Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập không sử dụng cảm biến tốc độ

Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy… 1.1.2.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dâyquấn ph

LỜI NÓI ĐẦU Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứu

khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sátcác đối tượng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà không nhất thiết phải có đốitượng hay hệ thống thực Được trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết vềcác phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thời gian vàgiảm chi phí nghiên cứu - phát triển sản phẩm một cách đáng kể Điều này đặc biệt

có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh

tế lớn

Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn được sử dụng khá rộng dãi bởi nhữngtính năng ưu việt mà nó mang lại như : không cần nguồn xoay chiều , thực hiệnviệc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng v.v…Chính vì những lí do đó mà

em chọn động cơ một chiều là đối tượng để mô phỏng trong bài làm của mình

Vì các điều kiện công nghệ nhất định, hay cũng có thể vì lý do muốn giảmchi phí thiết bị, ta có ý định tiết kiệm khâu đo tốc độ quay nhưng lại vẫn muốn điềuchỉnh tốc độ quay của động cơ một chiều.Chính vì thế các khâu quan sát tốc độ có

vai trò hết sức quan trọng và được em tìm hiểu và mô phỏng trong để tài của em: “

Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập không sử dụng cảm biến tốc độ”

Chương 1:KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3

1.1 Khái quát động cơ điện một chiều 3

1.1.1Cấu tạo chung của động cơ một chiều 3

1.1.2.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 5

1.1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều: 5

1.1.4 Phân loại động cơ điện một chiều: 6

1.1.5 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều trong các trạng thái hãm: 6

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 12

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN 15

2.1 Xây dựng khâu quan sát trạng thái của động cơ điện một chiều 15

2.2 Bộ quan sát Luenberger 17

2.3 Tổng hợp mạch vòng của động cơ một chiều với khâu quan sát trạng thái 21

2.3.1.Động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const 21

2.3.2.Mạch vòng của động cơ một chiều với khâu quan sát trạng thái 21

2.4 Tính toán bộ quan sát L 22

CHƯƠNG 3:MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN 25

3.1 Mô phỏng trên simulink 25

3.2 Kết quả mô phỏng 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

Chương 1:KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Khái quát động cơ điện một chiều

1.1.1 Cấu tạo chung của động cơ một chiều:

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giốngnhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) vàphần ứng (phần quay)

*Phần cảm (stator):

Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là

vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy trongdây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau.Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông Ngoài ra máy điện một chiều còn cónắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than

Hình 1.1 Cực từ chính

* Phần ứng (rotor):

Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôto, gồm lõi thép, dây quấnphần ứng, cổ góp và trục máy

a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

1 Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủsơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh để đặt dâyquấn phần ứng (hình 1.2)

2 Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rãnhcủa phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là một bốidây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của vành góp(hình 1.3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ kháctên (hình 1.3b)

3 Cổ góp (vành góp) hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hìnhđuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện vớitrục máy

Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…

1.1.2.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dâyquấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từtrường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto,làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình1.4a)

Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổithành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tácdụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảmbảo động cơ có chiều quay không đổi

1.1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều:

Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện mộtchiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định.Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là nhữngđại lượng định mức

1 Công suất định mức Pđm (kW hay W)

2 Điện áp định mức Uđm (V)

3 Dòng điện định mức Iđm (A)

4 Tốc độ định mức nđm (vòng/ph)

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…

Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện Đối với máy

phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ đó làcông suất đưa ra trên đầu trục động cơ

1.1.4 Phân loại động cơ điện một chiều:

Dựa theo cuộn kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau:

- Động cơ một chiều kích từ độc lập

- Động cơ một chiều kích từ song song

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.5 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều trong các trạng thái hãm:

1.Đặc tính cơ của động cơ điên một chiều :

Hình 1.5 Đặc tính cơ của động cơ điên một chiềua) Trạng thái hãm tái sinh:

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lýtưởng Khi hãm tái sinh EU > UU, động cơ làm việc như một máy phát điện songsong với lưới So với chế độ động cơ, dòng điện và mô men hãm đổi chiều và đượcxác định theo biểu thức :

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được đưa trả

về lưới điện có giá trị P=(E-U).I

R

E U

R R

Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích.

b) Trạng thái hãm ngược :

Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của độngnăng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mo men thế năng quayngược chiều với mo men điện từ của động cơ mô men sinh ra bởi động cơ, khi đóchống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất

Có hai trường hợp hãm ngược :

+) Trường hợp 1 : Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng

Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a Ta đưamột điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ởđiểm b trên dặc tính biến trở

Tải điểm b do mômen của động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ giảmtốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên Đến điểm c, tốc độ bằng 0 nhưng vìmômen của động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dưới tác động của tải trọng, động cơquay theo chiều ngược lại Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần Đến điểm

d mômen của động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạkhông đổi ođ, cd là đoạn đặc tính hãm ngược, khi hãm ngược vì tốc độ đổi chiều,sức điện động đổi dấu nên:

f u f

u

u u

K U R

Hình 1.7 Đặc tính cơ ở trạng thái hãm ngược TH1 Như vậy ở đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áplưới Động cơ làm việc như một máy phát nối tiêp với lưới điện biến năng nhận từlưới và cơ năng trên trục thàn nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phầnứng vì vậy gây tổn thất năng lượng lớn.

Vì sơ đồ đấu dây của động cơ không thay đổi, nên phương trình đặc tính cơ làphương trình đặc tính biến trở

+) Trường hợp 2 : Đảo chiều điện áp phần ứng

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải MC, tađổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điện trở phụ vào mạch Động cơ chuyểnsang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở Tại b mômen đổi chiều chống lạichiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc Tại c tốc độ bằng không,nếu ta cắt điện áp phần ứng khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếuvẫn giữ điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen động cơ lớn hơnmômen cản MC thì động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d.Đoạn

bc là đặc tính hãm ngược và dòng điện hãm ngược được tính :

Dòng điện Ih có chiều ngược với chiều làm việc ban đầu và dòng điện hãm này

có thể khá lớn ; do đó điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ lớn hạn chế dòng điệnhãm ban đầu Ihđ trong phạm vi cho phép :

f u

u u f

u

u u h

R R

E U R

R

E U I

- Hãm động năng kích từ độc lập :

Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt phầnứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đống vào một điện trở hãm, còn mạchkích từ vẫn nối với nguồn như cũ

Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị hđ nên :

R R

hd f

u

hd hd

R R

K R

R

E I

Từ hai biểu thức trên chứng tỏ dòng Ihd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu củađộng cơ khi hãm động năng Uu = 0 nên ta có các phương trình đặc tính sau:

Hình 1.9 Đặc tính cơ ở trạng thái hãm động năng KTĐL Đây là các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng kích

Phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng :

u f u

I K

R R



M K

- Hãm động năng tự kích :

Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì khôngthực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn Muốn khắc phụcđược nhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tựkích từ

Hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cảcuộn kích từ khỏi lưới điện đẻ đóng vào một điện trở hãm, chú ý chiều dòng điệnkích từ vẫn phải giữ không đổi

h kt u

h kt

h kt u

u

R R

R R R

K

R R

R R R

E I



u h kt

h kt u

K

R R

R R R

1= đm 2 3

M

(3) Rf2 > Rf1 (2) Rf1 > 0

So với phương pháp hãm ngược, hãm động năng có hiệu quả kém hơn khichúng có cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản Mc Tuy nhiên hãm động năng

ưu việt hơn về mặt năng lượng dặc biệt là hãm động ănng tự kích vì không tiêu thụnăng lượng từ lưới nên phương pháp hãm này có khả năng hãm khi có sự cố mấtđiện lưới

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

1.Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng.Giả thiết U = Uđm = const Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng, bằngcách mắc thêm một điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng và thay đổi giá trị điện trở

Rf thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo Vậy phương trình đặc tính cơ lúc này sẽ là :

ω= U

K φñm−

R ö+R f

(K φñm)2 M

Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở Rf thì tốc độ sẽ thay đổi theo

- Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc Rf vào mạch điện phầnứng như sau :

R R

R R R

h kt

h kt u

) (

Mmax1 Mmax2

02 01

2.Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ

Giả thiết U = Uđm = const và Rư = const Muốn thay đổi từ thông thì ta phải

thay đổi dòng điện kích từ Ikt Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:

Đường (1) là đường ứng với khi 1 = đm ;

Đường (2) là đường ứng với khi 2 < 1 = đm

Theo đường đặc tính cơ ta có :

U1 U2 U3

o o1 o2

Giả thiết  = đm = const, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì ta có tốc

độ không tải lí tưởng cũng thay đổi theo Do cấu trúc cuộn dây phần ứng chỉ chịuđược điện áp Uđm nên thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm điện ápphần ứng

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG

DÙNG CẢM BIẾN 2.1 Xây dựng khâu quan sát trạng thái của động cơ điện một chiều

Vì các điều kiện công nghệ nhất định hay cũng có thể vì lí do muốn giảm chiphí thiết bị ta có ý định tiết kiệm khâu đo tốc độ quay nhưng lại vẫn muốn điềuchỉnh tốc độ quay của ĐCMC Đại lượng ra duy nhất có thể đo chỉ còn là dòngphần ứng IA.Vậy ta phải thiết kế một khâu quan sát phục vụ mục đích tính (chứkhông đo) tốc độ quay

Khâu quan sát cho phép tính véctơ biến trạng thái từ các giá trị đo được ở đầu ra

Mô hình trạng thái của động cơ một chiều

Mô hình trạng thái của động cơ một chiều không những mô tả được quan hệ

vào – ra của hệ mà còn mô tả được các quá trình động học xảy ra bên trong hệthống, như vậy các đặc tính, tính chất của hệ thống sẽ được phân tích kĩ càng hơn

so với hàm truyền

Để đưa ra mô hình trạng, ngoài tín hiệu vào – ra thì chúng ta cần phải xác địnhcác tín hiệu khác có mặt bên trong hệ thống mà nói lên bản chất động học của hệ,những tín hiệu này gọi là các biến trạng thái của hệ

Động cơ một chiều không chỉ có tín hiệu vào là điện áp phần ứng và tín hiệu ra

là tốc độ của động cơ, mà còn có tín hiệu khác nói lên tính chất động học của động

cơ như dòng điện phần ứng, từ thông, momen của động cơ Muốn khảo sát thìchúng ta phải khảo sát trọn vẹn những tín hiệu trên

Mô hình mô tả hệ thống sẽ bao gồm một hệ phương trình có dạng như sau:

Khâu quan sát kinh điển sử dụng một mô hình tương đương với đối tượng và một

ma trận L phản hồi sai lệch giữa đầu ra thật và đầu ra của mô hình.Có nhiệm vụhiệu chỉnh đặc tính mô hình cho phù hợp với đặc tính của đối tượng

Xét đối tượng ĐCMC với mô hình trạng thái :

{ x0= A.x+Bu ¿ ¿¿¿ A :là ma trận hệ thống

B: ma trận điều khiển

C,D :là các ma trận đầu ra

u;là tín hiệu vào

Hình 2.1 Mô hình trạng thái

Khi có khâu quan trạng thái Luenberger

C D

L

Hình 2.2 Quan sát vector biến trạng thái( dạng mô hình)Phương trình trạng thái của khâu quan sát:

Nếu để ý thêm rằng giá trị riêng của ma trận bất biến với phép chuyển vị thì côngviệc xác định L sao cho A-LC có được những giá trị riêng chọn trước cũng đồngnghĩa với việc tìm LT để:

(A-LC)T = AT - CTLT

nhận các giá trị cho trứơc s1,s2, ….sn làm giá trị riêng và đó cũng là bài toán thiết kế

bộ điều khiển cho trước điểm cực.Nói cách khác bài toán thiết kế bộ quan sát

trạng thái Luenberger chính là bài toán thiết kế bộ điều khiển cho trước điểm cực ứng với hệ đối ngẫu của đối tượng đã cho

x

Hình 2.3 Bộ quan sát trạng thái của Luenberger( dạng toán học

Điều kiện để áp dụng phương pháp thiết kế cho trước điểm cực là đối tượng

phải điều khiển được thì nay thông qua hệ đối ngẫu đựơc chuyển thành thì điềukiện đối tượng phải quan sát được thì thì mới tồn tại bộ quan sát

Một số điều chú ý là bộ quan sát thường được sủ dụng kèm với bộ điều khiển phản

hồi trạng thái.Nói cách khác trạng thái x

¿(t) tìm đuợc sẽ là tín hiệu vào của bộ

điều khiển.Bởi vậy thời gian xác định trạng thái xấp xỉ x

¿(t) của đối tượng khôngthể chậm hơn thời gian thay đổi trạng thái x(t) của bản thân đối tượng.Từ đây suy

ra điều kiện tiên quyết để chọn những giá trị s1,s2…sn là chúng không những nằmbên trái các điểm cực của đối tượng(giá trị riêng của ma trận A) mà còn phải nằmbên trái các điểm cực của hệ kín.(Giá trị riêng của A-BR)

dx

dt =Ax+Bu y=Cx+ Du

d x

dt =A x+Bu+L( y−C x−Du)