TỔNG hợp hệ điện cơ

đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ. tên đề tài :“Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng điều khiển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2 trường hợp”.

Luận văn Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động

cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng điều khiển dòng Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2 trường hợp

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong cácngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện 1chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhàmáy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot ; để thựchiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráptrong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản vàbền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) được dùng phổbiến trong các hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu của điều khiển là nâng caochất lượng các hệ thống điều khiển tự động.Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiềuđối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau

Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệtruyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phíthấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyềnđộng điện và trong các dây chuyền sản xuất

Trong học kì này em đã nhận được đề tài :“Xây dựng bộ điều khiển

tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng điều khiển dòng Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2 trường hợp”.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy

Trần Tiến Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên Mặc dù đã

dành nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, emmong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô

Sinh viên thực hiệnNguyễn Ngọc Giang

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

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 điện một chiều từvài W đến MW Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêucầu momen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng

dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng vàđảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ

1.1.1 Nguyên lí cấu tạo động cơ điện một chiều

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

Stator ( phần cảm ) :gồm các cuộc dây được quấn tập trung trên các cực từ

của rotor Các cực từ của stator được ghép cách điện với các lá thép kỹ thuậtđiện được dập hình sẵn có bề dày từ 0.5 đến 1mm và được gắn trên gông từ làmbằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy

Rotor ( phần ứng ) : gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Lõi thép phần ứng

được ghép từ các là thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau.Dây quấn phầnứng gồm nhiều phần tử được đặt vào cách rãnh trên lõi thép rotor.Các phần tửdây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp.Lõi thépphần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor

Cổ gớp và chổi điện : làm nhiện vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phần

ứng

1.1.2 Phân loại động cơ điện một chiều

Hình 1.1: Mặt cắt ngang trục máy động cơ điện một chiều

Dựa vàohình 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 nguồnriêng biệt so với phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ song song : Dây quấn kích từ được nối songsong với mạch phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp : Dây quấn kích từ được mắc nối tiếpvới mạch phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp : Dây quấn kích từ có hai cuộn dây,dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp

1.1.3 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 đơngiản, dễ chế tạo Dó đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu cóyêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao , phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng,người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều

Có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều cơ bản như:

- Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng

Hình 1.2 : Các loại động cơ điện một chiều

a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lậpb) Động cơ điện một chiều kích từ song songc) Động cơ điện một chiều nối tiếp

d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

e)

- Thay đổi từ thông

- Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc

độ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập Trong phạm vi

đồ án này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độclập

1.2 Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập

+ ω , M, MC là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ

1.2.2 Chế độ xác lập của động cơ 1

chiều

điện áp UK nào đó, thì trong dây quấn kích

máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó lại đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thìtrong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điệnphần ứng và từ thôngmạch kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ có giá trị:

a hệ số kết cấu của máy

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục Các dây quấn phần ứngquét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức từ động :

Rư : điện trở mạch phần ứng của động cơ

Hình 1.4: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

(1.1)

(1.2)

u IR

U k

ω = −

Φ

1.2.3 Chế độ quá độ của động cơ 1 chiều

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phươngtrình mô tả sơ đồ thay thế hình 1 như sau :

Rk: điện trở cuộn dây kích từ

⇒ biến đổi Laplap ta được :

NN _ số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp

Tư = Lư /Rư _ hằng số thời gian mạch phần ứng

- Phương trình chuyển động của hệ thống :

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ mộtchiều như sau :

Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng môhình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

Chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hóa đoạn đăc tính từ hóa và đặtính mômen tải như sau :

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều

Hình 1.6: Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa Tuyến tính hóa đặc tính tải

Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính cơ momen tải tương ứng là :

- Phương trình chuyển động cơ học :

Từ các phương trình trên nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ cácphương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số:

-> phần ứng :

(1.7)

(1.8)

(1.9)

( ) B ( ) O ( )

U p Kω p K ω p 

=Rư.∆I(p).(1+pTư) -> phần kích từ :

∆Uk(p) = Rk.∆Ik(p)(1+pTk)

-> phương trình chuyển động cơ học :

K.Io.∆Φ(p) +K.Φo.∆I(p) - ∆Mc(p) = J.p∆ω(p)

- Trường hợp từ thông kích từ không đổi

Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kíchthích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số :

Ta có các phương trình cho động cơ như sau :

Nhận thấy rằng các quan hệ của động cơ một chiều với từ thông khôngđổi đều tuyến tính hay mô hình động cơ một chiều khi = const là mô hình tuyếntính Từ mô hình này hoặc từ các phương trình mô tả động cơ ta có thể biến đổi

để tìm được các mô hình rút gọn với đầu ra là dòng điện hay tốc độ theo giá trịđầu vào là Uuvà Mc

CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1 Khái quát về bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có 3 thành phần là khâu khuếch đại(P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID phải

Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

nhất thiết lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số chocác chế độ đã chọn Một cách tổng quát, có 3 thuật toán được sử dụng là P, PI vàPID.

Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụngrộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp ( hỉnh2.2 ) Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trìnhquá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng :

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần , tín hiệu điềuchỉnh u(t) càng lớn

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần

( )

I

u t

, PID vẫn còntạo tín hiệu điều chỉnh

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần

( )

D

u t

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

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

0

1 ( )

Hình 2.1: Cấu trúc bộ điều khiển PID

Hình 2.2: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

(2.1)

Trong đó : e(t) : tín hiệu đầu vào

u(t) : tín hiệu đầu ra

p k

2.2 Giới thiệu cấu trúc điều khiển

- Cấu trúc điều khiển tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng

Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyềnđộng điện, tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điềuchỉnh dòng điện, Rω là bộ điều chỉnh tốc độ Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnhriêng, được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các chuẩn riêng

(2.2)

-Đo I

2.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện

2.3.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng

Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thìmạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng cơ bản củamạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều làtrực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn cóchức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc v.v

Một phương án đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện là dùng bộ điều chỉnhtốc độ hoặc điện áp R có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điệnphi tuyến R Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến để ra vùng kémnhạy thì bộ điều chỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ ( hay điện áp ) màkhông có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện Khi dòng điện đủ lớn, khâu

P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng hạn chế dòngcủa bộ điều chỉnh R

Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyềnđộng điện tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điều chỉnh

T p

+-

1

bd bd

Đối với động cơ 1 chiều bộ điều khiển dòng có thể được tổng hợp theo 2cách :

+ Tổng hợp bộ điều khiển RI khi bỏ qua sức điện động phần ứng

+ Tổng hợp bộ điều khiển RI khi có tính đến sức điện động phần ứng

Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so vớiquán tính phần điện nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xem sự thay đổi của dòngđiện lớn hơn nhiều lần so với sự thay đỏi của tốc độ và tại những điểm đó xemnhư tốc độ không đổi

Khi cần điều khiển chính xác thì cần tính đến sức điện động của động cơ

2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển dòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động

Để tổng hợp bộ RI ta đưa về mô hình dạng chuẩn :

Hình 2.5: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện

Hình 2.6: Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện

bd cl I

k k S

2.4.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng :

Cấu trúc này khi triển khai cho động cơ 1 chiều có mô hình như sau:

Khi tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta sẽ đượchàm truyền của mạch vòng như sau :

(2.7)

Hình 2.8: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng

1 2

bd SI

SI

k F

T p

≈ +

Khi đó sơ đồ điều khiển có thể rút gọn lại :

Như vậy đối tượng cho bộ điều khiển tốc độ có thể tính được :

ft bd

k k

 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 khâu P

Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có

1 2 (1 )

2Tω = 2T SI +T ft

ft S

J k R

ω ω

Như vậy đối tượng cho bộ điều khiển tốc độ có thể tính được

1

ft ft

k

T p

+

 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 khâu P

Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có

1 2 (1 )

1

ft ft ft

J R

ω ω

ft ft

p k

MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK

3.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển tốc độ

 Cho tham số của động cơ như sau:

- Mô men quán tính : J= 0.012 [kg.m2]

 Tính toán các giá trị của bộ điều khiển

K p

T p

=+

trong đó :

220 22

10 10

udm cl

K p

T p

= +

K p

: là hệ số khuếch đại của biến dòng

là hệ số khuếch đại của máy phát tốc

Tbd = 0.001 là hằng số thời gian của cảm biến dòng.

Ta có :

0.0972

0.0185.340

u u

u

L T

bd cl

SI u

T

K

K K

T R

3.2 Mô phỏng trên Simulink và kết quả mô phỏng

3.2.1 Mô phỏng động cơ điện 1 chiều

- Sơ đồ mô phỏng:

XY Graph Sum 1

Step

Mc 0

Cu1 0.63

Cu

0.63

1/Jp

1 0.012 s (1/Ru)/(1+Tup )

0.18 0.018 s+1

Với giá trị của U nhảy từ 50 lên 100 vào giây thứ 10

Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng động cơ điện một chiều

- Kết quả mô phỏng

Khi Mc = 0

Khi Mc = 2

Hình 3.2: Cài đặt thông số cho Step

Hình 3.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi Mc = 0

Nhận xét :Đặc tính cơ của động cơ khi mô phỏng giống như lý thuyết.

3.2.2 Mô phỏng mạch vòng dòng điện

- Sơ đồ mô phỏng

Bien dong

BBD Ri

0.55

1 0.001 s+1

0.018 s+1 0.018 s

22 0.002 s+1 1

0.001 s+1

0.18 0.018 s+1 Mach vong dong dienIsp

5

- Kết quả mô phỏng

Hình 3.4: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi Mc = 2

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện

Nhận xét : Dòng điện đầu ra bám sát vào giá trị đặt => BĐK hoạt động tốt

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng dòng điện khi Mc = 0

Hình 3.9: Kết quả mô phỏng tốc độ khi Mc = 0

Nhận xét :

Dựa vào kết quả mô phỏng ta thấy độ quá điều chỉnh khoảng 0,3sp còn thờigian quá độ cỡ 0,23s 2 thống số này khá nhỏ ( sai lệch cỡ 3% ) => BĐK tốt.Cókhả năng cung cấp tốc độ đầu ra với yêu cầu chất lượng cao, phù hợp với mọimục đích sử dụng

• Khi Mc = 2

Hình 3.10: Kết quả mô phỏng dòng điện khi Mc = 2

Hình 3.11: Kết quả mô phỏng tốc độ khi Mc = 2

Nhận xét :

Khi có momen cản, động cơ phải mất 1 khoảng thời gian nhất định để cóthể thắng được lực cản của momen, lúc đó dòng khởi động là khá lớn Sau 1khoảng thời gian thì tốc độ động cơ bắt đầu tăng và đạt đến 1 giá trị và ổn định

 Khi không có mạch vòng dòng điện :

10

mach vong toc do

Rw 2.38

1 0.004 s+1

Mc 0

0.63

1/Jp

1 0.012 s

Khi so sánh với trường hợp có sử dụng mạch vòng dòng điện ta thấy 2 trườnghợp gần tương đương nhau nhưng khi không sử dụng mạch vòng dòng điện tathấy đáp ứng nhanh hơn Vì thế mà trong nhưng trường hợp cấu trúc nhỏ và yêucầu chất lượng không cao thì chúng ta vẫn có thể sử dụng theo cấu trúc này Tuynhiên, cấu trúc này thường ít được áp dụng so với cấu trúc 2 mạch vòng phâncấp vì trong thực tế hầu hết đều đòi hỏi yêu cầu chất lương cao.

• Khi Mc = 2

Hình 3.13: Kết quả mô phỏng tốc độ khi Mc = 2

KẾT LUẬN

Mục tiêu của các hệ thống điều khiển hiện này là nâng cao chất lượng các

hệ thống điều khiển tự động.Trên thực tế có rất nhiều đối tượng cần điều khiển,các đối tượng này thông thường không có đủ các tham số cần thiết, chính vì vậyviệc thiết kế các bộ điều khiển dựa trên lý thuyết điều khiển kinh điển gặp rấtnhiều khó khăn Chính vì các lý do này đòi hỏi chúng ta cần phải ứng dụng các

lý thuyết điều khiển hiện đại vào trong thực tế

Với kết quả mô phỏng như ở trên ta thấy rằng nó hoàn toàn phù hợp với kếtquả nghiên cứu lý thuyết, điều này chứng tỏ rằng việc thuật toán và cách thứcxây dựng bộ điều khiển tốc độ là hoàn toàn đúng đắn.Sai lệch tĩnh, độ quá điềuchỉnh, thời gian quá độ đều tốt, nhất là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độnhỏ

Tài liệu tham khảo :

1 Bài giảng Tổng hợp hệ điện cơ – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

2 Luận văn Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi điều khiển tốc độ động cơ

điện 1 chiều có momen quán tính thay đổi – Tác giả Nguyễn Thị Mỹ Dung