Thiết kế hệ thống (chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID

Thiết kế hệ thống (chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID

Đề tài: Thiết kế hệ thống (Chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện

một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID

Giáo viên hướng dẫn : Quách Đức CườngSinh viên thực hiện :

Lớp : Tự động hóa 3

Hà nội, 2018

MỤC LỤC

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN 1 CHIỀU 2

1 Động cơ điện 1 chiều 2

1.1: Khái quát chung 2

1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều 2

1.3: Phân loại động cơ điện một chiều 2

1.4: Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều 3

2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 4

2.1: Nguyên lý điều khiển bằng từ thông động cơ 4

2.2: Nguyên lý điều khiển bằng điện áp phần ứng 7

2.3: Các bộ biến đổi điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng 9

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 9

1 Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập 9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK 13

1 Giới thiệu bộ điều khiển PID 13

2 Cấc phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID 13

3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống 13

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰU HỆ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 22

1 Tính các dữ kiện của van trong mạch cầu H 22

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần không nhỏ vào thành công đó Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ Từ trước đến nay, động cơ một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những hệ

thống yêu cầu cao Vì vậy nhóm em đã được giao đề tài đồ án là: “ Thiết kế hệ

thống (Chỉnh lưu – động cơ) điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ điều khiển PID ” Nội dung đề tài được chia làm 5 chương:

Chương 1 Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống

Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển PID số (Digital PID controller) Chương 4 Mô phỏng kết quả trên Matlab&Simulink

Chương 5 Tính toán mạch động lực

Trong quá trình làm đồ án, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận

tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo TS Quách Đức Cường

Em xin gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của đồ án cùng với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện Nhóm 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

1 Động cơ điện 1 chiều

1.1:Khái quát chung

Động cơ điện một chiều là động cơ điện thiết kế hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ một chiều thường được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu

mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng

1.2:Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ một chiều, gồm ba thành phần chính sau:

– Cực từ: Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều Động

cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong khônggian giữa các cực từ Một động cơ một chiều đơn giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ cực bắc tới cực nam Với những động

cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc vài nam châm điện Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường

– Phần ứng: Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng

– Cổ góp: Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều Cổ góp có tác dụng đảo chiều của dòng điện trong phần ứng Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện

1.3:Phân loại động cơ điện một chiều

a Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu dòng kích từ được cấp từ một nguồn riêng, thì đó là động cơ một chiều kích

từ độc lập

b Động cơ điện một chiều kích từ song song.

Ở động cơ kích từ song song, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối song song với cuộn dây phần ứng (A) như minh hoạ trong hình Vì vậy, dòng điện toàn phần của đường dây là tổng của dòng kích từ và dòng điện phần ứng

Dưới đây là một số đặc tính của tốc độ ở động cơ điện kích từ song song (E.T.E.,

1997):

– Tốc độ động cơ trên thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào tải (tới một mô men nhất định, sau đó tốc độ giảm, xem hình), nhờ vậy loại đông cơ này thích hợp với các ứng dụng với mô men khởi động thấp, như ở các máy công cụ

– Có thể điều khiển tốc độ bằng cách lắp thêm điện trở nối tiếp với phần ứng (giảm tốcđộ) hoặc lắp thêm điện trở nối tiếp với mạch kích từ (tăng tốc độ)

c Động cơ điện một chiều tự kích

Ở động cơ nối tiếp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối nối tiếp với cuộn dây phản ứng (A) như minh hoạ Nhờ vậy, dòng kích từ sẽ bằng với dòng phần ứng Dưới đây là một số đặc điểm tốc độ của động cơ nối tiếp (Rodwell International

Corporation, 1997; L.M Photonics Ltd, 2002):

– Tốc độ giới hạn ở 5000 vòng/phút

– Cần tránh vận hành động cơ nối tiếp ở chế độ không tải vì động cơ sẽ tăng tốc khôngthể kiểm soát được Động cơ nối tiếp phù hợp với những ứng dụng cần mô men khởi động lớn, như cần cẩu và tời

d Động cơ điện kích từ hỗn hợp một chiều

Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều là kết hợp của động cơ nối tiếp và động cơ kích từ song song Ở động cơ kích từ hỗn hợp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng (A) như minh hoạ trong hình 6 Nhờ vậy,động cơ loại này có mô men khởi động tốt và tốc độ ổn định Tỷ lệ phần trăm đấu hỗn hợp (tức là tỷ lệ phần trăm của cuộn kích từ được đấu nối tiếp) càng cao thì mô men khởi động của động cơ càng cao Ví dụ động cơ có tỷ lệ đấu hỗn hợp là 40-50% thích hợp với tời và cần cẩu, còn động cơ kích từ hỗn hợp chuẩn (12%) lại không thích hợp với hai loại thiết bị này (myElectrical, 2005)

1.4:Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều

a Sơ đồ nguyên lý

-E

R­

Rf­

Rfk IKT

U­

Iư

Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho roto quay.

Khi phần ứng quay đươc nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động

cơ có chiều quay không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện động Eư còn được gọi là sức phản điện

Phương trình điện là: U=Eư Rư.Iư

2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

2.1:Nguyên lý điều khiển bằng từ thông động cơ

a Sơ đồ nguyên lý

Khi thay đổi từ thông thì tốc độ động cơ thay đổi gần như theo tỷ lệ nghịch, còn dòng điện ngắn mạch không đổi Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển bằng từ thông được trình bày trên hình 3.5, trong đó dòng kích từ Ikt và từ và từ thông Φ có thể thay đổi nhờ biến trở Rfk hoặc nhờ bộ nguồn kích từ có điện áp kích từ Ukt thay đổi

Rfk IKT

+

-UKT

Rfk IKT

a) Động cơ một chiều kích từ độc lập b) Động cơ một chiều kích từ song song

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ω0=Uđm/KΦ - tỷ lệ nghịch với từ thông: Φ càng giảm thì ω0 càng tăng.

βΦ=(KΦ)2/Rư - tỷ lệ nghịch với bình phương của từ thông: Φ càng giảm thì βΦ càng giảm và độ sụt tốc Δω càng lớn

Đặc tính cơ tự nhiên và các đặc tính điều chỉnh được trình bày trên hình 3.6 Trong đó đặc tính cơ tự nhiên có Φ=Φđm ở vị trí thấp nhất, còn các đặc tính điều chỉnh ứng với các từ thông Φ < Φđm có vị trí cao hơn

Ta thấy ở trong vùng phụ tải từ 0 ÷ < 2Mđm thì khi từ thông giảm, ω0 sẽ tăng nhiều hơn so với phần tăng của độ sụt tốc Δω và kết quả là tốc độ động cơ tăng lên Ở vùng phụ tải lớn, độ sụt tốc có thể tăng nhiều hơn, nên tốc độ có thể lại giảm khi ta giảm từ thông, tuy nhiên vùng này ít gặp trong thực tế

ω ω02

ω01 ω0 0

Mô men tải cho phép của động cơ là:

Trong đó: Φ là đại lượng biến đổi, ta có thể tìm được biểu thức của nó nhờ

phương trình cân bằng điện áp trong mạch phần ứng: Uđm=E + Iư Rư ≈ E ≈ KΦω

Hình 3.6 Đặc tính cơ khi điều chỉnh từ thông của động cơ một chiều

2.2:Nguyên lý điều khiển bằng điện áp phần ứng

a Sơ đồ nguyên lý

Khi giữ từ thông không đổi Φ=Φđm, không nối thêm điện trở phụ Rfư ta có thể điềuchỉnh tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Uư Để tạo ra được điện

áp Uư thay đổi, người ta sử dụng các bộ nguồn “thiết bị biến đổi điều khiển” làm chứcnăng biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều và điều chỉnh sức điện động Ebcủa nó theo tín hiệu điều khiển Ví dụ: máy phát điện một chiều kích từ độc lập là mộtloại thiết bị biến đổi, có sức điện động Ef điều chỉnh theo điện áp kích từ của nó (Ukt),hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển có sức điện động Eb thay đổi theo điện áp điều khiển đưavào mạch tạo xung mở van (Uđk) Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế của hệ được vẽtrên hình 3.8

max

Hình 3.7 Đặc tính mô men tải cho phép của động cơ một chiều

khi điều chỉnh từ thông

Mđm

Mtcp= f(Φđm)ω)

Mmin TN

Đ BĐ

Uđk

~

Hình 3.8 Hệ điều khiển động cơ một chiều bằng điện áp phần ứng

Eb - sức điện động của bộ biến đổi, phụ thuộc vào điện áp điều khiển:

Eb=f(Uđk);

E - sức điện động của động cơ: E=KΦđmω

Rb - điện trở trong của bộ biến đổi, thường có giá trị đáng kể, hoặc xấp xỉ bằng vớiđiện trở phần ứng động cơ (Rb ≈ Rư)

Từ đó ta có:

ω= E b KΦΦ đm−

R ­+R b KΦΦ đm I ­=ω0−Δω−−

(3.20)

ω= E b KΦΦ đm−

Khi điều khiển bằng điện áp phần ứng ta thấy phương pháp này có các chỉ tiêu chấtlượng cao:

- Hệ có khả năng điều chỉnh triệt để, nghĩa là thay đổi được cả tốc độ không tải lýtưởng;

- Độ cứng đặc tính cơ được giữ không đổi:

0i i

min

min.R Uđk1

Uđki ĐTRfư

- Phương pháp điều khiển động cơ bằng điện áp phần ứng đảm bảo độ tinh cao, có thểđiều chỉnh vô cấp và tổn hao năng lượng ít;

- Dải điều chỉnh tương đối rộng: tốc độ cực đại tương ứng với điện áp định mức củađộng cơ (Eb.max ≈ Uđm) nên ωmax ≈ ωđm (tương tự như ở phương pháp điều khiển bằngđiện trở phụ Rfư); còn tốc độ cực tiểu ωmin nhỏ hơn nhiều so với phương pháp dùng Rfư,

do đó dải điều chỉnh D=ωmax/ ωmin khá rộng Trên hình 3.9 đưa ra sự so sánh về ωmin củaphương pháp này và ωmin-R của phương pháp dùng điện trở phụ khi có cùng yêu cầuđảm bảo khả năng quá tải như nhau (cùng giá trị Mc.max)

Bằng cách tương tự như ở mục 3.2.1, ta có thể tìm được biểu thức của dải điều chỉnhtốc độ Theo yêu cầu của khả năng quá tải với Kqt=Mc.max/Mđm ta có:

Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sử đụng ba loại bộ biến đổi sau:

Bộ biến đổi máy phát điện một chiều

Bộ biến đổi xung áp một chiều

Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau:

Hệ máy phát-động cơ

Hệ điều chỉnh xung áp - động cơ

Hệ chỉnh lưu Tiristo – đông cơ

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

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

Sơ đồ nguyên lý

Mô hình tĩnh

Mô hình động

Từ đó ta có mô hình động của động cơ một chiều kích từ độc lập

Tính toán thông số động cơ:

- Hệ số phản sức điện động: K b  K t 1,9958  Vs/rad 

- Mô men quán tính của hệ: J  2,97  m  0,01 = 2,97  5 0,01 = 3.02  kgm 2



Mô men định mức

Mđm = P/ω = 2 π∗n P∗60 = 35∗1000∗602 π∗1000 = 334.23 NmKtΦ = Mđm/Iđm = 334.23/168 = 1.99

Tìm hàm truyền đối tượng

W1(s) = Ls+R1 = 0.0034 s +0.0711W2(s) = W4(s) = KtΦ = 1.99W3(s) = 1/(Js) = 3.02 s1W(s) = 1+ W 1∗W 2∗W 3∗W 4 W 1∗W 2∗W 3 = 1.99

Mô hình toán học bộ điện tử công suất(chỉnh lưu cầu 3 pha)

Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu có điều khiển

Mạch điều khiển biến đổi điện áp một chiều Uđk thành xung điện áp có góc điều khiển ∝ thích hợp đưa vào mở Thyristor cấp nguồn cho động cơ

Khi đầu vào biến thiên một lượng ∆Uđk thì đầu ra biến thiên một lượng ∆Ud Tín hiệu ra bị trễ so với tín hiệu vào:

Ud(t) = Kcl Uđk 1[t-Tv]

Trong đó:

ω: tốc độ góc điện áp lướiTv: thời gian trễ của van

Hàm truyền bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyến:

1 Giới thiệu bộ điều khiển PID

2 Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID

3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống

- Để khử thời gian lớn nhất ta chọn:

Vậy tính được các tham số của bộ PI:

Mô phỏng trên matlab:

Hình 3.2 Mô phỏng trên Matlab của toàn hệ thống khi có bộ ĐK PI

Nhận xét: Khi thiết kế bộ PI thì ta thấy chỉ tiêu chất lượng bám cụ thể

Z1,2 = r( cos() ± jsin() ) = 0.57 ± j0.29

Đa thức đặc tính của hệ thống kín

M’(z) = z2 - 2rcos()z+ r2 = z2 - 1.14z + 0.41

- Vậy nhiệm vụ của ta là thiết kế bộ PI khác hợp lý hơn

Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng không loại bỏ sai số xác lập Điều khiển tích phân (KI) sẽ loại bỏ sai số xác lập nhưng có thể làm đáp ứng quá độ xấu đi Điều khiển vi phân (KD) có tác dụng làm tăng sự ổn định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ Ảnh

hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, KI, KD lên hệ thống vòng kín được tóm tắt bởi

bảng sau:

Hình 3.3 Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp , KI , KD

Dựa vào bảng trên ta thấy muốn độ vọt lố hay độ quá điều chỉnh giảm xuống

ta phải giảm KP và tăng KI

- Ta thấy chọn 𝑲𝑷 = 𝟏 và 𝑲 𝑰 = 𝟑𝟎 là thỏa mãn yêu cầu bài toán

Hình 3.4 Mô phỏng trên Matlab của toàn hệ thống khi tinh chỉnh lại bộ điều khiển PI.

Chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc:

- Áp dụng công thức chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc theo công thức:

Trong đó:

𝑻(𝒔) là chu kì lấy mẫu

Biến đổi ta được PI(z) rời rạc của vòng điều chỉnh tốc độ:

Mô hình bộ điều khiển PI(z):

18

Hình 3.5 Mô hình bộ điều khiển PI(z) trên Matlab

Kết quả mô phỏng trên matlab simulink

1 Mô phỏng chế độ không tải, nhận xét

- Mô hình hệ thống trên Matlab:

- Kết quả mô phỏng:

Hình 4.2 Đáp ứng tốc độ ở chế độ không tải khi tốc độ đặt 250v/phút

19

Nhận xét: Đầu ra đáp ứng tốt khi không có tải và hầu như không có sai lệch

- Đáp ứng của dòng điện:

Hình 4.3 Đáp ứng của dòng điện khi không tải

Nhận xét: Đầu ra đáp ứng tốt khi không có tải và hầu như không có sai lệch

2 Mô phỏng chế độ tải định mức, nhận xét

- Kết quả mô phỏng khi giá trị đặt tốc độ là 250 v/phút và có tải định mức:

Hình 4.4 Đáp ứng tốc độ đầu ra khi tải định mức

20

- Dòng điện tăng lên khá cao

3.Khảo sát chế độ tải xung, nhận xét

Kết quả mô phỏng khi giá trị đặt tốc độ là 250 v/phút và có tải xung:

21

Hình 4.6 Đáp ứng tốc độ đầu ra khi tải xung

23

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰU HỆ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1 Tính các dữ kiện của van trong mạch cầu H

Với bài này ta sẽ sử dụng Mạch cầu H dùng van MOSFET:

MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tứcTransisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn Hình 11 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p

Hình 5.1 Cấu tạo của van MOSFET

MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và

C của BJT Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các tài liệu về điện tử, ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân Glớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn Khi đó điện trở giữa 2 chân

D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1)

MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu

H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho

các mạch công suất lớn Do cách thức hoạt động, có thể hình dung

MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh

P tương đương BJT loại pnp Thông thường các nhà sản xuất

MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và

1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và

thường được dùng cùng nhau Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương

đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS) Cũng giống như

BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ

thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các

24