hoàn thành luận văn cao học

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và cán bộ của Trường Đại học

Giao thông vận tải, đặc biệt thầy TS Nguyễn Văn Tiềm đã tận tình chỉ bảo, giúp

đỡ và hướng dẫn tôi trong thời gian tôi thực hiện luận văn

Xin cảm ơn lãnh đạo, bạn bè, đồng nghiệp nơi tôi đang công tác đã tạo

điều kiện để tôi hoàn thành khóa học

Xin cảm ơn gia đình đã động viên tôi trong suốt thời gian học tập và thực

hiện luận văn./

Trang 3

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, việc nghiên cứu, phát triển các thuật toán nhằm nâng cao chất lượng của các hệ thống điều khiển tự động đã có những bước tiến đáng kể Ngoài bộ điều khiển kinh điển đã biết như PID còn có những bộ điều khiển khác với những ưu điểm cao đã được hình thành và phát triển như điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển thông minh và trí tuệ nhân tạo.Do đó, việc điều khiển tốc độ động cơ một chiều, cũng như các đối tượng khác trở nên dễ dàng,

vô cùng linh hoạt và đạt hiệu suất rất cao Với mong muốn hòa vào xu thế phát triển chung của nền khoa học hiện đại, tác giả mong muốn đóng góp một phần nhỏ vào công cuộc nghiên cứu và xây dựng các ứng dụng cho nền khoa học nước nhà Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn còn nhiều thiếu sót, kính mong sự chia sẻ và đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện hơn đề tài Xin chân thành cám ơn

Trang 4

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu của luận văn

Trên thế giới hiện nay, việc nghiên cứu, phát triển các thuật toán nhằm nâng cao chất lượng của các hệ thống điều khiển tự động đã có những bước tiến đáng kể Cùng với sự ra đời và phát triển của hệ điều khiển thích nghi, việc điều khiển tốc

độ động cơ một chiều trở nên dễ dàng, vô cùng linh hoạt và đạt hiệu suất rất cao

Do đó, nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công bộ điều khiển thích nghi PID tự

điều chỉnh dựa trên hệ logic mờ sẽ mang lại nhiều giá trị thiết thực, không chỉ về mặt kinh tế mà còn góp phần nâng cao khả năng cập nhật công nghệ mới, tiên tiến vào Việt Nam

2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của nền kinh tế trong nước, nền

công nghiệp nước ta đã có những chuyển biến tích cực Tuy nhiên, khả năng tự thiết kế, chế tạo các bộ điều khiển chất lượng cao, ứng dụng công nghệ tiên tiến vẫn chưa được quan tâm một cách đúng mức Từ đó, các nhà máy, xí nghiệp trong nước vẫn chịu sự chi phối và bị phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài Chúng ta ngày càng trở nên lạc hậu so với tốc độ phát triển không ngừng của nền khoa học - kỹ thuật thế giới Do đó, nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho lớp đối tượng này là một trong những yêu cầu mang tính thời sự, cần được triển khai nhanh chóng và khoa học

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Động cơ điện một chiều hiện đang được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ điều khiển yêu cầu độ chính xác cao Việc điều khiển tốt đối tượng trên ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc của hệ thống, năng suất của nhà máy, chất lượng sản phẩm…Do đó, nghiên cứu, phát triển các thuât toán điều khiển nhằm nâng cao

Trang 5

chất lượng điều khiển của hệ thống luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực điều khiển tự động Đồng thời việc cải thiện khả năng điều khiển góp phần đáng kể vào việc nâng cao giá trị kinh tế cho nền công nghiệp nước ta Không những vậy, việc ứng dụng công nghệ mới giúp chúng

ta bắt kịp với nền công nghiệp hiện đại của thế giới Từ đó, chúng ta có thể hi vọng tạo ra những bước đột phá về mặt công nghệ trong thời gian tới

Trang 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

1.1 Tổng quan về động cơ một chiều:

Ngày nay, động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các nhà máy, xí nghiệp, kể cả trong các hộ gia đình Động cơ điện một chiều là thiết bị hoạt động với dòng điện một chiều

Hình 1.1: Một số loại DC Motor thường gặp

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần chính: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor) Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stator) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rotor) Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rotor, làm cho rotor quay

Tùy theo cách mắc cuộn dây rotor và stator mà người ta có các loại động cơ sau:

- Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stator) và cuộn dây phần ứng (rotor) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt

- Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây

Trang 7

Trang 8

Hình 1.3 : Hình dạng thực của Stator

Hình 1.4 : Cực từ chính

Hình 1.5: Vị trí cực từ chính và phụ trong máy điện một chiều

Trang 9

Cực từ chính: có nhiệm vụ tạo ra từ trường chính trong máy Cực từ chính

bao gồm lõi sắt và cuộn dây kích từ Lõi cực từ chính được làm từ các lá thép kỹ thuật điện hoặc thép Carbon, chúng được ép chặt với nhau và được gắn vào vỏ máy bằng bulông Dây quấn kích từ được làm bằng dây đồng có dạng tiết diện tròn hoặc chữ nhật Dây quấn kích từ được quấn thành cuộn và được phủ cách điện Các cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp nhau sao cho khi có dòng điện chạy qua, chúng tạo thành các cực từ trái dấu xen kẽ nhau

Cực từ phụ: được làm bằng thép khối và được đặt vào giữa các cực từ chính

để nhằm cải thiện quá trình đổi chiều Dây quấn cực từ phụ tương tự dây quấn cực

từ chính Cực từ phụ cũng được gắn vào vỏ máy qua bulông

Gông từ: với những động cơ công suất lớn thì gông từ thường được làm

bằng thép đúc, riêng các động cơ có công suất vừa và nhỏ thì gông từ thường được làm bằng thép tấm Gông từ vừa làm chức năng nối liền các cực từ vừa làm vỏ máy,

từ thông móc vòng qua các cuộn dây và khép kín trong mạch từ

Nắp máy: ngoài chức năng bảo vệ và cách ly, nắp máy còn được sử dụng

làm giá đỡ ổ bi cho trục động cơ

Cơ cấu chổi than: gồm 2 chổi than làm bằng carbon hay graphit, thỉnh

thoảng trộn thêm bột đồng để tăng tính dẫn điện và được đặt trong hộp chổi than Các chổi than luôn luôn tỳ lên vành góp nhờ lực đẩy của hai lò xo Chổi than có nhiệm vụ đưa điện từ bên ngoài vào động cơ

Trang 10

1.1.1.2 Rotor

Còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng

Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng Ở các máy điện lớn, lõi thép được chia thành các đoạn nhỏ để tạo khe hở thông gió ngang trục

Hình 1.7: Hình dạng thực của rotor

Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và luôn có dòng điện chạy qua Trong các máy điện nhỏ dây quấn có tiết diện tròn, với các máy công suất vừa và lớn thì dây quấn này có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn phần ứng luôn luôn ở dạng cuộn và được đặt vào trong các rãnh của lõi thép Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên Mỗi phần tử chỉ có một vòng, các phần tử được nối thành mạch vòng khép kín Rotor được lồng vào giữa các cuộn dây kích từ, được đỡ bởi các ổ bi và nắp vỏ và quay giữa các cực của các cuộn dây kích từ

Trang 11

Hình 1.8: Dây quấn phần ứng

Hình 1.9: Lá thép phần ứng

bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rôto Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp

Hình 1.10: Cổ góp

Trang 12

Cánh quạt: dùng để làm mát động cơ Cánh quạt được lắp trên trục động cơ

để hút gió từ bên ngoài qua các khe hở trên nắp máy Khi máy làm việc, gió được hút vào để làm mát dây quấn và mạch từ

Trục máy: làm bằng thép cứng, trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ

góp, hai đầu trục gối lên hai ổ bi ở nắp máy

1.1.2 Nguyên lý làm việc:

1.1.2.1 Từ trường cực từ

Động cơ điện một chiều có hai phần tử điện là dây quấn kích từ và dây quấn phần ứng

+ Dây quấn phần ứng: làm từ dây dẫn điện có các đầu được nối với cổ góp

Điện áp một chiều được đặt vào các cuộn dây phần ứng thông qua các chổi than tỳ lên cổ góp Trong các động cơ công suất nhỏ, stator có thể là một nam châm vĩnh cửu Tuy nhiên, những động cơ công suất lớn sử dụng trong công nghiệp thì stator phải là một nam châm điện Khi đặt điện áp một chiều Vf vào cuộn dây kích từ, một nam châm điện với các cực bắc-nam được hình thành và sinh ra một từ trường gọi

là từ trường cực từ Từ trường này là tĩnh (không quay) Để đơn giản hoá trong việc giải thích, stator sẽ được biểu diễn bằng nam châm vĩnh cửu trong hình 1.11 Khi cho điện áp một chiều Va vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện một chiều Ia đi qua và sinh ra một từ trường gọi là từ trường phần ứng Từ trường cực từ và từ trường phần ứng sẽ tương tác với nhau Chiều của lực tương tác được xác định bằng qui tắc bàn tay phải

Trang 13

Hình 1.11: Các phần tử điện

1.1.2.2 Qui tắc bàn tay phải

Xoè ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa của bàn tay phải vuông góc với nhau, ngón trỏ chỉ theo chiều đường sức của từ trường cực từ, ngón giữa chỉ theo chiều chuyển động của dòng electron trong dây quấn phần ứng, ngón tay cái sẽ chỉ chiều lực tương tác của từ trường cực từ lên các thanh dẫn (cạnh) của dây quấn phần ứng Như vậy, có thể thấy trên hình 1.12, thanh dẫn trái của dây quấn phần ứng bị kéo lên trong khi đó thanh dẫn phải lại bị kéo xuống Rotor sẽ quay theo chiều kim đồng

hồ Cường độ của lực tương tác này phụ thuộc vào trường sức cực từ và cường độ dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng

Hình 1.12: Cách xác định chiều quay của Rotor

Trang 14

1.1.2.3 Sức điện động cảm ứng

Khi rotor quay, dây quấn phần ứng cắt qua các đường sức từ của từ trường cực từ và sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng (sức điện động cảm ứng) Ea trên dây quấn này, có chiều ngược với Va nên còn được gọi là sức phản điện, và sẽ làm giảm điện

Theo định luật cảm ứng điện từ trong các thanh dẫn ab và cd cắt các

đường sức từ trường sẽ cảm ứng được một suất điện động:

e = Blv (v) (1.1)

Trang 15

Trong đó:

B: là từ cảm của nam châm N-S (T)

l: là chiều dài của thanh dẫn (m) v: là vận tốc dài của thanh dẫn (m/s)

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

quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ

thông .Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành

mômen điện từ Giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

Mđt = Error! Iư = KIư

(1.2)

Trong đó : : số đôi cực của động

N: số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

: hệ số kết cấu của máy

1.1.3 Phân loại

Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều ra

các loại như sau:

1.1.3.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: phần ứng và phần

kích từ được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ

Trang 16

Hình 1.15: Mạch điện thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.1.3.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích

được mắc nối tiếp với phần ứng

Hình 1.16: Mạch điện thay thế động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Trang 17

1.1.3.3 Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích

được mắc song song với phần ứng

Hình 1.17: Mạch điện thay thế động cơ điện một chiều kích từ song song

1.1.3.4 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây

kích thích, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song

với phần ứng

Hình 1.18: Mạch điện thay thế động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Trang 18

1.1.4 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều

Từ sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập và động cơ một

chiều kích từ song song ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch

phần ứng như sau:

Uư = Eư +Iư Rư (1.3)

Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng (V);

Eư: Sức điện động của động cơ (V)

Iư: Dòng điện phần ứng của động cơ (A)

RưΣ: Điện trở toàn bộ của mạch phần ứng (Ω) ;

Ngoài ra có thể biểu diễn động cơ theo tốc độ quay n (vòng/phút) :

Eư = PN60a n = Ken

Trang 19

Ke = PN

60a : Hệ số sức điện động của động cơ

Từ phương trình (1.3) và (1.4) ta có:  = Error! - Error! Iư (1.5)

Biểu thức (1.5) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Hình 1.19: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Mặt khác từ (1.2) ta có: Iư = Error!

Nếu chúng ta bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục

động cơ bằng với mômen điện từ, ta ký hiện M Nghĩa là Mđt = Mcơ =M

= Error!- Error! M (1.6)

Biểu thức (1.6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ

song song

Trang 20

Hình 1.20: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song

Từ biểu thức (1.2) : M = KMIư và =KIư

Ta có : M = KMKIư2 (1.7)

Khi Iư nhỏ, từ biểu thức (1.7) và biểu thức  = Error!- Error! Mta có :

Từ phương trình (1.8) ta thấy đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp có dạng Hypebol như hình vẽ :

Hình 1.21: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

M0

Trang 21

Khi tốc độ  = 0 mômen khởi động Mk của động cơ kích thích nối tiếp có

giá trị rất lớn Khi tải giảm nhiều, Iư nhỏ, nhỏ, động cơ sẽ quay rất nhanh

Đặc biệt lúc động cơ không tải, dòng điện Iư = I0 rất nhỏ khiến tốc độ quá

lớn, rất nguy hiểm Vì vậy cần phải vận hành động cơ kích từ nối tiếp sao

cho tình trạng khởi động không tải không xảy ra và cũng cần tránh động cơ

làm việc quá non tải vì khi Iư lớn, mạch từ bão hòa, từ thông (Iư) tăng chậm

hơn nghĩa là (Iư) < Iư nên đặc tính ở trên Hypebol

Động cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần có đặc

tính cơ tương tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tộc độ không

tải ở một giá trị giới hạn thích hợp

Hình 1.22: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng như biểu diễn

trên hình 1.22 Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ qua

cuộn song song, trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa

cuộn song song và cuộn nối tiếp Động cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng

trong những ứng dụng cần có đặc tính cơ tương tự động cơ kích từ nối tiếp

đồng thời cần hạn chế tộc độ không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp

Trang 22

Hình 1.23 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Kết luận : Chọn đối tượng khảo sát là động cơ điện một chiều kích từ độc lập

dựa vào đặc tính cơ có dạng đường thẳng, độ cứng cao để dễ dàng trong việc mô

phỏng và đánh giá chất lượng bộ điều khiển

1.1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC:

1.1.5.1 Các tiêu chuẩn kỹ thuật đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta căn cứ vào các

chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện

+ Hướng điều chỉnh tốc độ

Hướng điều chỉnh tốc độ nghĩa là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ

lớn hơn hay nhỏ hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ trên

đường đặc tính cơ tự nhiên

+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỷ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ

bé nhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải định mức:

D= nmax/ nmin

Trang 23

Trong đó : nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học

nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông

thường người ta chọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của

từng hệ thống, khả năng của từng phương pháp điều chỉnh

+ Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ

Độ cứng : = Error!

Khi càng lớn, tức là M càng lớn và nhỏ nghĩa là độ ổn định tốc

độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất

là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ

+ Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi

điều chỉnh tốc độ được đánh giá bằng tỷ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

Trong đó : ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i

ni+1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ (i+1)

tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục

Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh

tốc độ vô cấp

: Hệ điều chỉnh vô cấp

+ Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ

Trang 24

Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất

làm việc của động cơ η là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphu ở mức thấp

nhất

+ Tính kinh tế của hệ thống điều chỉnh tốc độ

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là

một hệ thống điều chỉnh thoả mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống đặt

ra Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành

thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp

lẫn cho nhau

1.1.5.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Từ phương trình đặc tính cơ :  = Error! - Error! Iư

Ta thấy muốn điều chỉnh thay đổi tốc độ động cơ ta có thể thay đổi các

thông số Uư, Rf, Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu chi tiết về từng phương pháp điều chỉnh cụ thể

a> Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 

Giả thiết : U ư = Udm = const, R ư = const

Ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt của động cơ Điều này tương ứng với

việc từ thông của mạch từ sẽ thay đổi Ta được:

+ Tốc độ không tải: 0 = Error! = var

+ Độ cứng đặc tính cơ:  = Error! = var

Trang 25

Hình 1.24: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

Đặc điểm:

- Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử dụng điều chỉnh giảm từ thông

- Khi từ thông giảm thì tốc độ không tải tăng dần ( < <….)

- Độ cứng đặc tính cơ  giảm nên phương pháp này để tăng tốc độ

+ Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ, có dòng kích từ nhỏ

hơn rất nhiều so với mạch lực, nên công suất tổn hao ít Đây là ưu điểm nổi

bật của động cơ điện một chiều ( kích từ độc lập ) so với các loại động cơ

khác

+ Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ dư và các nhiễu,

làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng

kích từ

+ Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều

kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi do không thể đổi chiều và chịu

hồ quang điện, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì

cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép

Trang 26

trên trục động cơ giảm rất nhanh Và do đó giá trị lớn nhất của dải điều chỉnh

từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện

+ Do điều kiện đổi chiều, các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều

chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này nhưng phải dùng thêm những

phương pháp khống chế đặc biệt khác, do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo

phức tạp khiến giá thành của máy tăng cao

b> Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ điện trở phụ R f.

Giả thiết: U ư = Udm = const ;  = đm = const

Khi đưa thêm Rf vào mạch phần ứng ta có:

+ Đặc tính cơ là:  = 0 - Error! .M

+ Độ cứng đặc tính cơ:  = - Error!

Hình 1.25: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với Rf là đặc tính cơ tự nhiên Khi Rf càng lớn, càng nhỏ

nghĩa là đường đặc tính cơ càng dốc tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi

Trang 27

cũng như trên giao điểm của các đường này với đường mômen cản tải Mt =

f(n) cho biết tốc độ xác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ

- Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ < đm

- Khi giá trị min càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:

D = Error! ≈ ∞

- Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điện

ngắn mạch In và mômen ngắn mạch Mnm cũng giảm Do đó phương pháp

này được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ và tuyệt

đối phương pháp này không được dùng cho các động cơ của máy cắt kim

loại

- Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf có thiết

bị đơn giản Tuy nhiên khi tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở

phụ đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm làm cho sự ổn định tốc độ khi

phụ tải thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng

thấp thì tổn hao phụ càng tăng

c> Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng U ư

Hình 1.26: Sơ đồ

điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

- Nếu giữ  = đm = const, Rư = const

Và thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta được :

Trang 28

+ Tốc độ không tải: 0 = Error! = var

+ Độ cứng đặc tính cơ:  = Error! = const

Hình 1.27 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta được một họ

đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên và có độ cứng đặc tính cơ là

không đổi, trong đó đường đặc tính cơ tự nhiên là là đặc tính cơ lúc vận hành

ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông đạt giá trị định mức và không

nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ)

Khi giảm điện áp phần ứng đặt vào động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ

giảm, momen ngắn mạch của động cơ ( Mnm = K Inm) cũng sẽ giảm Và do

vậy tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cho phép

điều chỉnh dưới tốc độ định mức (Vì không thể tăng cao hơn điện áp định

mức của động cơ điện) Đồng thời điều chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc

vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại

TN

M0

M

Trang 29

Điện áp phần ứng động cơ có thể điều khiển bằng cách sử dụng :

- Máy phát điện DC (Hệ máy phát – động cơ)

- Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC – DC)

- Bộ biến đổi điện áp một chiều (DC – DC)

ra Tín hiệu điện áp ra sẽ được đưa về bộ điều khiển để so sánh với tốc độ đặt Từ

đó, tính toán và đưa ra phương án điều chỉnh, ổn định tốc độ động cơ theo yêu cầu của hệ thống

Phương trình đặc tính của máy phát tốc:

UF = K.n = K1 dα

dtTrong đó:

UF : điện áp ra của máy phát tốc

K, K1: hệ số khuếch đại

n: vận tốc rotor (vòng/phút)

α: góc quay

Các yêu cầu của máy phát tốc

- Độ tuyến tính của đặc tính cao, trong trường hợp lý tưởng các hệ số K, K1

luôn luôn không đổi

- Hệ số khuếch đại lớn: K = UF

n

- Điện áp ra đối xứng: UF(+n) = UF(-n)

Trang 30

- Giá trị điện áp khi n = 0 nhỏ trong các máy phát tốc xoay chiều và vùng

không chạy nhỏ trong các máy phát tốc một chiều

b) Phân loại máy phát tốc

Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động, máy phát tốc được phân thành các loại

Máy phát tốc không đồng bộ có cấu tạo tương tự như động cơ không đồng

bộ, với rotor rỗng không dẫn từ Trên Stator đặt 2 cuộn dây lệch pha nhau trong không gian 900 điện Bao gồm cuộn kích thích (B) và cuộn phát (U) Cuộn kích thích (B) được nối với điện áp nguồn Cuộn phát tạo mức điện áp đầu ra cho máy phát tốc dựa vào tốc độ trên trục động cơ

Hình 1.28: Cấu tạo máy phát tốc không đồng bộ

Nguyên lý hoạt động:

Khi rotor đứng yên (n = 0) dòng điện của cuộn kích thích tạo ra từ thông theo phương dọc trục d Từ thông này cảm ứng và sinh ra sức điện động cảm ứng trong rotor Sức điện động này gọi là sức điện động biến áp vì giống như sức điện động cảm ứng trong máy biến áp Các mạch vòng của dòng điện rôtor do sức điện động

Trang 31

biến áp tạo nên nằm trên những mặt phẳng vuông góc với trục d Chúng sinh ra từ thông của rotor có chiều ngược với từ thông kích thích Như vậy khi rotor đứng yên, trong máy phát tốc chỉ có từ trường theo phương dọc trục nên trong cuộn phát không có sức điện động cảm ứng (vì cuộn phát lệch pha 90 0điện với cuộn kích thích) Điện áp cuộn phát UF = 0

Khi rotor quay (n ≠ 0) trong rotor ngoài sức điện động biến áp còn có sức điện động quay do các thanh dẫn của rotor cắt đường sức của từ thông kích thích Dưới tác dụng của sức điện động quay trong rotor hình thành các dòng điện, do điện trở rotor lớn nên hầu như trùng pha với sức điện động quay, tạo ra luồng từ thông luôn trùng pha với trục cuộn phát trên stator Đường sức của từ thông này cắt các vòng dây cuộn phát sinh ra sức điện động cảm ứng trong cuộn phát Tần số của sức điện động này bằng tần số của điện áp xoay chiều nuôi cuộn kích thích

+ Máy phát tốc đồng bộ

Máy phát tốc đồng bộ với rotor là nam châm vĩnh cửu, stator là cuộn dây Nhờ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu nên trong máy phát tốc đồng bộ không có tiếp xúc vành trượt chổi than làm tăng độ tin cậy của máy Khi rotor của máy phát tốc quay, trong cuộn dây stator xuất hiện sức điện động cảm ứng có trị số tỷ lệ thuận với tần số quay n

Máy phát tốc một chiều có cấu trúc và nguyên lý hoạt động như máy điện một

chiều công suất nhỏ, kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hoặc kích thích độc lập

Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và

Trang 32

dấu so với biến đổi đại lượng đo Điện áp một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải

áp đầu ra của máy phát còn bị thay đổi do điện trở của chổi than Ảnh hưởng của phản ứng phần ứng tới hệ số tỷ lệ (nhất là khi ở vùng tốc độ cao)

1.1.6.2 Máy phát xung - Encoder quang tương đối (Incremental optical

encoder)

Trong thực tế có nhiều phương pháp để xác định tốc độ của động cơ Chúng

ta có thể sử dụng phương pháp đo tương tự (analog) hoặc phương pháp số (digital)

để xác định góc quay của động cơ Trong đó, phương pháp tương tự có thể thực hiện bằng cách sử dụng biến trở xoay hoặc tachometer, còn phương pháp tương tự

có thể sử dụng encoder quang

Encoder quang thường được chia làm 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder) Encoder tương đối thường được tích hợp trong các động cơ một chiều

Một hệ thống encoder quang bao gồm: một nguồn phát quang (hồng ngoại), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh

Trang 33

Hình 1.29: Cấu tạo máy Encoder

Encoder thường có 3 kênh ra bao gồm: kênh A, kênh B và kênh I Trên đĩa quay của encoder có một lỗ nhỏ và có một cặp cảm biến thu - phát dành riêng cho

nó Mỗi lần đĩa quay quay được một vòng thì lỗ nhỏ đó sẽ đi qua cặp cảm biến thu – phát, lúc này sẽ có một tín hiệu được hình thành để báo sự hoàn thành một vòng quay của đĩa quay Việc lấy tín hiệu từ lỗ nhỏ đó được thực hiện tại kênh I, như vậy kênh I sẽ xuất hiện một xung sau mỗi vòng quay của động cơ Phần ngoài cùng của đĩa quay có nhiều rãnh nhỏ và hai bên rãnh cũng được bố trí một cặp cảm biến thu – phát như ở kênh I Tuy nhiên do số rãnh không phải là một nên khác với kênh I, kênh A sau mỗi vòng quay sẽ có N tín hiệu được hình thành, N chính là số rãnh được chia trên đĩa quay Ngoài ra, N còn được gọi là độ phân giải của encoder, số lượng rãnh càng lớn việc điều khiển tốc độ động cơ càng chính xác Tùy thuộc vào loại động cơ mà độ phân giải cũng có sự khác biệt, có loại chỉ có vài rãnh nhưng cũng có loại lên đến hàng nghìn rãnh Do đó, cần xác định chính xác số lượng rãnh

để quá trình điều khiển được thực hiện dễ dàng và chính xác

Trang 34

Ngoài 2 kênh A và I còn có kênh B, kênh này cùng tần số với kênh A nhưng đặt lệch một góc 900

Hình 1.30: Cách xác định chiều quay của encoder

Encoder không những được sử dụng để xác định tốc độ quay của động cơ mà còn có thể được sử dụng để xác định chiều quay bằng cách phối hợp kênh A và kênh B Khi cảm A bị che thì cảm biến B hoàn toàn nằm ở giữa rãnh Trong trường hợp động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu đi từ trái sang phải, lúc tín hiệu

A chuyển từ cao xuống thấp thì tín hiệu B cũng đang ở mức thấp Ngược lại, nếu động cơ đảo chiều (quay ngược chiều kim đồng hồ), tín hiệu đi từ phải sang trái, tại sườn xuống của kênh A, kênh B vẫn đang ở mức cao Như vậy bằng cách phối hợp

2 kênh A và B, chúng ta hoàn toàn có thể xác định được tốc độ và chiều quay của động cơ

Trang 35

1.1.7 Nhận dạng đối tượng

Ta có phương trình sức điện động phần ứng:

Uư(t) = iư(t)Rư + Lư Error! + eư(t) Chuyển sang laplace ta được:

Trang 36

Từ các công thức đã tính ở trên ta xây dựng sơ đồ cấu trúc đối tượng là

động cơ điện một chiều :

Hình 1.31: Sơ đồ cấu trúc của ĐCĐMC

Khi không có tải ta có Mt = 0 Hàm truyền động cơ điện một chiều được

tính như sau :

G(p) = Error! = Error!

Hàm truyền của hệ hở :

C

M t

Trang 37

G(p) = Error!

Suy ra ta được hàm truyền của đối tượng ĐCĐMC là:

G(p) = Error!

Nhận dạng động cơ điện một chiều bằng phương pháp thực nghiệm

Để nhận dạng được đối tượng chúng ta có thể có nhiều phương pháp khác nhau Một trong số những phương pháp đó là dùng toolbox identification của Matlab - Simulink

Sau khi thu thập dữ liệu của động cơ ta thực hiện nhận dạng động cơ sử dụng miền thời gian Time-Domain Data

Hình 1.32: Identification tool

Trang 38

Hình 1.33: Đưa dữ liệu nhận dạng vào hệ thống

Hình 1.34: Quá trình nhận dạng

Trang 39

1.2 Phương pháp điều khiển sử dụng bộ PID

1.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID

PID (A Proportional Integral Derivative Controller) là tên gọi được viết tắt từ

ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển bao gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) PID được đánh giá là một bộ điều khiển hoàn hảo

và được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp Trong quá trình hoạt động, bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào, sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp

Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp

Hình 1.35: Sơ đồ kết nối bộ điều khiển PID và đối tượng

Tính đơn giản về mặt cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc khiến cho PID mặc dù

là một trong những lý thuyết cổ điển nhất nhưng vẫn được ứng dụng một cách rộng rãi cho các hệ thống điều khiển ngày nay Nhiệm vụ chính của bộ PID là đưa các sai lệch e(t) của hệ thống về giá trị 0 sao cho quá trình quá độ của hệ thống thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng như sau:

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò của khuyếch đại kp)

Trang 40

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn tạo tín hiệu điều chỉnh(vai trò của tích phân TI)

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân TD)

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào – ra:

t

I p

t

)(.)

(

1)(

0



Trong đó e(t) được gọi là tín hiệu đầu vào, u(t) được gọi là tín hiệu đầu ra, kp

được gọi là hệ số khuyếch đại, TI là hằng số tích phân, TD là hằng số vi phân Ta có hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID :

P K P

K K P T P T K p

P D

I

 ( 1 1 ) )

Tiêu đề	Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều thích nghi trên cơ sở kết hợp PID và logic mờ
Tác giả	Trần Quang Huy
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Tiềm
Trường học	Trường Đại học Giao thông vận tải
Chuyên ngành	Tự động hóa
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	2,3 MB