Điều khiển số tốc độ, vị trí động cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển

Một số ứng dụng quan trọng của động cơ một chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền, .v.v… Truyền động điện tốc độ chiếm phần lớn các ứng

më ®Çu

1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều khiển vận hành hiệu quả các thiết bị nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như mọi chi phí cho việc trùng tu bảo dưỡng thiết bị sản xuất giữ một vị trí quan trọng

Điều khiển máy điện là một lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết bị, khí cụ và sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động như mômen, tốc độ hay điều khiển vị trí tuỳ theo các yêu cầu phát sinh của mỗi loại hình sản xuất

Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp Một số ứng dụng quan trọng của động cơ một chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền, v.v…

Truyền động điện tốc độ chiếm phần lớn các ứng dụng của điều khiển đại lượng chuyển động Trong các loại điều khiển như vậy thường gồm có các động cơ chấp hành, các bộ biến đổi điện tử công suất và các hệ thống điều khiển số Đương nhiên phải có các bộ lọc

nguồn đầu vào đạt tiêu chuẩn lọc nhiễu điện từ

Để thay đổi tốc độ, các động cơ xoay chiều đòi hỏi phải thay đổi biên độ điện áp và tần số trong khi động cơ một chiều thì chỉ cần thay đổi mỗi điện áp một chiều thì bộ chuyển mạch cơ khí của động cơ một chiều làm thay đổi tần số theo Các động cơ xoay chiều hầu hết không có chổi than, chi phí ban đầu và chi phí bảo dưỡng thấp hơn của động cơ một chiều Tùy vào các ứng dụng mà việc chọn lựa loại động cơ nào được sử dụng phụ thuộc vào khách hàng

Trong phạm vi luận văn này, em xin trình bày vấn đề về điều khiển tốc độ và vị trí động cơ một chiều dùng họ vi điều khiển 8051 bằng phương pháp điều biến độ rộng xung

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Xây dựng hệ thống điều khiển số tốc độ, vị trí động

cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển MCS-51

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu lý thuyết về cấu tạo, các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều

Tìm hiểu các bộ điều khiển số PID

Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của vi điều khiển MCS-51

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Lý thuyết về động cơ điện một chiều

Lý thuyết về điều khiển lập trình vi điều khiển

Xây dựng phần cứng, phần mềm điều khiển động cơ

DC

Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Matlab Simulink Thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển số động cơ DC sử dụng

5 CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều

Chương 2: Điều khiển số động cơ một chiều

Chương 3: Giới thiệu về họ vi điều khiển MCS-51

Chương 4: Thiết kế và thi công mạch điều khiển tốc độ, vị trí động cơ điện một chiều

Kết luận và hướng phát triển

Tài liệu tham khảo

Ch−¬ng I Tỉng quan vỊ M¸Y ®iƯn mét chiỊu

1.1 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

Cấu tạo của các bộ phận trong của động cơ điện một chiều được mô tả trong các hình vẽ:

1.1.1 SƠ ĐỒ NỐI DÂY CỦA MỘT MÁY PHÁT KÍCH TỪ SONG

SONG

1.1.2 MẠCH TỪ CỦA MÁY ĐIỆN HAI CỰC

1.1.3 CUỘN DÂY KÍCH TỪ TRÊN MỘT CỰC TỪ

Hình 1.1

Lõi từ Cuộn kích

tư Gông (ách) Răng

Lõi cực

Hình 1.3

1.1.5 CẤU TRÚC CỔ GÓP

1.1.6 MẠCH ĐIỆN PHẦN ỨNG

ứng Các phiến góp bằng đồng Hình 1.5

Chổi than

Phiến

Hình 1.6

1.1.7 CẤU TRÚC CHỔI THAN

Máy điện một chiều về cơ bản có hai phần mạch điện: mạch kích từ và mạch phần ứng Phần kích từ nằm

ở phần tĩnh hay stator của máy điện bao gồm các cuộn dây quấn quanh các cực từ của stator Các cực từ này hướng vào trong stator như trên hình 1.1

Số cực từ là một số chẵn và chúng sắp sếp xen kẽ theo cực tính nam - bắc Cuộn kích từ, dòng điện cũng như thông lượng của các cực từ là như nhau Các cuộn dây kích từ được nối nối tiếp Dòng điện cấp cho cuộn kích từ nhằm từ hóa các cực từ và tạo ra từ thông trong khe hở không khí giữa stator và rotor của động cơ Mạch kích từ không phải là mạch tiêu thụ công suất nguồn chính trong máy điện

Mạch phần ứng tiêu thụ công suất nguồn chính và nằm trên rotor Các cuộn dây của phần ứng đặt trong các rãnh phân bố trên chu vi bề mặt của rotor (hình 1.4) Độ rộng một cuộn dây gọi là bước cuộn dây, bằng bề rộng

Điều chỉnh

độ căng lò

xo

Đuôi samLò xo cố định chổi than

Chổi than

Bộ gá

Chổi than

Hình 1.7

vùng dưới một cực từ, được gọi là bước cực Do đó nếu một cạnh tác dụng của cuộn dây đang nằm dưới một cực bắc thì cạnh còn lại sẽ nằm dưới cực nam kế bên Các cuộn dây trên mạch phần ứng nối nhau thành mạch kín, kết thúc của cuộn này sẽ là bắt đầu của cuộn tiếp đó và kết thúc của cuộn dây cuối cùng sẽ nối vòng đến điểm bắt đầu của cuộn đầu tiên Dòng điện một chiều được đưa vào hay lấy ra từ dây quấn phần ứng thông qua các chổi than tì lên cổ góp Cổ góp là một kết cấu hình trụ trên bề mặt có nhiều phiến góp, số phiến góp bằng số cuộn dây và chúng được cách điện với nhau bằng mica Đầu kết thúc của một cuộn và khởi đầu của một cuộn ứng khác được nối đến chung một rãnh gắn đầu ra cuộn dây trên phiến góp (hình 1.5)

Kết nối mạch phần ứng như trên hình 1.6 Dòng điện đưa vào phần ứng qua chổi than và cổ góp Chổi than B1 được nối đến phiến góp số 1, và chổi kia nối đến phiến góp số 13 Dòng điện đến phần ứng từ chổi than B1 phiến góp số 1 và vòng về ở phiến góp 13 tại chổi than B2 theo hai đường dẫn song song, mỗi đường dẫn tải một nửa dòng phần ứng Mỗi đường gồm mười hai cuộn dây, trên hình 2.6 là hai mạch nhánh có các cuộn: nhánh phải gồm từ cuộn AA’ đến cuộn WW’ và nhánh kia phần còn lại Mỗi cuộn dây trong nhóm mười hai cuộn dây này, giả sử cuộn đầu tiên nằm dưới một cực bắc thì cuộn cuối trong nhóm sẽ kết thúc nằm dưới cực nam Mạch nhánh gồm mười hai cuộn còn lại sẽ ngược lại, bắt đầu nằm dưới một cực nam

và kết thúc cực bắc Khi rotor quay, dòng điện chảy trong cuộn dây nằm dưới một cực từ không đổi, tiếp xúc chổi than-cổ góp thay đổi Vì chiều dòng điện trong các cuộn dây ngược nhau và do cách bố trí xen kẽ của cực từ, mô men tạo ra do các cuộn dây có cùng chiều Nhờ hệ chổi than-cổ góp mà máy điện mới có thể làm việc với nguồn một chiều

Dòng điện trong các cuộn dây phần ứng thực ra là xoay chiều vì mỗi lần một cuộn dây dịch chuyển từ vùng tác động của một cực từ sang vùng tác động của một cực từ khác, dòng điện trong nó bị đảo chiều Ta có thể nói hệ cổ góp và chổi than hoạt động như một bộ biến

đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây phần ứng

1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng

Hình 1-8: a-Sơ đồ nguyên lý nối

dây động cơ một chiều kích từ

điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển động Chiều của lực từ được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Từ trường được tạo ra nhờ các cuộn dây có dòng điện một chiều chạy qua Các cuộn này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được quấn quanh các cực từ Thường thì stato động cơ thường đặt các cuộn cảm nên stator gọi là phần cảm Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn rotor đặt trong các rãnh của rotor khi có dòng điện chạy qua Cuộn dây nay gọi là cuộn ứng Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua chổi than và cổ góp Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng

Giả sử các dây dẫn cuộn ứng ở nửa trên rotor thì có dòng điện hướng vào, còn các dây dẫn cuộn ứng ở

Hình 1-9: Từ trường trong động cơ một

chiều

a Do cuộn cảm sinh ra

nửa dưới rotor có dòng điện hướng ra như hình vẽ Lực từ F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra mômen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ

Khi động cơ làm việc, cuộn cảm tạo ra từ trường Φddọc trục cực từ và phân bố đối xứng đối với cực từ Mặt phẳng 00’ trên đó có đặt chổi than, vừa là mặt phẳng trung tính vật lý Đồng thời, dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ trường riêng Φn hướng ngang trục cực từ Từ trường tổng trong động cơ mất tính chất đối xứng dọc trục và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc β (ngược chiều quay của rotor) so với mặt phẳng trung tính hình học (hình 1-9)

Dòng điện cuộn ứng càng lớn thì Φn càng mạnh và góc quay β càng lớn Ta nói phản ứng phần ứng càng mạnh

Phản ứng phần ứng là một trong những nguyên nhân gây ra tia lửa giữa chổi than và cổ góp cũng như giữa các là góp trong cổ góp Có thể hạn chế ảnh hưởng này nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phẳng trung tính vật lý (tức là theo góc β) Thông thường trong các động cơ điện một chiều hiện nay, người ta dùng phương pháp thêm cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt

giữa các cực từ chính và

cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo

ra từ trường ngang trục so với

từ trường chính và ngược

chiều với từ trường Φn của

cuộn ứng để khử từ trường

Φn Nhờ vậy, phản ứng phần

ứng bị hạn chế và quá trình

chuyển mạch trong động cơ sẽ

tốt hơn

Vì từ trường Φn gây ra

phản ứng phần ứng tỉ lệ

với dòng điện phần ứng Iư

nên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Do vậy, khi dòng điện phần ứng tăng lên, phản ứng phần ứng mạnh lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh

ra từ trường ngược mạnh hơn để khử từ trường Φn

Ngoài ra, biện pháp tăng khe hở không khí giữa startor

Hình 1-10: Phân bố cực từ phụ trong động cơ điện một

chiều

1 Cực từ phụ

2 Cuộn dây cực từ (cuộn phụ)

3 Cuộn kích từ (cuộn

và rotor cũng được áp dụng Cách này dẫn tới sự tăng kích

thước động cơ và phải tăng cường thêm cuộn kích từ chính

vì khe hở không khí lớn sẽ làm yếu từ trường chính

Ở các động cơ một chiều công suất trung bình và lớn

biện pháp chính là thêm cuộn dây bù đặt trong rãnh ở

các cực từ chính nhằm tạo ra từ thông Φb ngược chiều với

Φn làm từ trường ở khe hở không khí không bị méo nữa

Cuộn bù cũng được mắc nối tiếp với cuộn ứng

1.3 ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.3.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP VÀ

KÍCH TỪ SONG SONG

Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích

từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với

nguồn điện cấp cho rotor (cuộn ứng)

a) Phương trình đặc tính cơ:

Phương trình điện áp ở mạch rotor sẽ là:

U = E + IưRư∑ (1-1) Trong đó:

U - Điện áp lưới, V;

E - Sức điện động của động cơ, V;

Iư - Dòng điện phần ứng của động cơ, A;

Rư∑ - Điện trở toàn bộ mạch phần ứng, Ω;

Rphuï - Điện trở phụ trong mạch phần ứng, Ω;

Rư - Điện trở mạch phần ứng, Ω;

Rư = rư + rct + rcb + rcp (1-3)

rư - Điện trở cuộn dây phần ứng, Ω;

rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp, Ω;

rcb - Điện trở cuộn bù, Ω;

rcp - Điện trở cuộn phụ, Ω;

Sức điện động phần ứng tỉ lệ với tốc độ quay của

rotor:

E = k.Φ.ω (1-4) Trong đó:

Φ - Từ thông qua một cực từ, Wb;

ω - Tốc độ góc của rotor, rad/s;

k - hệ số, phụ thuộc vào kết cấu của động

cơ

a

N p k

π 2

.

Với: p - Số đôi cực từ chính;

N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng;

a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng

khi có dòng điện, rotor quay dưới tác dụng của mômen quay:

Từ hệ phương trình (1-1), (1-4) và (1-6) phương trình đặc

tính cơ ω=f(M) như sau:

M k

R k

U

2

) ( Φ− Φ

b, Đường đặc tính cơ:

Phương trình đặc tính cơ (1-7) có dạng hàm bậc nhất y =

Ax + B, nên đường biểu diễn trên hệ trục tọa độ M,0,ω là

Ngành điều khiển và tự động hóa

một đường thẳng với độ dốc âm Đường đặc tính cơ cắt

trục tung 0ω tại điểm có tung độ:

Φ

=

0

k

U

Tốc độ ω0 là tốc độ ứng với MC = 0, nghĩa là khi

không có lực cản nào

cả Đó là tốc độ lớn

nhất của động cơ mà

không thể đạt được ở

chế độ động cơ vì

không bao giờ xảy ra MC

= 0 (do lực ma sát luôn

tồn tại khi động cơ quay)

Tốc độ ω0 là tốc độ

không tải lý tưởng

Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ định mức

theo thiết kế (được ghi trên nhãn động cơ) và không mắc

thêm điện trở phụ vào mạch động cơ vì Rư∑ = Rư và

phương trình đặc tính cơ sẽ là:

M k

R k

U

dm dm

dm

2

) ( Φ − Φ

ω

(1-9)

Đường đặc tính

cơ lúc này gọi là

đường đặc tính cơ tự

nhiên: (hình 1-12)

Khi phụ tải tăng

M0

ω

Φ

=

dần từ MC = 0 đến MC = Mđm (∆MC = MC - 0) thì tốc độ động cơ

giảm dần từ ω0 đến ωđm (∆ω=ω0 - ωđm) Điểm A (Mđm,ωđm) gọi là

điểm làm việc định mức Phương trình (1-9) có thể viết dưới

dạng:

ω = ω0 - ∆ω (1-10) Với độ sụt tốc tỉ lệ với mômen tải:

M

R

) 2 đm

Ư

(k.Φ

=

Như vậy, đường thẳng đặc tính cơ có thể vẽ được nhờ

hai điểm ω0 và A Cũng có thể dùng một trong hai điểm đó

kết hợp với điểm khác thứ ba là điểm cắt của đặc tính cơ

với trục hoành 0M Điểm này có tung độ ω=0 và hoành độ

suy ra từ (1-9)

nm

nm k U k I M

ư

đm đm

R = Φ Φ

Mô men Mnm và dòng điện Inm gọi là mômen ngắn

mạch và dòng điện ngắn mạch Đó là mô men lớn nhất

và dòng điện của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà

tốc độ bằng 0 Trường hợp này xảy ra khi mới bắt đầu mở

máy, khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì kẹt hoặc tải

quá lớn không kéo được Dòng điện ngắn mạch này lớn

và thường bằng:

Inm = (10÷20)IđmNó có thể gây cháy, hỏng động cơ nếu hiện tượng

Ngành điều khiển và tự động hóa

tồn tại kéo dài

Do vậy khi mở máy phải thêm điện trở phụ vào mạch rotor để hạn chế dòng điện mở máy và khi động cơ đang chạy bị dừng lại thì cần phải nhanh chóng cắt điện

c Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ:

Phương trình (1-7) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất ω=f(M) phụ thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó có chứa các thông số điện U, Rư∑ và Φ Ta xét ảnh hưởng của từng thông số này

* Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng:

U = var; Rư∑ = const; Φ = const

Vì điện áp đặt vào không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể thay đổi về phía giảm Trường hợp này, độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ không thay đổi

const k

R

= Φ

2

) (

ư

còn tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp:

var

thay đổi điện áp

đặt vào phần

ứng, ta được một

họ đặc tính cơ

song song với

ωω0

ω01ω02ω03

đường đặc tính cơ tự nhiên (tn) và thấp hơn đường đặc tính

cơ tự nhiên Các đường đặc tính cơ này gọi là các đường đặc tính cơ nhân tạo (nt)

* Trường hợp

thay đổi điện

trở mạch phần

ứng:RưΣ =var;

U=const; Φ=const

Vì RưΣ = Rư +

Rphụ nên điện

trở mạch phần

ứng chỉ có

thể thay đổi về

phía tăng Rphụ

Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:

const

Φ

=

0

) ( 2 = Φ

đi qua điểm (0,ω)

* Trường hợp thay đổi từ thông kích tư: Φ = var; RưΣ = const; U=const

Để thay đổi

từ thông Φ, phải

thay đổi dòng kích

từ nhờ biến trở Rkt

mắc ở mạch cuộn

ωω0

cảm Vì chỉ có thể tăng Rkt nên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi

var

k

Rư

Khi giảm từ thông, ω0 tăng còn độ dốc thì giảm mạnh

d, Đảo chiều động cơ:

Chiều lực từ tác dụng vào dòng điện xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì lực từ có chiều ngược lại Vậy, muốn đảo chiều quay của động cơ một chiều có thể thực hiện một trong hai cách:

- Hoặc đảo chiều từ thông (qua đảo chiều dòng điện kích từ)

- Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và khi quay ngược là đối xứng nhau qua gốc tọa độ

Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng

vì mạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phương pháp này ít dùng Ngoài ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc độ tăng quá, không tốt

e Mở máy động cơ kích từ độc lập:

Lúc đầu mới đóng điện cho động cơ, tốc độ động cơ còn bằng không nên dòng điện động cơ Inm tính theo (1-13)

rất lớn, tạo ra mô men ngắn mạch Mnm tính theo (1-12) cũng rất lớn và gây ra hậu quả xấu

Dòng điện mở máy:

Mô men mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thể gây nguy hiểm như: gãy trục, vỡ bánh răng, đứt cáp, đứt xích v.v…

Mmm = Mnm = k.Φđm.ImmVậy để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu đến lưới điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy không cho vượt quá giá trị:

Imm = (1,5÷2,5)Iđm Nghĩa là phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sao cho:

ư đm phụï ư

đm

R

U R

Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ ω tăng dần, sức điện động của động cơ E =k.Φ.ω cũng tăng dần và dòng điện động cơ bị giảm:

phụï

R

E U I

Tóm lại để hạn chế dòng điện quá lớn lúc mở máy phải thêm điện trở vào mạch phần ứng Trong quá trình động cơ tăng tốc phải loại bỏ dần các điện trở mở máy

ra khỏi mạch phần ứng

1.3.2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng (tức là phụ thuộc vào tải)

Trong đó: k’: Hệ số phụ thuộc cấu tạo của cuộn dây kích từ

Biểu thức 1-14 cho biết: từ thông Φ phụ thuộc tuyến

tính vào dòng điện phần ứng (tức là dòng điện kích từ)

Điều này đúng khi mạch từ không bão hòa từ khi dòng

điện IƯ < (0,8÷0,9)Iđm Tiếp tục tăng Iư thì tốc độ tăng từ

thông Φ chậm hơn tốc độ tăng Iư rồi sau đó khi tải lớn

(Iư>Iđm), có thể coi Φ = const vì mạch từ đã bị bão hòa

a, Phương trình đặc tính cơ:

Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện

một chiều:

E=k.Φ.ω (1-16) M=k.Φ.Iư = k.k’.Iư2 (1-17)

Ta có thể tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ điện

một chiều kích từ nối tiếp:

Từ (1-14), (1-16) và (1-15)

Hình 1-16: a-Sơ đồ nguyên lý

nối dây động cơ điện một

chiều kích từ nối tiếp

Hình 1-16: b-Từ thông động cơ một chiều kích từ nối tiếp phụ thuộc vào dòng điện phần ứng (cũng là dòng kích từ)

I k k

U

'

b, Đường đặc tính cơ:

Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ

nối tiếp theo phương trình (1-19) là một đường hyperbol

Thực tế động cơ được thiết kế để làm việc với mạch

từ bão hòa ở vùng tải định mức Do vậy, khi tải nhỏ,

đường đặc tính cơ có dạng hyperbol bậc 2 và mềm còn khi

tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và

cứng hơn vì mạch từ đã bão hòa (Φ=const)

Khi Mc = 0 (Iư = 0) theo (1-19) thì trị số ω sẽ vô cùng lớn

Thực tế do luôn có Mc ≠ 0 vì không thể có lực ma sát ở cổ

trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ dư (Φdư ≠ 0)

nên khi không tải Mc ≈ 0, tốc độ động cơ sẽ là:

dư

Φ

=

0

k

U

ϖ

Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư

Φdư nhỏ nên ω0 cũng lớn hơn nhiều so với trị số định mức

(5÷6)ωđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ truyền

động điện Vì vậy không được để động cơ điện một chiều

kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi

vào tình trạng không tải Không dùng động cơ một chiều

kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ghép nối (ly

hợp ma sát) … Thông thường, tải tối thiểu của động cơ là

khoảng (10%÷20%) định mức Chỉ những động cơ công suất

nhỏ (vài chục watt) thì mới có thể cho phép chạy không tải

Do đường đặc tính cơ mềm nên tốc độ động cơ một

chiều kích từ nối tiếp biến động mạnh theo phụ tải Ở

vùng tải lớn thì đặc tính cơ lớn hơn, do đó tốc độ ít bị thay

đổi mạnh theo tải

Phương trình đặc tính cơ tự nhiên suy từ (1-19) với RưΣ = Rư

' '

R M k k

mm k k I

R

U k k

Phương trình (1-19) cho thấy đặc tính cơ ω=f(M) của động

cơ điện một chiều kích từ nối tiếp bị ảnh hưởng bởi điện

trở mạch động cơ

(mạch phần ứng cũng là mạch kích từ)

Đặc tính cơ tự nhiên (tn) cao nhất ứng với điện trở phụ

Rphụ = 0 Các đặc tính cơ nhân tạo (nt) ứng với Rphụ≠0 Đặc

càng lớn

Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng

điện phần ứng cũng là dòng điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp

d, Đảo chiều quay của động cơ kích từ nối tiếp

Cũng như động cơ một chiều kích từ song song động cơ kích từ nối tiếp sẽ đảo chiều quay khi đảo chiều dòng điện phần ứng

e, Mở máy động cơ kích từ nối tiếp

Lúc mở máy, phải đưa thêm điện trở mở máy vào mạch động cơ để hạn chế dòng điện mở máy trong giới hạn không quá 2,5Iđm Trong quá trình động cơ tăng tốc, phải cắt dần điện trở mở máy, động cơ sẽ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở mở máy

1.3.3 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp ít gặp hơn các loại động cơ đã xét ở các mục trên Trong động cơ loại này, từ thông được tạo ra do tác dụng đồng thời của hai cuộn kích từ: một cuộn song song (ktss) một cuộn nối tiếp (ktnt) Do vậy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp phân bổ giữa đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Nếu từ trường của cuộn song song tạo ra mạnh hơn từ trường của cuộn nối tiếp thì đặc tính cơ của động cơ điện kích từ hỗn hợp gần đặc tính cơ của động cơ kích từ song song hơn

Nếu từ trường của cuộn nối tiếp ra mạnh hơn từ trường của cuộn song song thì đặc tính cơ của động cơ điện

kích từ hỗn hợp gần đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp hơn

Một trong những đặc điểm của động cơ kích từ hỗn hợp là cơ đặc tính cơ mềm, có thể chạy ở chế độ không tải vì tốc độ không tải có giá trị giới hạn

Chương II: điều khiển số độ động cơ một chiều

2.1 HEÄ THOÁNG ẹIEÀU KHIEÅN SOÁ

2.1.1 CAÙC Sễ ẹOÀ TOÅNG QUAÙT CUÛA HEÄ ẹIEÀU KHIEÅN SOÁ

Ta nghieõn cửựu moọt soỏ caỏu truực toồng quaựt cuỷa heọ thoỏng ủieàu khieồn soỏ ủieồn hỡnh, trong ủoự ủoỏi tửụùng ủieàu khieồn coự haứm truyeàn Gp(p), boọ ủieàu khieồn tửụng tửù coự haứm truyeàn Gc(p), boọ ủieàu khieồn soỏ coự haứm truyeàn D(p), boọ laỏy maóu vaứ lửu giửừ ZOH

Sụ ủoà khoỏi cuỷa caực caỏu truực naứy ủửụùc trỡnh baứy trong caực hỡnh veừ 2.1 ủeỏn hỡnh 2.7:

Hỡnh 2.1 laứ sụ ủoà heọ ủieàu khieồn soỏ coự noỏi taàng boọ ủieàu khieồn tửụng tửù

Hỡnh 2.2 laứ sụ ủoà heọ ủieàu khieồn soỏ coự noỏi taàng boọ ủieàu khieồn soỏ naốm treõn maùch chớnh

Hỡnh 2.3 laứ heọ ủieàu khieồn soỏ coự boọ ủieàu khieồn tửụng tửù naốm treõn maùch phaỷn hoài

Hỡnh 2.4 laứ heọ ủieàu khieồn soỏ coự boọ ủieàu khieồn soỏ naốm treõn maùch phaỷi hoài

Hỡnh 2.5 laứ heọ ủieàu khieồn soỏ nhieàu bieỏn coự phaỷn hoài nhieàu bieỏn, moùi bieỏn traùng thaựi ủeàu coự theồ truy nhaọp ủửụùc Trong thửùc teỏ khoõng phaỷi moùi bieỏn traùng thaựi ủeàu coự theồ truy nhaọp ủửụùc neõn ngửụứi ta phaỷi sửỷ duùng boọ quan saựt Trong hỡnh 2.6 veực tụ ủaàu ra c(k) coự theồ truy nhaọp ủửụùc, boọ quan saựt chổ ủaựnh giaự caực bieỏn X(k), coứn trong hỡnh 2.7 ủaàu

ra C(k) ủửụùc ủửa trửùc tieỏp vaứo boọ phaỷn hoài ủaởc trửng baống

ma traọn G

Vieọc ủieàu khieồn soỏ moọt quaự trỡnh lieõn tuùc baột ủaàu

bằng khâu lấy mẫu ZOH, đầu ra của nó là đại lượng rời rạc được tiến hành qua 4 giai đoạn:

- Chọn bước lấy mẫu ∆

- Chọn mô hình số hợp lý Phân tích hệ thống và nhiệm vụ thiết kế sẽ dẫn đến việc chọn mô hình thích hợp

- Thiết kế bộ hiệu chỉnh số cần thiết Trước hết cần chọn cấu trúc và thông số của bộ hiệu chỉnh

- Xây dựng chương trình điều khiển, nói chung bộ hiệu chỉnh được tính toán trong miền tần số sau đó trở về miền thời gian Vi xử lý đưa ra điều khiển thời gian thực u(k) ở mỗi bước ∆ vào hệ thống điều khiển số Việc dễ dàng lập trình cho phép thực hiện bộ hiệu chỉnh chất lượng cao và

Quá trình

c(t)

u*(t)

ZOH Gc(p) Gp(p)R(s)

r(t)

+

-E(s)e(t)

E*(s)

e*(t)

Bộ điều khiển tương tự

U(s)u(t)

Quá trình

C(p)c(t)

Hình 2.1 Hệ điều khiển số nối tầng bộ điều

khiển tương tựT

c(t)

Hình 2.3 Hệ điều khiển số bộ điều khiển tương tự nằm trong

mạch phản hồi

c(t)

Hình 2.4 Hệ điều khiển số bộ điều khiển sốï nằm trong

mạch phản hồi

TT

Bộ điều khiển

số

Hình 2.5 Hệ điều khiển số nhiều biến, phản hồi

trạng thái

Hình 2.6 Hệ thống điều khiển số nhiều biến

có quán sát

Hình 2.7 Hệ điều khiển số, phản hồi

biến ra

2.1.2 HÀM TRUYỀN CỦA ĐỘNG CƠ ĐC

Có đầu vào là điện áp điều khiển, đầu ra là tốc độ quay Hàm truyền tương tự của động cơ là:

Tp

K p

G a

+

= 1 ) (

Động cơ nằm trong vòng điều chỉnh số có C(z) là hàm truyền của bộ hiệu chỉnh (hình 2.8) Thực hiện biến đổi z ta có hàm truyền rời rạc của động cơ:

] ) ( [ ) 1 ( )

p

p G Z z z

1 (

) 1 ( ] ) 1 ( [ ] ) ( [

T

T a

e z z

e z K Tp

p

K Z p

p G

=

→ hàm truyền rời rạc của động cơ một chiều:

0

0 ) 1 ( ) (

z z

z K z

Trong đó: ∆: Bước lấy mẫu

T: Chu kỳ lấy mẫu Trong hình 2.8 N(z) là nhiễu tác động

Hàm truyền hệ hở

) ( )

(

) (

z G C z

z Y

e z

=

ε

Hình 2.8 Hệ điều chỉnh

kí

Hàm truyền hệ kín

) ( 1

) ( )

(

) (

z G C

z G C z Y

z Y

e z

e z

c = +

2.1.3 TÍCH PHÂN VÀ ĐẠO HÀM SỐ

Các toán tử tích phân và đạo hàm trong lĩnh vực tương tự được thay thế bằng phép tổng và hiệu của các mẫu trong miền tần số Chúng ta sẽ xác định hàm truyền theo z của tổng và hiệu và phối hợp chúng để tạo nên PID số

2.1.3.1 Tích phân số: Phép tổng

Gọi e(k) là tín hiệu vào rời rạc

của bộ tổng Với bộ tổng hình 2.9

thực hiện phép tích lũy, ta có phương

= + 0 ) (

) ( ) ( ) 1 (

k s

k e T k s k

s

Sau mỗi bước lấy mẫu, tổng s(k) bây giờ được cộng

thêm một lượng điều chỉnh e (k)

T i

∆ Đầu ra s(k) được tích phân

số bằng một bước e (k)

T i

∆ Vì chu kì lấy mẫu T cố định, ta có thể tính giá trị lượng tăng của đầu ra Ti là thời gian tích phân

Hình 2-10 a, b, c cho ta thấy sự phát triển của lượng ra s(k) giữa hai lần lấy mẫu khi

i

T

∆ là số nguyên

Chuyển sang biến đổi z, với s(0) = 0 từ (2-1) ta có:

) ( ) ( )

T z S z zS

i

∆ +

Suy ra:

1

1 ) (

) (

−

∆

=

z T z E

z S

i

(2-2) Biểu thức (2-2) chính là hàm truyền của bộ tích phân

số Ta nhận thấy cực z=1 đặc trưng cho phép tổng, trong lĩnh

vực số cũng có vai trò như cực ở p=0 trong lĩnh vực tương tự

(hàm truyền

p

T i

1)

2.1.3.2 Đạo hàm số: vi phân

Bộ đạo hàm số hình 2-11 có

(k T e k e k

Td là thời gian đạo hàm

Chuyển sang miền tần số với điều kiện đầu bằng 0 ta

có:

)]

( )

( [ ) (z T E z z 1E z

∆

=Hàm truyền của bộ đạo hàm số:

2

1 ) (

) ( ) (

z S z

Hình 2.10 Đạo hàm

số

zêzô zd=1

2.1.3.3 Đạo hàm có lọc

Trong kĩ thuật tương tự bộ đạo hàm thực tế bao giờ

cũng được lọc bằng bộ lọc thông thấp để tránh hệ số

khuếch đại quá lớn, tín hiệu nhiễu biến thiên quá nhanh

Hàm truyền của bộ đạo hàm có lọc là:

p N T

P T

d

d

+ 1

z z

Nz z p

N

T p

p T Z z z

−

0

1 1

) 1

(

[ ) 1 ( ) (

Sau khi biến đổi ta thu được:

0 2

1 )

(

z z

z N z D

−

−

là hàm truyền của bộ đạo hàm số có lọc

So sánh giữa (2-5) và (2-4) ta thấy đạo hàm số có lọc

có 2 zêzô z=1 nhưng cực z=0 ở đạo hàm đơn được thay bằng

cực z0 của đạo hàm có lọc D2(z) Cực z0 có tác dụng “san

bằng” khi đầu vào số biến thiên đột ngột

2.1.4 PID SỐ

2.1.4.1 Hàm truyền theo z

Trong kĩ thuật tương tự ta có hàm truyền của bộ PID

tương tư làï:

) 1

1 1 ( ) (

p N T

p T p T K p C

d d i

c a

+

+ +

=

Có thể thực hiện hàm truyền PID này dưới dạng số

bằng bộ vi xử lý bằng cách thay bộ tích phân và đạo hàm

tương tự thành dạng số Kết quả được:

) ) 1 ( 1

1 1 ( ) (

0

z z

z N z

T K z C

i c

− +

−

∆ +

Trong đó: Ti là hằng số tích phân

N thông số tín hiệu đạo hàm, quyết định biên độ

z0 là cực suy giảm vào khoảng 0,2 đến 0,4

Kc là hệ số khuếch đại tĩnh của bộ hiệu chỉnh

∆ là bước lấy mẫu Có thể lấy z0 = 0 (đạo hàm đơn) khi đó bước nhảy đầu

vào PID ứng với xung Dirac ở đầu ra

2.1.4.2 Lập trình bộ điều khiển PID số

Ta tìm công thức lặp liên hệ ε(k) và u(k) của bộ điều

chỉnh PID số Đơn giản (2-6) ta có:

0 0 2

0 0

0 2

) 1 (

( )

1 2 1

( ) 1 ( ) ( )

(

)

(

z z z z

t

z N z z t N z z

N K z C z

− + +

− +

=

=

T t

Thay các giá trị số ti = 5, Kc = 0,5; N=8; z0 = 0,3 ta thu được:

) ( 12 , 4 ) ( 55 , 8 ) ( 5 , 4 ) ( 3 , 0 ) ( 3 , 1 )

2

z z

z z

z z

U z

zU z

U

→ ( ) 1 , 3 1 ( ) 0 , 3 2 ( ) 4 , 5 ( ) 8 , 55 1 ( ) 4 , 12 2 ( )

z z z

z z

z U z z U z z

Chuyển sang miền thời gian rời rạc ta được quy luật

điều khiển của bộ điều chỉnh PID

) 2 ( 12 , 4 ) 1 ( 55 , 8 ) ( 5 , 4 ) 2 ( 3 , 0 ) 1 ( 3 , 1

)

(k = u k− − u k− + k − k− + k−

Xuất phát từ u(-1) và u(-2) =0, đưa vào sai lệch ε(k)

dưới dạng các mẫu rời rạc đánh dấu * trên hình 2-11 ta tính

u(0), u(1) … u(k) dựa theo phương trình lặp Hình 2.11 là kết quả u(k) bằng nét đậm hình bậc thang Ta nhận thấy:

- Tác động của tích phân duy là trì điều khiển u(k) = 0.9, sai lệch ε(k) = 0

- Mỗi thay đổi độ dốc của ε(k) dẫn đến thay đổi u(k) rất lớn do tác động đạo hàm

- Hiệu quả suy giảm của cực z0 cũng thấy rõ khi sai lệch ở giai đoạn cuối chuyển từ -1 đến 0, ta nhận thấy u(k) giảm dần và đạt đến giá trị xác lập

2.1.4.2 Các phương án khác của PID số

Luật điều khiển (2-7) suy ra từ hàm truyền của bộ điều chỉnh, nhờ đó mà ta có thể lập trình trên máy tính, cho phép xác định u(k) từ quan sát sai lệch ε(k) Hình 2-14a là

sơ đồ PID kinh điển Ta cũng có thể có sơ đồ khác vẽ trên hình 2.14b trong đó sai lệch ε chỉ được tích phân mà không

Hình 2.11: Đáp ứng thời gian của PID số, bước lấy

ã 0 5

đạo hàm để tránh điều khiển đột ngột khi giá trị định chuẩn thay đổi

Đối với sơ đồ hình 2.12a ta có:

] ) 1 ( 1

1 1 )[

( ) (

0

z z

z N z

T z K z U

i

− +

−

∆ +

= ε

Với sơ đồ hình 2.12b có phản hồi trạng thái u(z)=u1(z)=u2(z)

) ( 1

1 )

z T K z U

1 ) ( ( ) (

0 2

z z

z N z Y K z U

−

− +

dẫn đến ( ) ( 1 1 ) ( )

1

1 ) (

0 2

z z

z N K z z t

K z U

− +

(z-Ce(z)PID

Ge(z)

u

ε

yc +

y

-

u1+

PD

u2

-b,Hình 2.12 Các phương án PID

số

) 2 ( ) (

) 1 ( ) 2

1 ( ) ( ) 1 (

) 2 ( )

1 ( )

2 ( ) 1 ( ) 1 ( ) (

0 2 0

2 2

0 1 1

0 0

− +

−

− +

+ + +

−

−

−

− +

−

−

− +

=

k y N z K k

y z N K

k y N K

k z t

K k

t

K k

u z k

u z k

u

i t

ε ε

(2-8)

Khi N = 0 ta có bộ điều chỉnh PI

2.1.5 ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG SỐ KÍN

Ta đã biết hệ ổn định khi các cực của nó nằm trong vòng tròn đơn vị Cũng giống như hệ điều khiển tương tư,ï có các tiêu chuẩn cho phép phán đoán ổn định và tính toán các cực

2.1.5.1 Tiêu chuẩn Jury

Tiêu chuẩn Jury đối với hệ thống số trong tọa độ z giống như tiêu chuẩn Routh với hệ thống tương tự Sự ổn định của hệ tùy theo vị trí của các cực hàm truyền

lập bảng sau:

với

) ( 0 j n n j

j a a a a

) ( 0 − −1 − −1

= j n n j

j b b b b c

…

) ( 0 0 3 3

q = − , q1= (p0p1−p3p2), q2 =(p0p2− p3p1)

Tiêu chuẩn Jury phát biểu như sau:

Nếu đa thức đặc trưng (với an > 0) có:

• D(1) > 0

• D(-1) > 0 với n chẵn và D(-1) < 0 với n lẻ và (n-1)

thỏa mãn a0 <a n,b0 > b n−1,c0 > c n−2 q0 > q2 thì hệ thống ổn định

Ví dụ hệ bậc 2 n = 2, D(z) = a2z2 + a1z+ a0

Điều kiện ổn định là: D(1) > 0

và 2 ràng buộc: a0 <a3, b0 > b2

2.1.5.2 Tiêu chuẩn ổn định hệ kín

Hệ điều chỉnh có

phản hồi đơn vị, hàm

truyền là:

) ( 1

) ( )

(

) ( )

(

z G

z G z y

z y z

−

=

=

Dạng hàm truyền

theo z cũng giống như

hàm truyền theo p Điều

Hình 2.13 Miền ổn định của hệ

bậc nhất

kiện ổn định và suy giảm nhanh cũng được biểu thị nhờ biểu đồ Bode còn gọi là biều đồ Black - Nichols rời rạc

) , (

∆

<

= jω∆ ω π

e z

Hình 2.14 là đặc tính biên pha của hệ rời rạc, ta nhận thấy vòng 1 không ổn định, vòng 2 ổn định nhưng suy giảm chậm, vòng 3 ổn định và trễ

1 ( lim ) (

→

với điều kiện các cực của ε(z) ổn định

Gọi G(z) là hàm truyền hệ hở, ta tìm sai lệch

) ( 1

1 1

) ( )

( 1

) ( )

(

z D

z N z

K

z y z

G

z y z

m

c e

c

− +

= +

=

ε

Xét ε (∞ ) khi lấy giá trị đặt yc(z) dạng đơn giản như bước nhảy đơn vị, răng cưa hoặc parabol Số m tích phân của Ge(z) sẽ quyết định độ chính xác Các kết quả cũng so sánh được với kết quả trong hệ tương tự, tuy nhiên chu kỳ lấy mẫu cũng ảnh hưởng đến sai lệch với giá trị đặt răng cưa và parabol Cũng cần kiểm tra trước sự ổn định của hệ

Giá trị đặt Bước nhảy

đơn vị E 0 Γ(k) Răng cưa a.k.∆ Parabol 2 2 2

1bk ∆

m = 0

K

E E

+

=

∞ 1 )

m = 2 0 0

K

b E

2

2 (∞)= ∆ )

( ) 1 ( lim

2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

2.2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Trên hình 2.15 là sơ đồ khối tổng quát của hệ thống truyền động điện gồm nhiều khối chia thành hai mạch chính:

- Mạch động lực gồm bộ biến đổi và động cơ truyền động Bộ biến đổi đóng vai trò biến đổi điện áp nguồn cung cấp về điện áp, dòng điện, tần số phù hợp với yêu cầu của các động cơ truyền động

Động cơ truyền động có các loại động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ và các loại động cơ đặc biệt khác

- Mạch điều khiển bao gồm các cảm biến đo lường dùng để đánh giá các thông số trạng thái của mạch động lực và các bộ điều khiển tác động lên các thông số của bộ biến đổi nhằm duy trì các tính năng của hệ thống truyền động về tốc độ, dòng điện, mômen cũng như các mục đích mở máy, hãm, đổi chiều quay và chức năng

Điề u khiể n

vị trí, tố c độ

Điề u khiể n dò ng điệ n

Điề u khiể n bộ biế n đổ i

Bộ biế n đổ i

Đo tố c độ và vị trí

Đo dò ng điệ n

Độ ng cơ

Bộ cả m biế n dò ng điệ n

Bộ cả m biế n tố c độ và vị trí

Hình 2.15 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống truyền

động điện