Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ một chiều với điều khiển vị trí tối ưu thời gian

Để đáp ứng được yêu cầu thực tếcác hệ truyền động điện có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngàycàng cao đã ra đời.Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với vi

M c l c ục lục ục lục

Lời nói đầu 1

Chương1: Tổng quan về động cơ một chiều và vấn đề áp dụng điều khiển tối ưu thời gian để điều khiển vị trí cho động cơ 1chiều 2

1.1.Cấu tạo chung của động cơ 1 chiều kích từ độc lập 2

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 4

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 5

1.3 Các nguyên tắc cơ bản khi xây dựng hệ điều khiển vị trí 10

Chương 2: Tổng hợp các bộ điều khiển 12

2.1.Xây dựng mô hình toán động cơ một chiều kích từ độc lập 12

2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển 17

2.3 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 19

2.4.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 21

2.5.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí 24

Chương 3: Mô phỏng trên Matlab và Simulink 27

3.1.Tính toán thông số 27

3.2 Kết quả mô phỏng 30

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, truyền động điện cóvai 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 tếcác hệ truyền động điện có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngàycàng 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: “Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động

cơ một chiều với điều khiển vị trí tối ưu thời gian”.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Tâm Thành, cùng các thầy cô giáokhoa Điện - Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốtthời gian 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 giáogóp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương1: Tổng quan về động cơ một chiều và vấn đề áp dụng điều khiển tối ưu thời gian để điều khiển vị trí cho động cơ 1chiều.

1.1.Cấu tạo chung của động cơ 1 chiều kích từ độc lập.

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập bao gồm 2 phần chính: phần

tĩnh và phần động

1.Phần tĩnh (Stato)

Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:

a, Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dâyquấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng lá những lá thép

kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1 mm ép lại và tán chặt Trong động

cơ điện công suất nhỏ có thể dung thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máynhờ các bu lông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng cách điện trước khiđặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nốitiếp với nhau

Hình 1.1 Cực từ chính

b, Cực từ phụ: cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cảithiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ được làm bằng thép khối và trên thancực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từphụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông

c, Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm

vỏ máy Trong động cơ điện vừa và nhỏ thường dùng thép dày uốn và hàn lại.Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc

d, Các bộ phận khác:

-Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dâyquấn và an toàn cho người vận hành Trong máy điện công suất nhỏ và vừa nắpmáy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi

2 Phần quay (Rôto)

Hình 1.2: Lá thép rôto Hình 1.3: Dây quấn phần ứng

Bao gồm những bộ phận chính sau:

a, Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kỹthuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt lại để giẩm tổnhao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi

ép lại thì đặt dây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thonggió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo thành những lỗ thông gió dọc trục

b Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điệnchạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng bọc cách điện Trongmáy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện tròn.Trong máy điện vừa và lớn thường có dây tiết diện chữ nhật Dây quấn đượccách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

c Các bộ phận khác

-Cánh quạt: dùng để làm nguội máy Máy điện một chiều thường chế tạotheo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục

máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vànhgóp, cực từ lõi sắt và dây quấn qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.

-Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máythường làm thép cacbon tốt

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, trongdây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằmtrong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụnglên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn taytrái (hình 1.4a)

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(hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiềubiến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiềulực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhấtđịnh, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

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 quyđịnh Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi lànhững đại 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 vớimáy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ

đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.

Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điên một chiều có những tính năngkhác nhau biểu diễn bằng các đặc tính làm việc, đặc tính khác nhau Trong cácđặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ Đặc tính cơ dùng để xác định điểmlàm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ thống truyềnđộng điện

Đặc tính cơ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa tốc độ với mômen

 = f(M).Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiềukích từ độc lập

Phương trình đặc tính cơ

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộncảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngượcvới điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Phương trình đặc tính cơ ở mạch phần ứng động cơ:

U = E + I ( R + Rf )

Hình 1.5: Sơ đồ khối của động cơ 1 chiều kích từ độc lập

+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

+ a: số đôi mạch nhánh song song

M M®m

®m o

Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên

Tốc độ ɷ0 = Uư /k.Φ là tốc đọ không tải lý tưởng

Khi phụ tải tăng dần từ Mc = 0 đến Mc= Mđm thì tốc độ động cơ giảm

dần từ ɷ0 xuống ɷđm nên phương trình đặc tính cơ có dạng:

R ­

(kΦ.Φ)2M

Hình 1.6: Đặc tính cơ tự nhiênKhi ɷ = 0 ta có

nm f

Δɷ = ɷ được gọi là độ sụt tốc độ tương ứng với giá trị của M

1.3 Các nguyên tắc cơ bản khi xây dựng hệ điều khiển vị trí

Ngày nay, các hệ điều khiển vị trí đặc biệt là các hệ điều khiển các Robotcông suất lớn, hệ truyền động điện một chiều kiểu T- Đ đang ngày càng đượcứng dụng rộng rãi vì nó đảm bảo tốt các tiêu chí tĩnh và động của hệ thống, dễdàng thực hiện các truyền động có công suất lớn và tính bền vững cao Tùythuộc vào cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải rộng từ vài chục Wđến hang trăm kW

Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt φw) có ý nghĩaquan trọng quyết định cấu trúc điều khiển của hệ.Thông thường lượng điềukhiển φw là một hàm của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tínhhoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol và hàm điều hòa.

Tùy thuộc vào lượng điều khiển vị trí chuyển dịch trong các chỉ tiêu chấtlượng chung người ta quan tâm nhiều đến tốc độ tác động nhanh của hệ Điềunày có lien quan đến giản đồ tối ưu về tốc độ ɷ(t), gia tốc ε(t),và vị trí φ(t) Đểxây dựng hê điều khiển người ta dựa trên qui luật tối ưu tác động nhanh truyềnđộng điện bằng việc nghiên cứu quĩ đạo pha chuyển động

Cấu trúc chung của hệ điều khiển vị trí gồm 3 mạch vòng từ trong rangoài là: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mạch vòng vị trí như trên

hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí sử dụng hệ

chấp hành T- ĐTrong đó:

RI: Bộ điều khiển dòng điện.

2.1.Xây dựng mô hình toán động cơ một chiều kích từ độc lập

Cho đến nay động cơ một chiều vẫn còn dùng phổ biến trong hệ thốngtruyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài Wđến hàng MW Sơ đồ mạch thay thế động cơ mộy chiều kích từ độc lập được

đưa ra như trên hình 1.2

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập

Phần ứng được biểu diễn bởi một vòng tròn bên trong có sức điện động E,

ở phần Stato có thể có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập KTĐ, dâyquấn kích từ nối tiếp KTN, dây quấn cực từ phụ CF, dây quấn cực bù CB Hệthống các phương trình mô tả động cơ một chiều (Đ) thường là phi tuyến, trong

đó có các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U,

điện áp kích thích Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ của động cơ ɷ, mômen quay

M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của roto φ.Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làm việc truyền động điện

Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều, khi ta đặt lên dây quấn kích

từ điện áp Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch

từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó đặt một điện áp U lên mạch phần ứng sẽ

có dòng điện chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từtạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

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

K = p.N/ 2π.a : Hệ số kết cấu máy

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

, N

2 πa a φ ϖ=kΦ φ ϖ (1−2)

Trong đó ɷ là tốc độ góc của roto

Trong chế độ xác lập có thể tính được tốc độ qua phương trình

Nếu các thông số của động cơ không đổi thì ta có thể viết được

các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 2.2 như hình 2.3 như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa

Mạch kích từ có hai biến: dòng điện kích từ ik và từ thông máy Φ là phụthuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt:

Phương trình chuyển động cơ học:

Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viếtđược các phương trình của gia số:

ΔUU ( p)−[K ω B ΔΦ( p )+K Φ0 ΔUω( p )]=R u ΔUI ( p )(1+ p T u) ( 1−8 )

ΔUU kΦ(p )=R kΦ ΔUI kΦ(p ).(1+ p T kΦ) (1−9)

K I0 ΔΦ( p )+K Φ0ΔUI ( p )−M C=J p ΔUω( p ) (1−10 )

Hình 2.3 trình bày sơ đồ cấu trúc đã được tuyến tính hóa theo các phương trình từ (1-8) đến (1-10) của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 2.3: Mô hình tuyến tính hóa động cơ một chiều

Đặt Cu = K.Φ = const ta có mô hình tuyến tính như hình 2.3 Dùng khâu

khuếch đại KΦ thay cho khối nhân phi tuyến, ta có

Cu 2 là hằng số thời gian điện cơ, ta có mô hình dòng điện của

động cơ một chiều như trên hình 2.4

2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển.

Trong hệ điều chỉnh vị trí có ba mạch vòng: mạch vòng dòng điện, mạchvòng tốc độ, mạch vòng vị trí Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảochiều được

Hình 1.7 là sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ một chiều

Quan hệ giữa ɷ và φ: ϕ=ϕ0+∫

o t

ω dt ( 1−15 )

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí

2.3 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện

Mạch vòng điều khiển dòng điện có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điệnkhi điều khiển động cơ điện một chiều, nó cũng làm hạn chế dòng của động cơkhông vượt quá ngưỡng cho phép Mặt khác, nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiếtlập dòng phần ứng bằng giá trị đặt trước sự tác động của nhiễu

Hình 2.6: Cấu trúc mạch vòng dòng điện.

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

- Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng

- Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi tính đến suất điện động phần ứng.Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so vớiquán tính điện, nghĩa là tại một thời điểm có thể xem sự thay đổi về dòng điệnlớn hơn nhiều lần so với sự thay đổi của tốc độ và tại những điểm đó xem nhưtốc độ không đổi Khi cần chính xác ta phải tính đến suất điện động của động cơ

Ta tổng hợp bộ điều khiển dòng RI khi bỏ qua suất điện động phần ứng:

Hình 2.7: Mô hình bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng

Khi đó đối tượng điều khiển dòng SI được tính như sau:

S  p  p



Trong mô hình đối tượng SI có các hằng số thời gian TBD, TV, TI là nhữnghằng số thời gian nhỏ, chỉ có Tu là hằng số thời gian lớn nên trước hết ta đơngiản mô hình đối tượng SI về dạng:

.(1 )(1 )

I

I BD I

K K S

I

I

I BD u

T p T p R

I

u I

S u

T p R

K K

T p R

Theo tiêu chuẩn này thì hàm truyền kín của mạch vòng dòng có dạng:

2 2

.1

Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ R:

Hình 2.8:Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn moduletối ưu:

1 2

I

I I

S

K F

T p





Khi đó sơ đồ điều khiển cho mạch vòng tốc độ có thể rút gọn lại:

Hình 2.9: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn

Hàm truyền của khâu đo tốc độ có dạng: 1

K K

u

K C S

Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí:

1.2 .(1 )

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều

kích từ độc lập.

Chương 3: Mô phỏng trên Matlab và Simulink

- Từ thông:

220 132.0,0966

1,3157,1

dm dm u u

u u u

( )

1 1 0,066 1 0,066

u D

dm bd

dat

U k

U

22( )

(1 )(1 ) (1 0,003 )(1 0, 0015 )

bd BBD

dat I

I BD S u

R T R

0,064157,1

100( )0,35

L

rad R

10

0,1100

k i

1 1 0, 002

I I

Từ các thông số đã tính toán được, ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí

và kết quả mô phỏng với các nhiễu tải khác nhau trên Simulink:

Kết quả mô phỏng động cơ :

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc mô phỏng động cơ

Hình 3.2 : Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng với các nhiễu tải khác nhau:

 Với M C = 0

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng vị trí với M c = 0

 Với M C = 80

o Dòng điện:

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng dòng điện với M c = 80

o Tốc độ:

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng tốc độ với M c = 80

o Vị trí:

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng vị trí với M c = 80

 Với M C = 172

Hình 32: Kết quả mô phỏng vị trí với M c = 172

Nhận xét:

Với cùng một vị trí, kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí cho động

cơ một chiều kích từ độc lập với các nhiễu tải khác nhau là tương đối tốt Kếtquả mô phỏng với các nhiễu tải MC = 0, MC = 80, MC = 172 cho thấy có sự thayđổi về dòng điện, nhưng không có sự thay đổi lớn về tốc độ và vị trí

Kết luận

Sau quá trình học tập và nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầyPhạm Tâm Thành em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao trong bản đồ án :

Các nhiệm vụ đó là:

- Xây dựng mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập

- Xây dựng mô hình điều khiển truyền động động cơ

Em xin chân thành cảm ơn!