NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 1 ........................................ 1 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 2 ........................................ 2 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .............................................. 3 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................... 10 LỜI CÁM ƠN .................................................................................................................... 11 PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN ............................................................................................. 12 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................. 12 2. Mục đích nghiên cứu............................................................................................ 12 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................... 12 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 13 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài .................................................................... 13 6. Bố cục của đề tài .................................................................................................. 13 PHẦN 2: NỘI DUNG ....................................................................................................... 14 Chƣơng 1: Điều khiển động cơ điện một chiều ................................................................. 14 1.1. Đại cƣơng về động cơ điện một chiều ................................................................. 14 1.1.1. Cấu tạo .......................................................................................................... 14 1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.......................................... 14 1.1.3. Các phƣơng trình cơ bản của động cơ điện một chiều. ................................ 15 1.1.4. Phân loại động cơ điện 1 chiều ..................................................................... 18 1.1.5. Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều ............................................................. 19 1.2. Sơ đồ khối điều khiển .......................................................................................... 19 1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh động cơ DC ........................................................... 20 1.3.1. Phƣơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng................................................... 20 1.3.2. Phƣơng pháp điều chỉnh từ thông kích từ ..................................................... 21 1.3.3. Điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ .......................... 22 1.3.4. Phƣơng pháp thay đổi điện trở phần ứng...................................................... 23 1.4. Mô tả toán học cho động cơ điện một chiều ( khi kể đến Mms=f.ω ). ............ 24 1.4.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều ................................................. 24 1.4.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều .................................................. 25 1.5. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều ........................................................ 30 5 1.5.1. Hệ thống truyền động máy phát_ động cơ một chiều (F-Đ). ....................... 30 1.5.2. Hệ thống chỉnh lƣu_ động cơ một chiều (van – động cơ). .......................... 32 1.5.3. Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp_ động cơ (XA_Đ). ........................ 35 Chƣơng 2: Thuật toán điều khiển PID ............................................................................... 37 2.1. Giới thiệu chung. ..................................................................................................... 37 2.2. Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID số ......................................................... 37 2.2.1. Xấp xỉ thành phần P ...................................................................................... 38 2.2.2. Xấp xỉ thành phần I ....................................................................................... 38 2.2.3. Xấp xỉ thành phần D ..................................................................................... 38 2.2.4. Xấp xỉ luật PID ............................................................................................. 39 2.3. Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID số ................................................. 41 Chƣơng 3: Vi điều khiển PIC 18F4550 và phần mềm Labview ....................................... 48 3.1. Vi điều khiển PIC 18F4550.................................................................................. 48 3.1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 48 3.1.2. Vi điều khiển Pic 18F4550 ........................................................................... 49 3.2. Lập trình trong môi trƣờng LABVIEW ............................................................... 54 3.2.1. Khái quát chung về phần mềm Labview ...................................................... 54 3.2.2. Kĩ thuật lập trình Labview ............................................................................ 55 3.3. PID trong LabView .............................................................................................. 56 3.3.1. Cấu tạo của PID trong LabView ................................................................... 56 3.3.2. Toolkit PID ................................................................................................... 57 Chƣơng 4: Thiết kế hệ truyền động động cơ điện một chiều ............................................ 62 4.1. Yêu cầu thiết kế ................................................................................................... 62 4.2. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ DC ..................................................... 62 4.2.1. Phân tích chất lƣợng hệ thống ở chế độ tĩnh ................................................ 63 4.2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ ................................. 70 4.2.3. Xây dựng đƣờng đặc tính của hệ thống kín .................................................. 77 4.2.4. Kiểm tra chất lƣợng hệ thống ....................................................................... 80 4.3. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ sử dụng trong mô hình ...................... 83 4.4. Thiết kế mạch điều khiển động cơ ....................................................................... 90 4.4.1. Khối nguồn (15V) ......................................................................................... 90 4.4.2. Thiết kế mạch điều khiển .............................................................................. 91 6 4.4.3. Thiết kế mạch lực ......................................................................................... 92 4.4.4. Thiết kế giao diện điều khiển Labview ........................................................ 95 4.4.5. Lƣu đồ thuật toán .......................................................................................... 96 4.5. Kết quả đạt đƣợc .................................................................................................. 97 Chƣơng V: Kết luận và kiến nghị .................................................................................... 100 5.1. Kết luận .............................................................................................................. 100 5.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 101 PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 102
Trang 1NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
Hưng Yên, ngày tháng năm 2012
Cán bộ hướng dẫn 1
Trang 2NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
Hưng Yên, ngày tháng năm 2012
Cán bộ hướng dẫn 2
Trang 3NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
Hưng Yên, ngày tháng năm 2012
Giáo viên phản biện
Trang 4MỤC LỤC
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1 1
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2 2
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 3
LỜI NÓI ĐẦU 10
LỜI CÁM ƠN 11
PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 12
1 Lý do chọn đề tài 12
2 Mục đích nghiên cứu 12
3 Nhiệm vụ nghiên cứu 12
4 Phương pháp nghiên cứu 13
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 13
6 Bố cục của đề tài 13
PHẦN 2: NỘI DUNG 14
Chương 1: Điều khiển động cơ điện một chiều 14
1.1 Đại cương về động cơ điện một chiều 14
1.1.1 Cấu tạo 14
1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 14
1.1.3 Các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều 15
1.1.4 Phân loại động cơ điện 1 chiều 18
1.1.5 Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều 19
1.2 Sơ đồ khối điều khiển 19
1.3 Các phương pháp điều chỉnh động cơ DC 20
1.3.1 Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng 20
1.3.2 Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ 21
1.3.3 Điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ 22
1.3.4 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 23
1.4 Mô tả toán học cho động cơ điện một chiều ( khi kể đến Mms = f ω ) 24
1.4.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều 24
1.4.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều 25
1.5 Các hệ truyền động động cơ điện một chiều 30
Trang 51.5.1 Hệ thống truyền động máy phát_ động cơ một chiều (F-Đ) 30
1.5.2 Hệ thống chỉnh lưu_ động cơ một chiều (van – động cơ) 32
1.5.3 Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp_ động cơ (XA_Đ) 35
Chương 2: Thuật toán điều khiển PID 37
2.1 Giới thiệu chung 37
2.2 Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID số 37
2.2.1 Xấp xỉ thành phần P 38
2.2.2 Xấp xỉ thành phần I 38
2.2.3 Xấp xỉ thành phần D 38
2.2.4 Xấp xỉ luật PID 39
2.3 Các phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID số 41
Chương 3: Vi điều khiển PIC 18F4550 và phần mềm Labview 48
3.1 Vi điều khiển PIC 18F4550 48
3.1.1 Giới thiệu chung 48
3.1.2 Vi điều khiển Pic 18F4550 49
3.2 Lập trình trong môi trường LABVIEW 54
3.2.1 Khái quát chung về phần mềm Labview 54
3.2.2 Kĩ thuật lập trình Labview 55
3.3 PID trong LabView 56
3.3.1 Cấu tạo của PID trong LabView 56
3.3.2 Toolkit PID 57
Chương 4: Thiết kế hệ truyền động động cơ điện một chiều 62
4.1 Yêu cầu thiết kế 62
4.2 Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ DC 62
4.2.1 Phân tích chất lượng hệ thống ở chế độ tĩnh 63
4.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ 70
4.2.3 Xây dựng đường đặc tính của hệ thống kín 77
4.2.4 Kiểm tra chất lượng hệ thống 80
4.3 Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ sử dụng trong mô hình 83
4.4 Thiết kế mạch điều khiển động cơ 90
4.4.1 Khối nguồn (15V) 90
4.4.2 Thiết kế mạch điều khiển 91
Trang 64.4.3 Thiết kế mạch lực 92
4.4.4 Thiết kế giao diện điều khiển Labview 95
4.4.5 Lưu đồ thuật toán 96
4.5 Kết quả đạt được 97
Chương V: Kết luận và kiến nghị 100
5.1 Kết luận 100
5.2 Kiến nghị 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 101
PHỤ LỤC 102
Trang 7MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Đặc tính cơ các loại động cơ DC 17
Hình 1.2: Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 18
Hình 1.3: Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp 18
Hình 1.4: Động cơ điện 1 chiều kích từ song song 18
Hình 1.5: Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp 19
Hình 1.6: Sơ đồ khối điều khiển số 19
Hình 1.7: Các đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ DC 20
Hình 1.8: Đặc tính cơ và cơ điện khi giảm từ thông kích từ động cơ điện một chiều 21
Hình 1.9: Giới hạn momen và tốc độ khi điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông 22
Hình 1.10: Đặc tính động cơ DC khi đưa thêm điện trở phụ vào phần ứng 23
Hình 1.11: Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều 24
Hình 1.12: Sơ đồ đồ cấu trúc đầy đủ của động cơ điện một chiều 26
Hình 1.13: Đường đặc tính tuyến tính hóa 26
Hình 1.14: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa 27
Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 28
Hình 1.16: Các sơ đồ cấu trúc thu gọn 29
Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy phát động cơ 30
Hình 1.18: Đặc tính cơ hệ F_Đ 31
Hình 1.19: Đặc tính cơ của động cơ trong chế độ hãm ngược 32
Hình 1.20: Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu hình tia 3 pha 33
Hình 1.21: Đồ thị thời gian chế độ dòng điện liên tục 34
Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý của bộ điều chỉnh xung áp loại A 35
Hình 2.1 Sơ đồ bộ điều khiển PID số 39
Hình 2.2 Chống bão hòa tích phân 40
Hình 2.3 Điều khiển bằng bộ điều khiển PID 41
Hình 2.4: Đặc tính yêu cầu sau điều chỉnh của bộ điều khiển PID 45
Hình 2.5 Các dạng đặc đặc tính của y(t) theo phương pháp Ziegler-Nichols 1 45
Hình 2.6 Các dạng đặc đặc tính của y(t) theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 46
Hình 3.1 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4550 50
Trang 8Hình 3.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4550 51
Hình 3.3 Ví dụ sơ đồ khối bộ điều khiển PID sử dụng hàm toán học 57
Hình 3.4 Ví dụ sơ đồ khối bộ điều khiển PID trong bộ công cụ 61
Hình 4.1: Sơ đồ khối phần cứng mạch điều khiển 62
Hình 4.2: Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn 90
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 91
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch lực 94
Hình 4.5: Giao diện Block Diagram 95
Hình 4.6: Giao diện điều khiển Front panel 96
Hình 4.7: Đặc tính điều khiển tốc độ khi không tải 97
Hình 4.8: Đặc tính điều khiển tốc độ khi có tải 97
Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý toàn bộ mạch 98
Hình 4.10: Sơ đồ mạch in toàn bộ mạch 99
Hình 4.11: Sơ đồ bố trí toàn bộ linh kiện trong mạch 99
Trang 10LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo đó là những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực đời sống, công nghiệp Kĩ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử
lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn
Có thể nói lĩnh lực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như Digital Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế Rõ ràng nếu
có thiết kế và lựa chọn thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được chỉ tiêu chất lượng mong muốn và khả thi bộ điều khiển PID cũng giúp cho người sử dụng dễ dàng tích cũng như chọn các luật điều khiển như: tỉ lệ (P), tích phân (D), tỉ lệ tích phân (PI), tỉ lệ vi phân (PD),… sao cho phù hợp với các đối tượng điều khiển Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…? Ngay cả những lý thuyết điều khiển thích nghi, bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định
Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ điện một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động Có thể thiết kế cho đối tượng động cơ điện một chiều theo nhiều phương pháp như: dùng PLC và biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển… Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm khác nhau nhưng đều có mục đích ổn định và điều khiển được tốc độ động cơ Ngày nay vi điều khiển phát triển sâu rộng và ngày càng ứng dụng nhiều trong cài đặt thiết kế bộ điều khiển cho các đối tượng công nghiệp Trên cơ sở muốn tìm hiểu về lĩnh vực vi điều khiển chúng em chọn đề tài tốt
nghiệp: “ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ” dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của cô
Nguyễn Phương Thảo và thầy Đỗ Công Thắng, cùng với sự nỗ lực của các thành viên
trong nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài được giao
Hưng Yên, ngày… tháng… năm 2012
Trang 11án Sự hướng dẫn của thầy cô là một yếu tố quan trọng để chúng em có thể hoàn thành đồ
án này
Cuối cùng em xin chân thành gửi những lời cám ơn sâu sắc tới cha mẹ và gia đình, những người luôn sát cánh cùng chúng em, nuôi dưỡng chăm sóc, tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả như ngày hôm hay
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 12PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN
1 Lý do chọn đề tài
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như Digital Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID Rõ ràng nếu có thiết kế và lựa chọn các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như: tỉ lệ (P), tích phân (I), tỉ lệ tích phân (PI), tỉ lệ vi phân (PD) … sao cho phù hợp với các đối tượng điều khiển Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…? Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi, bền vững vẫn đem lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định
Đặc biệt, trong các trường Đại Học và Cao Đẳng trong cả nước thì việc sử dụng những công nghệ của khoa học kỹ thuật để chế tạo ra các mô hình có khả năng ứng dụng cao trong cuộc sống luôn là điều mong mỏi của các thầy cô mà còn là niềm mong đợi của rất nhiều sinh viên khoa Điện_ Điện Tử trường ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN Xuất phát từ nhu cầu thực tế về sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cùng với những tính ưu việt mà bộ điều khiển PID số đem lại chúng em được nhận đề tài tốt nghiệp: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ”
Chúng em đã có thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện đề tài, đến nay đã hoàn thành các nội dung đề tài yêu cầu
2 Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển PID
Khảo sát và thi công mạch
Kiểm tra và đánh giá bộ điều khiển
Nghiên cứu giải thuật và các chương trình ứng dụng trên bộ điều khiển PID
3 Nhiệm vụ nghiên cứu
Với nội dung đề tài chúng em đi tìm hiểu và nghiên cứu những nội dung sau:
Tìm hiểu về luật điều khiển PID
Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 18F4550 phần cứng và các tập lệnh điều khiển
Trang 13 Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C, CCS…
Tìm hiểu về phần mềm labview và kết nối máy tính
Thiết kế mạch phần cứng và phần mềm
Hoàn thiện sản phẩm đảm bảo yêu cầu mỹ thuật và kỹ thuật
4 Phương pháp nghiên cứu
Tham khảo và tổng hợp tài liệu trong nước và của nước ngoài
Tiến hành và thực nghiệm trên panel và phần mềm hỗ trợ mô phỏng
Theo dõi, đánh giá và nhận xét các thông số thực nghiệm
Xử lý số liệu, tính toán thiết kế, viết báo cáo
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện phương pháp điều khiển khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển, từ đó mở
ra tiềm năng áp dụng cài đặt vào các thiết bị điều khiển trong công nghiệp làm nâng cao hơn nữa chất lượng điều khiển cho động cơ điện một chiều
6 Bố cục của đề tài
Phần 1: Cơ sở lý luận: lý do chọn đề tài, mục đích, nhiệm vụ, phương pháp nghiên
cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Phần 2: Nội dung
- Chương 1: Điều khiển động cơ điện một chiều
+ Giới thiệu về động cơ điện một chiều
+ Sơ đồ khối điều khiển động cơ điện một chiều
+ Các phương pháp điều chỉnh động cơ DC
+ Mô tả toán học động cơ điện một chiều
+ Các hệ truyền động động cơ điện một chiều
- Chương 2: Thuật toán điều khiển PID
+ Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID tương tự
+ Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID số
+ Các phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID số
- Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 18F4550 và phần mềm Labview
- Chương 4: Hệ truyền động động cơ điện một chiều
+ Thi công mạch phần cứng, mạch điều khiển
+ Chương trình điều khiển
Trang 14PHẦN 2: NỘI DUNG Chương 1: Điều khiển động cơ điện một chiều
1.1 Đại cương về động cơ điện một chiều
1.1.1 Cấu tạo
Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích ) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt 14 Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay Đối với động cơ công suất nhỏ người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
Rotor (còn gọi phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại các rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phấn ứng Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mòn của chổi than
Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi dòng điện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm)
1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích
từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phấn ứng sẽ có một dòng điện I chạy qua Tương tác giữa đòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ Giá trị mômen điện từ được tính như sau: 𝑚 = 𝑝.𝑛
2𝜋𝑎 Φ𝐼 = 𝐾Φ𝐼
Trong đó: p: số đôi cặp cực của động cơ
n: số thanh đẫn phần ứng dưới một cực từ
a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng
k: hệ số kết cấu của máy
Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục
Trang 151.1.3 Các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều
Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu hóa quá trình sản xuất Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động
Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định được gọi là tốc độ đặt Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào các thông số nguồn, mạch và tải nên khi các thông số thay đổi thì tốc
độ động cơ sẽ bị thay đổi theo Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ và có thể không cho phép Để khắc phục người ta dùng những phương pháp ổn định tốc độ
Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng giải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ Độ ổn định càng cao thì khả năng mở rộng và mômen quá tải càng lớn
Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như:
- Điều chỉnh tham số
- Điều chỉnh điện áp nguồn
- Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ
Suất điện động phần ứng: E=KΦ𝜔 (1)
Điện áp phần ứng: U= E+RƯIƯ (2) Mômen phần ứng : M= KΦ𝜔 (3) Trong đó: - U: điện áp của lưới điện một chiều
- E: suất điện động cảm ứng trong cuộn dây rotor khi nó quay trong
từ trường do cuộn dây kích từ tạo ra
- : từ thông trên mỗi cực (Wb)
- IƯ: dòng phần ứng (A)
- U: điện áp phần ứng (V)
- RƯ: điện trở phần ứng (Ω)
- 𝜔: tốc độ động cơ (rad/s)
- 𝑀: mômen phần ứng của động cơ (Nm)
- 𝐾: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ
Trang 16Như vậy đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập là một đường thẳng Tốc
độ không tải của động cơ xác định bởi điện áp cung cấp U và từ thông kích từ K Tốc
độ động cơ giảm khi mômen tải tăng và độ ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng RƯ Trong thực tế do phản ứng phần ứng, từ thông giảm do mômen tăng dẫn đến tốc
độ động cơ suy giảm ít hơn là tính toán theo công thức trên Với mômen lớn từ thông có thể suy giảm đến mức độ dốc đặc tính cơ trở nên dương dẫn đến hoạt động không ổn định Vì vậy, cuộn bù thường hay được sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng Với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi không tải khoảng 50%
Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp, từ thông là một hàm của dòng phần ứng Nếu giả thiết động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hóa, có thể xem từ thông tỉ lệ bậc nhất với dòng phần ứng, nghĩa là: =KktI (7)
Thay (7) vào (1), (4) vào (5) ta được:
Trang 17Hình 1.1: Đặc tính cơ các loại động cơ DC
Đặc tính của động cơ một chiều kích từ nối tiếp được vẽ như hình trên Có thể thấy rằng tốc độ của động cơ suy giảm nhiều theo mômen tải Tuy nhiên trong thực tế, các động cơ tiêu chuẩn thường được thiết kế làm việc tại các cánh chỏ (Knê-point) của đặc tính từ hóa khi mang tải định mức Với tải trên định mức, mạch từ động cơ bão hòa, khi
đó từ thông không thay đổi nhiều theo dòng tải 𝐼ư dẫn đến đặc tính cơ tiệm cận với đường thẳng
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi momen khởi động cao và có thể quá tải nặng Với momen tải nặng, từ thông động cơ cũng tăng theo Như vậy với cùng một lượng gia tăng của momen như nhau, dòng phần ứng 𝐼ư của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập Do đó, trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập
Theo công thức (10), tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của momen Vì vậy tốc độ động cơ khi không tải có thể tăng lên rất cao, chỉ bị hạn chế bởi từ dư của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc độ định mức Điều này không cho phép với máy điện – thường chỉ cho phép hoạt động gấp hai lần tốc độ định mức Do đó động cơ kích từ nối tiếp không được dùng với các ứng dụng trong đó momen tải có thể nhỏ đến mức làm tốc độ động cơ vượt mức giới hạn cho phép
Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng như biểu diễn hình trên Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ qua cuộn song song, trong khi
độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song song và cuộn nối tiếp Động
Trang 18cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần có đặc tính cơ tương tự động
cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độ không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp
1.1.4 Phân loại động cơ điện 1 chiều
Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều ra các loại sau:
- Động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ
được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ
Hình 1.2: Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng
Hình 1.3: Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng
Hình 1.4: Động cơ điện 1 chiều kích từ song song
Trang 19- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại song song với phần ứng
Hình 1.5: Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp
Trong mô hình chúng em lựa chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập với P=32,8W, U=14,8V
1.1.5 Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều
Do động cơ điện một chiều có kích thước nhỏ, gọn, dễ vận hành; không gây ô nhiễm môi trường, có nhiều cỡ công suất khác nhau, và hiệu suất cao nên động cơ điện thường được sử dụng làm bộ phận chủ yếu của quạt máy, máy cassette, đầu máy video, máy khoan, máy sấy tóc, máy bơm, máy quạt thóc, máy tuốt lúa,…
1.2 Sơ đồ khối điều khiển
Hệ điều khiển số bao gồm hệ thu nhập xử lý tín hiệu vi xử lý, vi điều khiển, các hệ thống lớn có máy tính số…
Hình 1.6: Sơ đồ khối điều khiển số
Hệ thống điều khiển số bao gồm hai loại khâu cơ bản:
- Khâu có bản chất gián đoạn: Các tín hiệu vào và ra trạng thái đều gián đoạn về thời gian và mức Khâu này miêu tả các thiết bị điều khiển Digital
- Khâu có bản chất liên tục: Miêu tả đối tượng điều khiển Việc gián đoạn xuất phát
từ mô hình trạng thái liên tục của đối tượng
- Bộ biến đổi A/D: Làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu tương tự sang số
- Bộ biến đổi D/A: Làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu số sang tương tự
Trang 201.3 Các phương pháp điều chỉnh động cơ DC
Từ công thức (5) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ - momen động cơ, ta có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng ba phương pháp sau:
1 Điều khiển điện áp phần ứng
2 Điều khiển từ thông
3 Điều khiển điện trở phần ứng
1.3.1 Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng
Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh điện
áp cung cấp cho phần ứng động được vẽ như hình sau:
a) Động cơ kích từ độc lập b) Động cơ kích từ nối tiếp
Hình 1.7: Các đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp
phần ứng của động cơ DC
Các đặc tính này suy ra từ công thức (5) với điện áp U thay đổi Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bất kì tốc độ, momen nằm giữa đường đặc tính cơ tự nhiên và trục momen Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới định mức, phương pháp này chỉ dùng để điều chỉnh động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn hoặc đặc tính tự nhiên Tính chất quan trọng của phương pháp này lá độ cứng đặc tính cơ không thay đổi khi tốc độ động cơ được điều chỉnh Điều này khiến hệ có khả năng đáp ứng với tải có momen hằng số vì dòng phần úng cực đại cho phép 𝐼ư𝑚𝑎𝑥- tương ứng với nó là momen tải cực đại cho phép- của động cơ không đổi với mọi tốc độ
Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều khiển bằng cách sử dụng:
- Máy phát DC (hệ máy phát –động cơ)
- Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC DC)
Trang 21- Bộ Chopper (bộ biiến đổi xung áp) (DC DC)
Nhận xét:
- Ưu điểm: + Không gây ồn
+ Không gây tổn hao phụ trong động cơ + Độ cứng đặc tính cơ không đổi trong dải điều chỉnh + Dễ tự động hóa
- Nhược điểm: + Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra
+ Điều khiển phức tạp
1.3.2 Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ
Điều khiển từ thông được sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của động cơ cao
hơn tốc độ định mức Có thể thấy điều đó qua công thức (5)
Hình 1.8: Đặc tính cơ và cơ điện khi giảm từ thông kích từ
động cơ điện một chiều
Tốc độc cao của động cơ đạt được khi giảm từ thông bị hạn chế bởi:
- Sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phần ứng
- Giới hạn về mặt cơ khí của dộng cơ: các động cơ thông thường cho phếp tốc độ đạt
đến 1,5-2 lần tốc độ định mức Một số động cơ chế tạo đặc biệt cho phép tốc độ cao nhất
đạt tới 6 lần định mức
Đối với động cơ Dc kích từ độc lập và song song, công suất cực đại cho phép của
động cơ gần như không đổi với mọi tốc độ khi điều khiển từ thông Có thể thấy điều này
nếu giả thiết là dòng cực đại cho phép, I của động cơ không thay đổi khi điều chỉnh từ
Trang 22thông và điện áp cung cấp cho phần ứng, U là định mức Khi đó, sức điện động của động
cơ, E= U –RI là hằng số Vì vậy công suất điện từ cực đại cho phép của động cơ sẽ biến thiên tỉ lệ nghịch với tốc độ
Với động cơ DC kích từ độc lập, việc điều khiển kích từ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp từ với bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc bộ chopper, tùy theo nguồn cung cấp được sử dụng là AC hoặc DC Với động cơ công suất nhỏ, cũng xó thể nối tiếp biến trở vào mạch kích từ để điều khiển từ thông
Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ thông được thực hiện bằng cách thay đổi điện trở song song với cuộn kích từ Một số động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ nhiều đầu ra, và do đó có thể thay đổi từ thông bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn kích từ
Nhận xét:
- Ưu điểm: Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thất năng lượng nhỏ
- Nhược điểm: Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên
1.3.3 Điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ
Phương pháp này được sử dụng khi cần thiết điều chỉnh tốc độ động cơ trong một dải rộng trên và dưới tốc độ định mức Tốc độ dưới tốc độ định mức được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong khi giữ kích từ ở giá trị định mức Tốc độ trên định mức được biểu diễn bằng cách thay đổi điện áp kích từ
Giới hạn của momen và công suất ra khi điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và
từ thông kích từ
Hình 1.9: Giới hạn momen và tốc độ khi điều chỉnh hỗn hợp
điện áp phần ứng và từ thông
Trang 231.3.4 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập và nối tiếp khi điều khiển tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào phần ứng
a) Động cơ kích từ độc lập b) Động cơ kích từ nối tiếp
Hình 1.10: Đặc tính động cơ DC khi đưa thêm
điện trở phụ vào phần ứng
Khuyết điểm chính của phương pháp này là có hiệu suất của hệ thống rất kém và
độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là hoạt động ở tốc độ thấp Do đó, phương pháp này hiện nay ít được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, trừ các trường hợp:
- Khởi động động cơ
- Thay đổi tốc độ động cơ trong một thời gian ngắn trong chế độ ngắn hạn hoặc chế
độ ngắn hạn lặp lại
Nhận xét: Nếu 𝑅𝑓 càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời 𝐼𝑛𝑚 và 𝑀𝑛𝑚
cũng giảm Phương pháp này được dung để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi động
- Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện
- Nhược điểm: + Độ cứng đặc tính cơ thấp
+ Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn + Phạm vi điều chỉnh hẹp
Kết luận: Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp
thay đổi điện áp phần ứng càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác Vì vậy trong mô hình chúng em đã lựa chọn phương pháp này để điều
chỉnh động cơ DC
Trang 241.4 Mô tả toán học cho động cơ điện một chiều ( khi kể đến 𝑴𝒎𝒔 = 𝒇 𝝎 )
Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
- 𝜔, 𝑀, 𝑀𝑐: Tốc độ góc, momen điện từ và momen cản của động cơ
1.4.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp UK nào đó, thì trong dây quấn kích từ sẽ
có dòng điện iK và khi đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Ф Tiếp đó lại đặt giá trị điện
áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng và từ thông mạch kích từ sẽ tạo ra momen điện từ có giá trị:
𝑀 = 𝑁 𝑃
′
2𝜋 𝑎 Ф 𝐼 Với 𝑘 = 𝑁.𝑃′
2𝜋.𝑎 là hệ số kết cấu của máy Momen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục => sinh ra sức điện động:
Trang 25𝐸 = 𝑁 𝑃
′
2𝜋 𝑎 Ф 𝜔 = k Ф 𝜔 Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng: 𝑈 = 𝐸 + 𝑅ư𝐼ư
𝑅ư: Điện trở cuộn dây kích từ
=> Biến đổi Laplace ta được: 𝑈𝑘(𝑃) = 𝑅𝑘𝐼𝑘(𝑃)+ 𝑁𝑘Ф(𝑃)
𝑅ư hằng số thời gian của mạch phần ứng
Phương trình chuyển động của hệ thống
Trang 26 Ở dạng đầy đủ:
Hình 1.12: Sơ đồ đồ cấu trúc đầy đủ của động cơ điện một chiều
Sơ đồ hình 1.12 là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc
a) Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa b) Tuyến tính hóa đặc tính tải
Hình 1.13: Đường đặc tính tuyến tính hóa
Tại điểm làm việc xác lập có: Điện áp phần ứng 𝑈0; dòng phần ứng 𝐼0; tốc độ 𝜔𝐵; điện áp kích từ 𝑈𝐾𝑜; từ thông Ф0; dòng kích từ 𝐼𝐾𝑜 và momen tải 𝑀𝐶𝐵 biến thiên nhỏ của nhưng lại lượng trên tương ứng là: ∆𝑈(𝑃); ∆𝐼(𝑃); ∆𝜔(𝑃), ∆𝑈𝑘 (𝑃); ∆𝐼𝐾(𝑃); ∆Ф(𝑃); ∆𝑀𝐶(𝑃)
Trang 27- Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập thì 𝑁𝑁 = 0 => các phương trình sau: + Mạch phần ứng:
Từ đây ta có sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa theo phương trình (4), (5)
Hình 1.14: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa
Trang 28b) Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi
KФ = Cu = const Phương trình phần ứng:
𝑈(𝑃) = 𝑅ư𝐼 𝑃 1 + 𝑃 𝜏ư + 𝐶𝑢 𝜔 𝑃 (6) Phương trình cân bằng momen:
𝐶𝑢 𝐼 𝑃 − 𝑀𝑐(𝑃)+ 𝑀𝑚𝑠 (𝑃) = 𝐽 𝑃 𝜔(𝑃)
𝐶𝑢 𝐼 𝑃 − 𝑀𝑐(𝑃) − 𝑓 𝜔 𝑃 = 𝐽 𝑃 𝜔(𝑃) (7)
Từ các phương trình trên ta có sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi
- Sơ đồ đầy đủ:
Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
Bằng phương pháp đại số ta có sơ đồ thu gọn:
Trang 29Sơ đồ cấu trúc thu gọn (hình 1.16a)
Tương tự ta biến đổi đại số theo dòng điện ta được:
Trang 301.5 Các hệ truyền động động cơ điện một chiều
1.5.1 Hệ thống truyền động máy phát_ động cơ một chiều (F-Đ)
a) Cấu trúc hệ F_Đ và các đặc tính cơ bản
Hệ thống máy phát - động cơ (F_Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi
Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính:
- Đặc tính từ hóa: là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ
- Đặc tính tải: là sự phụ thuộc của điện áp trên 2 cực của máy phát vào dòng điện tải Tuyến tính hóa các đặc tính: 𝐸𝐹 = 𝐾𝐹 Φ𝐹 𝜔𝐹 = 𝐾𝐹 𝜔𝐹 𝐶 𝑖𝐾𝐹
Trong đó: 𝐾𝐹: hệ số kết cấu của máy phát; C=∆Φ𝐹/∆𝑖𝐾𝐹:hệ số góc của đặc tính từ hóa Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng 𝑈𝐾𝐹 thì:
𝑖𝐾𝐹 =𝑈𝐾𝐹
𝑟𝐾𝐹Sức điện động của máy phát: 𝐸𝐹 = 𝐾𝐹 𝑈𝐾𝐹
Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy phát động cơ
Đặt R=𝑅ư𝐹 + 𝑅ưĐ; phương trình các đặc tính của hệ F_Đ:
Trang 31Nhận thấy rằng khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh đƣợc tốc không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì giữ nguyên Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn
b) Các chế độ làm việc của hệ F_Đ
Ở góc phàn tƣ thứ I và thứ III: tốc độ quay và momen quay của động cơ luôn cùng chiều, sức điện dộng máy phát và động cơ có chiều xung đối nhau Công suất điện từ của máy phát và động cơ:
a) Trong chế độ động cơ; b)Trong chế độ hãm tái sinh
Các biểu thứ này nói lên rằng năng lƣợng đƣợc vận chuyển thuận chiều từ nguồn
→ máy phát → động cơ → tải
Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tƣ II và IV: momen ngƣợc chiều với tốc độ Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ:
𝑃𝐹 = 𝐸𝐹 𝐼 < 0
𝑃Đ = 𝐸 𝐼 > 0
𝑃𝑐ơ = 𝑀 𝜔 < 0
Trang 32
Do dòng điện đổi chiều nên năng lượng được chuyển vận theo chiều từ tải → động
cơ → máy phát → nguồn
Hãm ngược: Biểu thức tính công suất”
- Ưu điểm: + Chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt
+ Khả năng quá tải lớn
Thường dùng hệ F_Đ ở các máy khai thác mỏ
- Nhược điểm: dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là 2 máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành Ngoài ra
do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ
1.5.2 Hệ thống chỉnh lưu_ động cơ một chiều (van – động cơ)
a) Bộ biến đổi van và sức điện động của nó:
- Bộ biến đổi van là một hệ nguồn một chiều cung cấp nguồn cho động cơ
- Hệ thống truyền động van gồm:
+ Máy biến áp chỉnh lưu động lực: Biến đổi cấp điện áp phù hợp , tạo số pha theo yêu cầu Nhờ có điều khiển của máy biến áp mà sẽ hạn chế dòng mở máy khi làm việc giúp tăng tuổi thọ của van
Trang 33+ Tổ van có điều khiển (Tiritor): Chỉnh lưu từ nguồn xoay chiểu sang một chiều và điều chỉnh được sức điện động của bộ biến đổi
+ Các cuộn kháng lọc: Cải thiện hình dáng dòng điện, cuộn kháng san bằng lọc các sóng hài bậc cao ( Có thể dùng tụ lọc với nguồn công suất nhỏ)
+ Mạch điều khiển: Tạo ra xung để mở van theo yêu cầu
Hình 1.20: Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế
của chỉnh lưu hình tia 3 pha
Các chế độ làm việc của van:
- BBĐ: tạo sức điện động một chiều có dạng đập mạch
- 𝑒2: Sức điện động thứ cấp MBA, ở sơ đồ tia là sđđ pha, ở sơ đồ cầu là sđđ dây
- E: sức điện động của động cơ
Chế độ dòng liên tục: Khi dòng qua một van nào đó nhưng chưa về 0 thì các van kế tiếp sau được mở Đây là chế độ cơ bản của van:
𝐸𝑏 = 𝑝
2𝜋 𝑒𝑏 𝑑 𝜔𝑡 = 𝐸𝐵𝑚 𝑐𝑜𝑠𝛼 ; 𝑅𝑏 = 𝑅𝐵𝐴 +
𝑝2𝜋 𝑋𝐵𝐴
𝛼 +2𝜋 𝑝
𝛼
Trang 34Hình 1.21: Đồ thị thời gian chế độ dòng điện liên tục
Chế độ dòng điện gián đoạn
Khi dòng điện qua một van nào đó đang dẫn giảm về 0 nhưng các van kế tiếp sau chưa được mở thì gọi đó là chế độ dòng gián đoạn Lúc đó chỉ còn mỗi sức điện động E của động cơ
Chế độ dòng biên liên tục: dòng qua một van nào đó vừa giảm về 0 thì van kế tiếp sau được mở Như vậy dòng có một điểm tại đó i=0
Họ đặc tính này chỉ tồn tại ở ½ mặt phẳng tọa độ ( do tính chất van)
Vì vậy hệ thống kém linh hoạt
c) Hệ thống V _ Đ đảo chiều:
Các phương pháp đảo chiều:
- Đảo chiều dòng kích từ động cơ, giữ nguyên dòng phần ứng: Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, sử dụng thích hợp những hệ thống công suất trung bình và nhỏ Thời gian đảo chiều lâu do mạch kích từ có điện cảm thường lớn so với mạch phần ứng
- Đảo chiều dòng phần ứng ( dùng 1 bộ biến đổi), giữ nguyên 𝐼𝑘𝑡: Phương pháp này
có thời gian đảo chiều nhanh, nhưng do hệ thống có các tiếp điểm ở mạch phần ứng nên
hệ thống chỉ thích hợp cho truyền động công suất nhỏ
- Đảo chiều dòng phần ứng ( dùng 2 bộ biến đổi), van nối song song ngược
Trang 35+ Mạch phần ứng không tiếp điểm nên có thể đảo chiều từ công suất nhỏ đến công suất lớn
+ Do đảo chiều mạch phần ứng nên việc đảo chiều là rất nhanh chóng
+ Khống chế được những chế độ làm việc ở mạch điều khiển nên có thể khống chế được quá trình tự động hóa dễ dàng, nâng cao được chất lượng tự động hóa
+Phương pháp điều khiển và mạch điều khiển nói chung là phức tạp, yêu cầu vận hành kỹ thuật cao
1.5.3 Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp_ động cơ (XA_Đ)
a) Bộ biến đổi xung áp và sức điện động của nó
Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý của bộ điều chỉnh xung áp loại A
Trang 36- Để động cơ quay thuận thì 𝐾1 và điều khiển khóa 𝐾2
- Dòng điện phần ứng có thể dảo dấu nhưng sức điện động động cơ chỉ có chiều dương
- Khi khóa 𝐾1 và van 𝐷1 vận hành thì dòng phần ứng dương Công suất điện từ của động cơ là: 𝑃đ𝑡 = 𝐼 𝐸 < 0 Máy làm việc ở chế độ động cơ
- Để đảo chiều ta đưa khóa 𝐾2 và van 𝐷2 và còn 𝐾1 bị ngắt
- Nếu E>0 thì sẽ có dòng chảy ngược lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có nguồn duy nhất là sdđ E, công suất điện từ 𝑃đ𝑡 = 𝐼 𝐸 > 0, công suất này được tích vào điện cảm L
- Khi 𝐾2 ngắt: trên L sinh ra sức điện động tự cảm ∆𝑈𝐿>0, cùng chiều với E, tổng hai sdđ này sẽ lớn hơn 𝑈𝑛𝑔𝑢 ồ𝑛 là 𝐷2 dẫn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điện cảm trước đó Đây là hãm tái sinh
Hệ thống xung áp ở chế độ B kép
Để đảo chiều truyền động người ta sử dụng bộ điều chỉnh xung loại B kép Đặc tính
cơ ở cả 4 góc phần tư mặt phẳng
Kết luận: Trong mô hình chúng em đã sử dụng bộ điều chỉnh xung áp - động cơ
làm hệ truyền động nhằm đảo chiều động cơ và cấp xung điều khiển cho vi điều khiển
điều chỉnh tốc độ động cơ DC
Trang 37Chương 2: Thuật toán điều khiển PID
Có rất nhiều chiến lược khác nhau đã được phát minh trong những năm qua, những phát minh này đi từ những bộ điều khiển rất tổng quát như bộ điều khiển PID cho tới những bộ điều khiển khác dành riêng cho những loại hệ thống chuyên dụng đặc biệt là robotic hay điều khiển hành trình của robot Một vấn đề điều khiển có thể có nhiều đặc điểm khác nhau như độ ổn định của vòng kín và vòng hở, loại bỏ được nhiễu loạn bước, thời gian thiết lập, đỉnh vọt lố, thời gian xác lập, độ dốc suy giảm…Chúng em nhận thấy rằng PID có lẽ là thiết kế điều khiển hồi tiếp được sử dụng nhiều nhất, nó đã đảm bảo được những điều kiện cần thiết khi điều chỉnh động cơ như đã nói ở trên Các bộ điều khiển PID là lớp thiết lập tốt nhất trong hệ thống điều khiển, hơn nữa cùng với kiến thức
đã được học trong nhà trường mà niềm mong muốn tìm hiểu kỹ hơn về bộ điều khiển PID nên chúng em quyết định chọn bộ điều khiển PID để điều khiển cho động cơ DC
2.1 Giới thiệu chung
PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và
Derivative (đạo hàm) Tuy xuất hiện rất lâu nhưng đến nay PID vẫn là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động
Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong thực tế để điều khiển các đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mức chất lỏng trong bồn chứa,…
Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp
Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng
PID là bộ điều khiển hoàn hảo gồm ba tính chất sau:
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ)
- Làm việc có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân)
- Luôn có sang kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân)
2.2 Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID số
Luật PID trên miền thời gian (liên tục) được mô tả bởi công thức:
Trang 38𝑇𝐶 = hằng số thời gian tích phân
𝑇𝑉 = hằng số thời gian vi phân
2.2.1 Xấp xỉ thành phần P
Tín hiệu ra của bộ điều khiển có dạng:
𝑢𝑃 𝑡 = 𝐾𝑅 𝑒 𝑡 Nghĩa là tín hiệu ra chỉ đơn giản là tích của hệ số sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực
- Sai lệch tĩnh: đối với quy luật điều chỉnh P, khi tốc độ động cơ bằng với tốc độ đặt e=0 thì tín hiệu điều khiển 𝑢 = 𝐾𝑃 𝑒 cũng bằng 0 và do đó tốc độ động cơ sẽ bị kéo giảm xuống Vì vậy muốn u ≠ 0 thì e phải khác 0 Nghĩa là phải luôn có một sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đầu ra thực tế của tín hiệu điều khiển
- Giảm sai lệch tĩnh: nếu tăng 𝐾𝑃 đủ lớn để sai lệch tĩnh có thể tạo ra một tín hiệu để duy trì một momen đủ lớn giữ cho động cơ quay Rõ ràng tăng 𝐾𝑃 thì có thể giảm đƣợc sai lệch tĩnh Tuy nhiên, nếu 𝐾𝑃 tăng quá lớn thì có thể bị dao động không ổn định
2.2.3 Xấp xỉ thành phần D
- Khai triển thành chuỗi:
𝑑𝑓(𝑡)
𝑑𝑡 𝑡=𝑘𝑇 ≈ 𝑐0 𝑓𝑘 + 𝑐0 𝑓𝑘−1+ ⋯ + 𝑐𝑛 𝑓𝑘 −𝑛
Trang 39Thay các công thứ xấp xỉ trên vào công thức: 𝑢𝑘 = 𝑢𝑘𝑝 + 𝑢𝑘𝑖 + 𝑢𝑘𝑑
- Với xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật và thành phần D theo bậc
) 1 ( z
Hình 2.1 Sơ đồ bộ điều khiển PID số
Sơ đồ như trên giúp chúng ta có thể lựa chọn nhiều giải pháp sử dụng bộ điều khiển PID theo nhiều luật khác nhau Khi thiết kế thuật toán PID số cho vi điều khiển
Trang 40các khối timer để quản ý việc thực hiện thuật toán Các thông số đầu vào bộ điều khiển là Ref_input và Mea_input luôn được cập nhật từ các cổng vào ra số và tương tự trên kit điều khiển để vi điều khiển thực hiện thuật toán PID áp đặt lên cơ cấu chấp hành điều khiển đối tượng Trong quá trình điều khiển dựa trên sai lệch đầu vào giữa Ref_input và Mea_input bộ điều khiển PID số tác dụng vừa đưa sai lệch mô hình về không vừa đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điều khiển Mỗi một chu kỳ thực hiện thuật toán PID trên vi điều khiển thì tín hiệu đầu ra của hệ thống điều khiển luôn được cập nhật qua cảm biến chuyển đổi phản hồi về tạo tín hiệu Mea_input Có nhiều cách xấp xỉ bộ điều khiển PID nên việc thực thi các thuật toán PID trên vi điều khiển cũng khác nhau Một vấn đề quan trọng cần quan tâm để thiết kế bộ điều khiển PID là việc hạn chế các hiện tượng bão hòa tích phân (Winup) Vấn đề này rất thường gặp khi thực thi luật điều khiển PID Hiện tượng bão hòa tích phân là hiện tượng đầu ra của bộ điều khiển vẫn tiếp tục tăng quá mức giới hạn do tích lũy của thành phần tích phân vẫn còn khi sai lệch điều khiển đã trở
về 0 Giải quyết vấn đề 4 phương pháp:
- Khi sai lệch mô hình bằng 0, ta thực hiện tách bỏ thành phần tích phân hoặc xóa trạng thái của nó bằng vòng lặp
- Giảm hệ số khuếch đại để đầu ra nằm trong giải cho phép không quá lớn
- Thực hiện thuật toán bù tích phân bằng phản hồi giá trị thực đo được
- Đặt một khâu giới hạn ở đầu ra của bộ điều khiển và sử dụng thuật toán bù
Hai phương pháp cuối có ưu điểm hơn cả và thường được hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hỗ trợ Giải pháp đa năng và áp dụng nhiều trên thực tế thực hiện Anti_winup là điều khiển bám (tracking) thực chất cải thiện thành phần tích phân I:
s
KTd
K
i T
s
1
i T
1
_ +
Actuator model -y
