Điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng vi điều khiển stm32f4

Cửa sổ cài đặt a và các kết quả mô phỏng b động cơ điện một chiều với sự điều khiển theo mạch phần ứng và kích từ .... Động cơ điện một chiều không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Nghệ An, 07-2018

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

Chương 1: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CƠ MỘT CHIỀU 4

1.1 Động cơ điện một chiều 4

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 4

1.1.2 Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều 7

1.2 Mô hình hóa động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 9

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 14

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm R p- điện trở phụ 14

1.3.2 Điều chỉnh từ thông 14

1.3.3 Điều khiển điện áp phần ứng 14

1.4 Bộ điều khiển PID và PID số 15

1.4.1 Bộ điều khiển PID 15

1.4.2 Bộ điều khiển PID số 24

Chương 2: TÌM HIỂU CHUNG VỀ STM32F4, CÁC LINH KIỆN VÀ MỘT SỐ VÍ DỤ 26

2.1 Giới thiệu vi điều khiển ARM Stm32f4 26

2.2 Mạch cầu L298 29

2.3 Động cơ Encoder 334 xung 30

2.4 USB to com PL2303 V2 ( truyền tín hiệu giữa mạch với máy tính) 31

2.5 Một vài ví dụ cụ thể trên STM32F4 32

2.5.1 Điều khiển bật LED 34

2.5.2 Điều khiển tắt/bật LED bằng nút ấn 37

Chương 3: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU, KẾT QUẢ ĐO ĐƯỢC 40

3.1 Yêu cầu 40

3.2 Điều khiển tốc độ động cơ dùng PID số 40

KẾT LUẬN 46

1 Các kết quả của đồ án 46

2 Hạn chế của đồ án và kiến nghị 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC HÌNH, BẢNG

Trang

Hình 1.1 Cực từ chính 5

Hình 1.2 Lõi sắt phần ứng 6

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí cấu tạo động cơ điện 1 chiều 7

Hình 1.4 Nguyên lí hoạt động của động cơ một chiều 9

Hình 1.5 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 9

Hình 1.6 Mô hình (a), cửa sổ cài đặt các thông số mô phỏng (b) và kết quả mô phỏng (c) động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 11

Hình 1.7 Mô hình động cơ điện một chiều với kích từ không đổi 12

Hình 1.8 Cửa sổ cài đặt (a) và các kết quả mô phỏng (b) động cơ điện một chiều với sự điều khiển theo mạch phần ứng và kích từ 13

Hình 1.9 Mô hình nhận các đặc tính cơ (a) và các kết quả mô phỏng (b) 13

Hình 1.10 Điều khiển vòng hở 15

Hình 1.11 Điều khiển vòng kín 15

Hình 1.12 Ví dụ về điều khiển vòng kín 15

Hình 1.13 Bộ điều khiển PID 16

Hình 1.14: Xác định tham số của đặc tính 18

Hình 1.15: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 18

Hình 1.16: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth 19

Hình 1.17: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick 20

Hình 1.18 Mô hình nhận dạng động cơ 22

Hình 1.19 Hàm truyền 23

Hình 1.20 Sơ đồ khối khi có PID 24

Hình 1.21 Hiệu chỉnh thông số PID 24

Hình 2.1 Vi điều khiển STM32 F4 26

Hình 2.2 Kit vi điều khiển STM32F4 Discovery 27

Hình 2.3: Module điều khiển động cơ L298 29

Hình 2.4: Động cơ encoder 334 xung 31

Hình 2.5: USB to com PL2303 V2 31

Hình 2.6 Kết quả điều khiển nháy led 36

Hình 2.7 Kết quả điều khiển bằng nút ấn 39

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối của bộ điều khiển 40

Hình 3.2a, b, c, d Sơ đồ khối trên Simulink 42

Hình 3.3a, b, c Cài đặt thông số trong Simulink 44

Hình 3.4 Hình ảnh kết nối matlab và mạch điều khiển 44

Hình 3.5 Kết quả thu được gần đúng với tốc độ đặt 1.000 vòng/phút 45

Bảng 1 1: Lựa chọn tham số bộ PID theo Ziegler-Nichols 1 18

Bảng 1.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 19

Bảng 1 3: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 20

Bảng 1 4: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 20

Bảng 1 5: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3 21

Bảng 1 6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4 21

Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối điều khiển động cơ một chiều 41

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, xu thế công nghiệp hóa – hiện đại hóa đã mang lại rất nhiều thay đổi cho đất nước Đặc biệt là trong ngành điện có nhiều tiêm năng lớn trong lĩnh vực của cuộc sống Ngành điện mang lại nhiều lợi ích cho con người như tăng năng suất lao động, giảm công nhân đặc biệt là trong môi trường lao động độc hại Trong phần lớn các nhà máy xí nghiệp, phân xưởng đều có sự góp mặt của ngành điện Trong các dây truyền sản suất, máy móc sử dụng truyền động điện bằng xung áp một chiều rất nhiều bởi vì sử dụng hệ thống này có độ an toàn cao

Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm năng suất của máy sản xuất Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cần thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đều đòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng tuỳ theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc

độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác Động cơ điện một chiều không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động cơ khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng

Chính vì những lí do trên nên em lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp: “Điều

khiển tốc độ động cơ một chiều bằng vi điều khiển STM32F4” Được trình bày

trình bày trong ba nội dung :

Chương 1: Hệ thống truyền động điện động cơ một chiều

Chương 2: Tìm hiểu chung về STM32F4, các linh kiện và một số ví dụ Chương 3 : Mô hình động cơ một chiều và kết quả đo được

Do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức cũng như thực nghiệm nên đồ án không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót Em kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy để đồ án hoàn thiện và sát thực tế hơn

Em xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Kỹ thuật và Công nghệ đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản trong suốt quá trình học tập để em có thể thực hiện

đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn giảng viên Th.S Hoàng Võ Tùng Lâm đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện

Hoàng Anh Tú

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này trình bày hệ thống truyền động động cơ một chiều, giới thiệu vi điều khiển STM32F4 và xây dựng phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng vi điều khiển STM32F4

Phần mềm Matlab/SIMULINK được sử dụng mô phỏng, kiểm chứng kết quả Các phần mềm hỗ trợ Keil uVision5, STM32CubeMX, SetupSTM32CubeMX-4.14.0

Đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Hệ thống truyền động điện động cơ một chiều

Chương 2: Tìm hiểu chung về STM32F4, các linh kiện và một số ví dụ Chương 3 : Mô hình động cơ một chiều, kết quả đo được

ABSTRACT

This project presents a DC motor drive, introduces the STM32F4 microcontroller and develops a DC motor speed control method using the STM32F4 microcontroller

Matlab / SIMULINK software is used to simulate, verify results The software supports Keil uVision5, STM32CubeMX, SetupSTM32CubeMX-4.14.0 Pottery project 3 chapters:

Chapter 1: Electric Motor Drive

Chapter 3: Direct current motor model and the measured result

Chương 1:

HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CƠ MỘT CHIỀU

1.1 Động cơ điện một chiều

Động cơ một chiều DC ( DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là động cơ điều khiển trực tiếp có cấu tạo gồm hai dây (dây nguồn và dây tiếp đất) DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục

Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện một chiều sang năng lượng cơ Máy điện chuyển đổi từ năng lượng cơ sang năng lượng điện là máy phát điện

Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau:

- Kích từ độc lập

- Kích từ song song

- Kích từ nối tiếp

- Kích từ hỗn hợp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Với mỗi 1 loại động cơ điện 1 chiều như trên thì có các ứng dụng khác nhau

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Cấu tạo động cơ một chiều gồm hai phần chính là phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor)

a Phần tĩnh

- Cực từ chính:

Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và cuộn dây Lõi sắt cự

từ được làm từ các lá thép kỹ huật hoặc thép cacbon dầy: 0,541mm được ép lại với nhau và tán chặt thành một khối các cực được gắn với vỏ máy bằng các bu lông Một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam- bắc đặt đối xứng nhau qua trực động cơ, tùy theo động cơ mà động cơ có thể có 1,2,3, các máy điện nhỏ cực từ được làm bằng thép khối Dây quấn kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật được sơn cách điện và được quấn thành từng cuộn Các cuộn dây được mắc nối tiếp với nhau Các cuộn dây được bọc cách điện cẩn thận trước khi đặt vào các cực từ

Hình 1.1 Cực từ chính

- Cực từ phụ:

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi chiều Cực từ phụ đưuọc làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn Dây quấn cực từ phụ tương tự như dây quấn cực từ chính

- Gông từ:

Gông từ là phần nối tiếp các cực từ Đồng thời gông từ làm vỏ máy, từ thông móc vòng qua các cuộn dây và khép kín sẽ chạy trong mạch từ Trong máy điện lớn gông từ làm bằng thép đúc, trong máy điện nhỏ gông từ làm bằng thép lá được uốn lại thành hình trụ tròn rồi hàn

- Các bộ phận khác:

+ Nắp máy: dùng để bảo vệ các chi tiết của máy không cho các vật bên ngoài rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ Đồng thời nắp máy đê cách li người sử dụng với bộ phận của máy khi động cơ đang quay, đang có điện Ngoài ra nắp máy còn là giá đỡ ổ bi của trục động cơ

+ Cơ cấu chổi than: Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ ngoài vào máy nếu

là động cơ và đưa dòng điện ra nếu máy là phát điện Cơ cấu chổi than gồm có 2 chổi than làm từ than cacbon thường là hình chữ nhật Hai chổi than được đựng trong hộp chổi than và luôn tỳ lên hai vành góp nhờ 2 lò xo Hộp chổi than có thể thay đổi được

vị trí sao cho phù hợp

b Phần quay

- Lõi sắt phần ứng:

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng tôn Silie dầy 0,5mm

có phủ một lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy fuco gây lên Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào Lõi sắt là hình trụ tròn và được ép cứng vào với trục tạo thành một khối đồng nhất

Trong các máy điện trung bình trở lên người ta thường dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát cuộn dây và mạch từ

Hình 1.2 Lõi sắt phần ứng

- Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động cơ có công suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh rotor ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm này nằm trong rãnh đặt cạnh các cuộn daayquaans để tránh cho dây không bị văng ra ngoài khi dây chịu lực điện

từ tác động

- Cố góp:

Cố góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến góp bằng đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm mica đặt ở giữa Đuôi các phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau

- Các bộ phận khác:

+ Cánh quạt: dùng để làm mát động cơ Cánh quạt được lắp trên trục động cơ, khi động cơ làm việc gió từ ngoài vào qua các khe hở trên nắp máy, làm nguội dây quấn, mạch từ

+ Trục máy: được làm từ loại thép cứng nhiều cacbon Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp Hai đầu của trục máy được nối lên 2 vòng bi ở nắp máy

1.1.2 Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều

Từ trường của cuộn dây được tạo ra nhờ các cuộn dây 5 có dòng điện một chiều chạy qua Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được quấn quanh các cực từ 4 Trên hình vẽ động cơ điện một chiều, stator 6 của động cơ có đặt các cuộn cảm nên stator gọi là phần cảm Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một lực từ vào các dây dẫn rotor 7 đặt trong các rãnh của rotor 3 khi có dòng điện chạy qua Cuộn dây này gọi là cuộn ứng Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than 2 và cổ góp 1 Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lí cấu tạo động cơ điện 1 chiều

Trong hình vẽ các dây dẫn cuộn ứng nửa trên cuả rotor có dòng điện hướng vào, còn các dây dẫn ở nửa dưới có dòng điện hướng ra Lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra momen làm quiay rotor ngược chiều kim đồng hồ Động cơ trên có 2 cực từ hay 1 cặp cực

Trong thời gian động cơ làm việc, cuộn cảm tạo ra từ thông d dọc trục cực

từ và phân bố đối xứng cới cực từ Mặt phẳng OO trên đó có đăth chổi than, vừa là mặt phẳng trung tính vật lý Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ trường riêng nhướng ngang trục cực từ Từ trường tổng cộng trong động cơ mất tính đối xứng dọc trục và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc  (ngược

chiều quay của rotor) so với mặt trung tính hình học

Khi mà dòng điện trung tính ngày càng mạnh thì ncàng mạnh và goc quay

 càng lớn Khi đó ta có thể nói phản ứng phần ứng ngày càng mạnh

Phản ứng phần ứng là một trong nhứng nguyên nhân gây ra tia lửa điện giữ chổi than và cổ góp cũng như giữa các lá góp trong cổ góp Ta có thể hạn chế nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phẳng trung tính vật lý, tức là theo góc  ; hoặc thêm

cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữ các cực từ chính và cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo ra từ trường ngang so với từ trường chính và ngược chiều với n của cuộn ứng để khử từ trường n Nhờ vậy phản ứng phần ứng bị hạn chế và quá trình chuyển mạch trong động cơ sẽ tốt hơn

Bởi vì từ trường n gây ra phản ứng phần ứng tỉ lệ với dòng điện phâng ứng

u

I nên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Do vậy khi dòng điện phần ứng tăng lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh ra từ trường phụ mạnh hơn để khử từ trương n

Hình 1.4 Nguyên lí hoạt động của động cơ một chiều

Trong đồ án này em tập trung tìm hiểu động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu

1.2 Mô hình hóa động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu

Trên hình 1.1 trình bày sơ lược về động cơ điện một chiều kích từ độc lập Các quá trình điện từ và cơ điện được mô tả bởi các phương trình có dạng sau:

Hình 1.5 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Trong các phương trình trên các biến và các tham số được đánh dấu bởi chỉ

số f tương ứng với cuộn dây kích từ, còn các biến và tham số được đánh dấu bởi chỉ

số a tương ứng với phần ứng, các hệ số k,k k e, m là các hằng số kết cấu máy điện

Đưa các phương trình trên về dạng không thứ nguyên, tiếp nhận giá trị định mức các biến của động cơ ở dạng đơn vị cơ sở:

Các khối (Product, Product1) thực hiện phép nhân tương ứng với phương trình 2 và 3 của hệ thống (1.7) Các khối (Sum1, Gain, Integrator) thực hiện phương trình thứ ba của hệ thống (1.7) Trên hình 1.6 b cho thấy cửa sổ cài đặt các thông số

mô phỏng, còn trên hình 1.6 c trình bày kết quả mô phỏng động cơ mà được điều khiển theo mạch phần ứng Sự điều khiển theo mạch kích từ đạt được sớm hơn nhiều vì tại thời điểm tác động điều khiển và tác động nhiễu thì trong máy cũng đã

có từ thông Theo hình 1.6 b,c tất cả thời gian mô phỏng nhận giá trị bằng 10s, tín hiệu điều khiển bắt đầu sau một đoạn là 2s tính từ thời điểm bắt đầu mô phỏng, còn đại lượng nhiễu – sau 5s từ thời điểm bắt đầu mô phỏng Trên hình 1.6 c mô tả quá trình quá độ theo tốc độ và mô men

Hình 1.6 Mô hình (a), cửa sổ cài đặt các thông số mô phỏng (b) và kết quả mô

phỏng (c) động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu

Từ thông trong động cơ với kích từ độc lập có thể coi là không đổi Trong trường hợp này mô hình động cơ trở nên đơn giản hơn, mô hình này được giới thiệu trên hình 1.7 Tiếp theo đó mô hình này được dùng để tổng hợp thiết bị truyền động điện khi điều khiển theo mạch phần ứng

Hình 1.7 Mô hình động cơ điện một chiều với kích từ không đổi

Trong truyền động điện một chiều với động cơ kích từ độc lập thường sử dụng với hai vùng điều chỉnh Trong trường hợp này động cơ được điều khiển cả theo mạch phần ứng và mạch kích từ Theo mạch phần ứng với từ thông kích từ không đổi thì sự điều khiển được thực hiện khi mômen trên trục là rất lớn, còn sự điều khiển theo mạch kích từ khi mômen này nhỏ

Trên hình 1.8b trình bày các kết quả mô phỏng khi điều chỉnh hai vùng của động cơ, khi giá trị mômen nhỏ cần phải nhận một tốc độ lớn của tốc độ không tải

lý tưởng Để thực hiện điều này trong các hệ thống thực người ta giảm từ thông của động cơ Trong cửa sổ cài đặt của khối (U f, hình 1.8a) thấy rõ rằng sau khi khởi động 5s từ thông động cơ giảm 2 lần, khi đó vận tốc tăng lên cũng 2 lần Sự mô phỏng diễn ra khi mômen tải M L =0.1M L NOM. Mô phỏng sự làm việc của động cơ trong chế độ xác lập và nhận được đặc tính cơ được chỉ ra trên hình 1.8 a, b khi có hiệu ðiện thế phần ứng (ua = 0.8) Trong mô hình này mômen tải được tính là tích phân từ tín hiệu không đổi (các khối Step1, Gain với k = 0.005 và Integrator1 hình 1.8 a) Sử dụng khối XY Graph để quan sát đặc tính cơ Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình 1.9 trong đó trục hoành đặt mômen, còn trên trục tung là vận tốc

Hình 1.8 Cửa sổ cài đặt (a) và các kết quả mô phỏng (b) động cơ điện một chiều

với sự điều khiển theo mạch phần ứng và kích từ

Hình 1.9 Mô hình nhận các đặc tính cơ (a) và các kết quả mô phỏng (b)

1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Về điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng

mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt được chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng Từ phương trình tốc độ:

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm R p - điện trở phụ

Mắc nối tiếp R pvào phần ứng, từ (1) suy ra R utăng lên, suy ra ω giảm

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng

do thêm R p nên tổn hao tăng

1.3.2 Điều chỉnh từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện từ của động cơ M =k I u và sức điện động quay của động cơ E u =k Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn Nhưng theo công thức trên khi từ thông  thay đổi thì moment dòng điện cũng thay đổi nên khó tính toán chính xác dòng điều khiển và moment tải vậy nên phương pháp này cũng ít dùng

1.3.3 Điều khiển điện áp phần ứng

Thực tế có hai phương pháp cơ bản điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện áp

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

Thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng Khi thay đổi phần ứng thì tốc độ của động cơ thay đổi theo phương trình sau:

của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để

1.4 Bộ điều khiển PID và PID số

1.4.1 Bộ điều khiển PID

➢ Điều khiển vòng hở

Hình 1.10 Điều khiển vòng hở

Ta lấy ví dụ sẽ điều khiển tốc độ của động cơ một chiều 300v/phút, áp điện

áp vào động cơ 1 chiều sao cho theo tính toán tốc độ sẽ 300v/phút và không có khâu

đo lường giá trị vận tốc của động cơ

➢ Điều khiển vòng kín

Khác với điều khiển vòng hở thì điều khiển vòng kín sẽ đo các giá trị đầu ra

và đồng thời sử dụng thông tin đó so sánh với giá trị đặt để điều khiển phù hợp

Hình 1.11 Điều khiển vòng kín

Với ví dụ dưới chúng ta sẽ dễ tưởng tượng hơn

Hình 1.12 Ví dụ về điều khiển vòng kín

Các hệ trên ta gọi là hệ điều khiển có phản hồi

❖ Bộ điều hay được dùng nhất là bộ điều khiển PID, có cấu trúc như sau:

Hình 1.13 Bộ điều khiển PID

Trong miền thời gian bộ điều khiển có dạng như sau:

0

( )1

Trong đó:

KP: Hệ số của khâu tỷ lệ, khuếch đại sai số

KI: Hệ số của khâu tích phân, tích lũy sai số

KD: Hệ số của khâu vi phân, tăng theo độ chênh lệch sai số trước và sau

Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản Hệ số tỉ lệ KP càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trò lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ

Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệKP càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo Hơn nữa, đối với đối tượng không có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ P vẫn tồn tại sai lệch tĩnh

Thành phần Tích phân (I)

0

t I

u t =K e d (1.8)

Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, luôn làm tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì luôn làm giảm tín hiệu điều khiển, bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e(t) = 0 Đây cũng là ưu điểm của thành phần tích phân

Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian

để đợi e(t) về 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn Ngoài ra, thành phần tích phân đôi khi còn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định

Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống Kèm theo đó là giảm đi độ vọt lố của hệ thống

Thành phần Vi phân (D)

( ) ( )

Một ưu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà bình thường không ổn định được với các bộ P hay PI

Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên

Một số phương pháp lựa chọn tham số PID

a Phương pháp Ziegler-Nichols 1

Đối tượng áp dụng của phương pháp này là các quá trình có đặc tính quán tính hoặc quán tính tích phân với thời gian trễ tương đối nhỏ Mô hình động cơ sử dụng trong báo cáo được xấp xỉ về dạng quán tính bậc nhất

Dựa trên hai giá trị xác định được là điểm cắt với trục hoành và độ dốc (Hình 3.11), các tham số của bộ điều khiển được xác định theo bảng 3.1

Hình 1.14: Xác định tham số của đặc tính Bảng 1 1: Lựa chọn tham số bộ PID theo Ziegler-Nichols 1

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai:

Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ… Đáp ứng quá

độ của hệ hở của ñối tượng tăng đến vô cùng Phương pháp này được thực hiện như sau:

Hình 1.15: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ Tth của dao động

Hình 1.16: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:

Bảng 1.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick:

Phương pháp này cũng áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.6) nhưng có thêm điều kiện:

Hình 1.17: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick đưa ra bốn cách xác định tham số bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau:

Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:

Bảng 1 3: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt

quá 20% so vớilim ( )

n h t h

→ =

Bảng 1 4: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:

Bảng 1 5: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá 20%

so vớilim ( )

n h t h

→ =

Bảng 1 6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4

Phương pháp này có một số nhược điểm như sau:

- Việc lấy đáp ứng tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không

áp dụng được cho quá trình dao động hoặc quá trình không ổn định

- Đối với các quá trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc rất nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến để xác định các số liệu  và  kém chính xác

- Đặc tính đáp ứng của hệ kín với giá trị đặt thường hơi quá dao động (Hệ số tắt dần khoảng 0.25)

Theo kinh nghiệm của một số chuyên gia, điều kiện áp dụng phương pháp này là tỉ số  / nằm trong phạm vi 0.1-0.6 Nếu tỉ lệ này lớn hơn 0.6, ta cần áp dụng các phương pháp chỉnh định khác có để ý tới bù thời gian trễ Ngược lại, với tỉ

lệ nhỏ hơn 0.1 thường ứng với các hệ bậc cao, do đó cần bộ điều khiển bậc cao tương ứng để cải thiện đặc tính động học