ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn, vì vậy có rất nhiều đề tài thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều và được đề cập rất nhiều trên sách báo, tập chí, internet…Việc ứng dụng động cơ DC vào sản xuất cũng như nghiên cứu khoa học đã mang lại những thành tựu nhất định. Tuy nhiên để động cơ DC hoạt động tốt thì phải thiết kế cho nó một bộ điều khiển giúp cho động cơ hoạt động một cách linh hoạt. Hiện nay có rất nhiều bộ điều khiển có thể làm tốt việc đó, tuy nhiên cá em nhận thấy bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt yêu cầu của việc điều khiển động cơ DC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 2

ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

GVHD: ThS Nguyễn Phú Công SVTH: Nguyễn Văn Dũ

Lớp: 09DHTDH2 MSSV: 2032181020

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 12 Năm 2020

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Sau khi kết thúc 4 học kì tại trường, mỗi sinh viên cần được cũng cố kiến thức đã học được tại trường, vì thế đồ án học phần 2 là cơ hội để sinh viên ứng dụng kiến thức vào một sản phẩm thực tế, nhằm rèn luyện nâng cao kỹ năng Em xin trân thành cảm ơn các thầy cơ trong khoa Cơng Nghệ Điện- Điện tử Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP.Hồ Chí Minh Các thầy cơ đã trang bị kiến thức quý báu, cũng như giúp đỡ em trong quá tình học tập và làm đồ án này

Em xin trân thành cảm ơn thầy Nguyễn Phú Cơng – giảng viên trực tiếp hướng dẫn

đã tận tình hướng dẫn, khích lệ và gĩp ý để em cĩ thể hồn thành tốt nhất đề tài trong khả năng của mình Đồng thời, xin cảm ơn các bạn sinh viên đã hết lịng giúp đỡ Do kiến thức của em cịn hạn chế nên trong đồ án này cịn nhiều sai xĩt em rất mong được sự thơng cảm và gĩp ý của quý thầy cơ Rất mong nhận được sự giúp đỡ của quý thầy cơ để cho đồ án của em được hồn chỉnh hơn Em xin chân thành cảm ơn!

Lê Thị Hồng Ánh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.2 Nội dung đề tài 1

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 Động cơ một chiều 2

2.1.1 Giới thiệu động cơ DC 2

2.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 2

2.2 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng thuật toán PID 3

2.2.1 Thuật toán PID 3

2.2.2 Luật điều chỉnh PID 4

2.3 Bộ điều khiển mờ 5

2.3.1 Giới thiệu bộ điều khiển mờ 5

2.3.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 6

2.3.3 Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ 8

2.3.4 Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ 8

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK 10

3.1 Mô hình vật lý động cơ DC kích từ độc lập 10

3.2 Mô hình toán động cơ DC 11

3.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển trực tiếp vòng hở 13

3.4 Mô phỏng hệ thống với bộ diều khiển PID 17

3.5 Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID mờ 18

3.5.1 Định nghĩa các biến vào / ra 18

3.5.2 Xác định tập mờ cho các biến vào / ra 18

3.5.3 Xây dựng luật hợp thành 20

3.5.4 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID mờ cho hệ thống 21

CHƯƠNG 4 KẾT NỐI PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK VỚI BOARD ARDUINO VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 24

4.1 Cách tải và cài đặt thư viện Simulink hỗ trợ board arduino cho Matlab 24

4.2 Thiết kế phần cứng 26

4.2.1 Vi điều khiển 26

4.2.2 Encoder 29

4.2.3 Nguồn điện 31

4.2.4 Mạch Driver động cơ 32

4.2.5 Động cơ NF5475E 35

4.3 Kết nối giữa phần cứng với Simulink 36

4.3.1 Sơ đồ khối và sơ đồ kết nối phần cứng 36

4.4 Điều khiển động cơ với thư viện simulink hỗ trợ bo arduino 37

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 39

5.1 Kết luận 39

5.2 Hạn chế 39

5.3 Hướng phát triển 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tác động của việc tăng một thông số P,I,D độc lập 5

Bảng 3.1 Tham số động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu 10

Bảng 3.2 Các thông số động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu 13

Bảng 3.3 So sánh kết quả mô phỏng đáp ứng vòng hở của động cơ 16

Bảng 3.4 Các quy tắc mờ của bộ điều khiển PID mờ 20

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: PWM 3

Hình 2.2: Dạng sóng dòng và điện áp trên động cơ 3

Hình 2.3: Mô hình thuật toán PID 4

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản 5

Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 6

Hình 2.6: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản 6

Hình 2.7: Sơ đồ tổng quát của hệ thống cần thiết kế 8

Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID mờ 8

Hình 2.9: Luật chỉnh định PID 9

Hình 2.10: Quan hệ Kp, Kd 9

Hình 3.1: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu 10

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập 11

Hình 3.3: Sơ đồ khối hàm truyền động cơ 12

Hình 3.4: Sơ đồ simulink cấu trúc động cơ vòng hở 13

Hình 3.5: Đáp ứng tốc độ khi có điện áp Va 14

Hình 3.6: Đáp ứng dòng điện khi có điện áp Va 14

Hình 3.7: Đáp ứng tốc độ góc ở chế độ có tải và điện áp Va 15

Hình 3.8: Đáp ứng dòng điện ở chế độ có tải và điện áp Va 16

Hình 3.9: Sơ đồ Simulink bộ điều khiển PID cho hệ thống 17

Hình 3.10: Bộ điều khiển PID 17

Hình 3.11: Đáp ứng tốc độ góc của động cơ với bộ điều khiển PID 17

Hình 3.12: Đáp ứng dòng điện của động cơ với bộ điều khiển PID 18

Hình 3.13: Hàm thuộc sai lệch ET 19

Hình 3.14: Hàm thuộc của tốc độ thay đổi DET 19

Hình 3.15: Hàm thuộc DU biến điều khiển ngõ ra 20

Hình 3.16: Đáp ứng ngõ ra theo ngõ vào trong không gian 20

Hình 3.17: Sơ đồ Simulink bộ điều khiển PID mờ ở chế độ không tải 21

Hình 3.18: Đáp ứng tốc độ góc của động cơ với bộ điều khiển PID mờ chế độkhông tải 21 Hình 3.19: Đáp ứng dòng điện của động cơ với bộ điều khiển PID mờ chế độkhông tải 22 Hình 3.20: Sơ đồ Simulink bộ điều khiển PID mờ ở chế độ có tải 22

Hình 3.21: Đáp ứng tốc độ góc của động cơ với bộ điều khiển PID mờ chế độ có tải 23

Hình 3.22: Đáp ứng dòng điện của động cơ với bộ điều khiển PID mờ chế độ có tải 23

Hình 4.1: Chọn Get Hardware Support Packages 24

Hình 4.2: Tìm kiếm thư viện hỗ trợ bo arduino 24

Hình 4.3: Tiến hành cài đặt 24

Hình 4.4: Một số điều khoản thỏa thuận 25

Hình 4.5: Một số giấy phép 25

Hình 4.6: Quá trình tải xuống và cài đặt thư viện 25

Hình 4.7: Cài đặt hoàn tất thư viện 26

Hình 4.8: Thư viện Simulink hỗ trợ board arduino khi cài đặt hoàn tất 26

Hình 4.9: Arduino Uno R3 27

Hình 4.10: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 28

Hình 4.11: Encoder 29

Hình 4.12: Hai kênh cảm biến của Encoder 31

Hình 4.13: Nguồn xung 31

Hình 4.14: L298 33

Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lí L298 33

Hình 4.16: Sơ đồ chân IC L298 34

Hình 4.17: Mạch cầu H có diode bảo vệ ngược dòng 34

Hình 4.18: Động cơ Nisca NF5475E gắn encoder 35

Hình 4.19: Cách kết nối dây cho động cơ 35

Hình 4.20: Sơ đồ khối kết nối Simulink và phần cứng 36

Hình 4.21: Sơ đồ kết nối phần cứng 36

Hình 4.22: Chương trình Simulink điều khiển tốc độ động cơ 37

Hình 4.23: Hình ảnh phần cứng thực hiện 37

Hình 4.24: Đáp ứng tốc độ của động cơ thực tế 38

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đề tài

Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo theo đó là những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực và đời sống, công nghiệp Kỹ 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 hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh

Bài toán thiết kế bộ điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc

Có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng động cơ điện một chiều theo nhiều phương pháp như: dùng PLC & 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 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

1.2 Nội dung đề tài

Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn,

vì vậy có rất nhiều đề tài thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều và được đề cập rất nhiều trên sách báo, tập chí, internet…Việc ứng dụng động cơ DC vào sản xuất cũng như nghiên cứu khoa học đã mang lại những thành tựu nhất định Tuy nhiên để động cơ DC hoạt động tốt thì phải thiết kế cho nó một bộ điều khiển giúp cho động cơ hoạt động một cách linh hoạt Hiện nay có rất nhiều bộ điều khiển có thể làm tốt việc đó, tuy nhiên cá

em nhận thấy bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt yêu cầu của việc điều khiển động cơ

DC, vì vậy em nhận đề tài “ Ứng dụng Matlab thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ 1

chiều kích từ độc lập” nhằm tìm hiểu rõ hơn về bộ điều khiển PID và cách ứng dụng

Matlab để giao tiếp giữa vi điều khiển với máy tính

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.1 Giới thiệu động cơ DC

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Động

cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Cấu tạo động cơ gồm có 2 phần: phần đứng yên stato và phần quay roto Phần cảm (phần kích từ - thường đặt ở stato) tạo ra từ trường đi trong mạch, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng ( thường đặt trên roto) Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ roto, làm cho roto quay

Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động cơ sau:

- Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (roto) mắc riêng lẻ nhau, có thế cấp nguồn riêng biệt

- Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng

- Động cơ kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với cuộn dây phần ứng

- Động cơ kích từ hỗn hợp: Có 2 cuộn dây kích từ song song và nối tiếp so với phần ứng

Đối với loại động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, khi đó ta có loại động cơ điện một chiều dùng nam châm vĩnh cửu

2.1.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Đối với động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cửu, để thay đổi tốc độ động

cơ ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto Việc cấp áp 1 chiều thay đổi thường khó khăn nên người ta dùng phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation)

PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp

ra Các PWM khi biến đổi thường có cùng tần số và khác nhau về độ rộng cuả sườn dương hay sườn âm

dk V T

T

V  (2.1)

Do đặt tính cảm kháng của động cơ, dòng điện qua động cơ là dòng liên tục gợn sóng như sau:

Hình 2.2: Dạng sóng dòng và điện áp trên động cơ

2.2 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng thuật toán PID

2.2.1 Thuật toán PID:

Trong đó:

- Kp : Hệ số khâu tỉ lệ (Khâu khuếch đại)

- Ki : Hệ số khâu tích phân

- Kd : Hệ số khâu vi phân

Hình 2.3: Mô hình thuật toán PID

2.2.2 Luật điều khiển PID

Các thành phần P, I, và D trong bộ điều khiển PID (số) có ý nghĩa rất cụ thể và rõ ràng Trong bài toán điều khiển bám (theo giá trị đặt), thành phần tỷ lệ P phản ứng lại ngay với sai lệch, không cần "nhớ" đáp ứng trước đó như thế nào, nhờ vậy mà nó tạo ra đáp ứng nhanh và kịp thời Thành phần tích phân I là thành phần "có nhớ", nó lưu lại giá trị điều khiển của vòng lặp trước sau đó điều chinh thêm vào hay bớt đi một lượng nào đó (do hệ số Ki và độ lớn của sai số quyết định) để tạo ra tín hiệu điều khiển cho vòng lặp tiếp theo cho đến khi sai lệch bằng 0 Thành phần D cũng là một thành phần "có nhớ", nó

so sánh mức độ chênh lệch của sai lệch ở vòng lặp hiện tại và sai lệch được lưu ở vòng lặp trước đó để đưa ra tín hiệu điều khiển của riêng mình Khi độ chênh giữa sai lệch của hai chu kỳ điều khiển kế tiếp càng lớn thì tín hiệu điều khiển ra của nó cảng lớn (bản chất của đạo hàm) Còn nếu sai lệch của chu kỳ điều khiển hiện tại cũng giống như sai lệch ở chu kỳ điều khiển trước (nghĩa là sai lệch vẫn còn nhưng không thay đổi) thì tín hiệu điều khiển ra của nó bằng 0 Như vậy, ba thành phần P, I, và D trong một mạch vòng điều khiển cũng tương tự như 7 nốt nhạc trong một bản nhạc Bằng cách phối hợp các thành

phần đó với những tỷ lệ khác nhau chúng ta cũng có thể tạo ra một "bản nhạc",điều khiển với các "giai điệu" khác nhau Nếu phối hợp tốt sẽ tạo ra một bản nhạc như mong muốn

và êm ái Còn nếu phối hợp không khéo thì sẽ tạo ra một bản nhạc uốn éo, giật cục với giai điệu khó có thể biết trước được

Bảng 2.1: Tác động của việc tăng một thông số P, I, D độc lập

Thông số Thời gian

khởi động Quá độ

Thời gian xác lập Sai số ổn định Độ ổn định

không tác động

Cải thiện nếu

Kd nhỏ

2.3 Bộ điều khiển mờ

2.3.1 Giới thiệu bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển được thực hiện trên cơ sở lý thuyết mờ gọi là bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ cho phép đưa các kinh nghiệm điều khiển của các chuyên gia vào thuật toán điều khiển

Chất lượng điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế

Bộ điều khiển mờ có ưu thế trong các hệ thống sau:

- Hệ thống điều khiển phi tuyến

- Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào/đầu ra không đủ hoặc không chính xác

- Hệ thống điều khiển khó xác định hoặc không xác định được mô hình đối tượng

Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển mờ:

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản

2.3.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ gồm 4 khối : mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải mờ Khi ghép bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thường ta cần thêm hai khối tiền xử lý và hậu xử lý

Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ bao gồm :

- Bộ điều khiển mờ cơ bản :

Hình 2.6: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản

+ Mờ hóa : biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ

+ Hệ luật mờ: Tập các luật “if-then” Đây là “bộ não” của bộ điều khiển mờ Luật mờ “if-then” có 2 dạng : Luật mờ Mamdami và luật mờ Sugeno

+ Thiết bị hợp thành : biến đổi các giá trị đã được mờ hóa ở đầu vào thành các giá trị đầu ra theo các luật hợp thành nào đó

+ Giải mờ : biến giá trị đầu ra của khối của thiết bị hợp thành thành giá trị rõ

-Tiền xử lý : xử lý tín hiệu trước khi đi vào bộ điều khiển mờ cơ bản

+ Lượng tử hóa hoặc làm tròn giá trị đo

+ Chuẩn hóa hoặc chuyển tỉ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn

+ Lọc nhiễu

+ Lấy vi phân hay tích phân

- Hậu xử lý : Xử lý tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản

+ Chuyển tỉ lệ giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản (trong trường hợp ngõ ra định nghĩa trên tập cơ sở chuẩn) thành giá trị vật lý

+ Đôi khi có khâu tích phân

- Bộ điều khiển Mamdami :

Bộ điều khiển Mamdami là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Mamdami

If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = B

Trong đó Ai , B là các tập mờ

- Bộ điều khiển sugeno :

+ Bộ điều khiển mờ Sugeno là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Sugeno :

If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = f (x1, x2,….,xn)

Trong đó :

Ai : là các tập mờ

f(.) là hàm của các tín hiệu vào (hàm rõ)

+ Phương pháp giải mờ dùng trong BĐK mờ Sugeno là tổng có trọng số

2.3.3 Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ

Để thiết kế được bộ điều khiển mờ, ta theo các bước như sau:

- Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra được sử dụng trong hệ thống

- Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (miền giá trị vật lý của các biến;

số lượng tập mờ; xác định hàm thuộc)

- Bước 3: Xây dựng luật hợp thành

- Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành

- Bước 5: Giải mờ và tối ưu hoá

Hình 2.7: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống cần thiết kế

2.3.4 Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ

Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID mờ

Mô hình toán của bộ PID:

u(t) = K p e(t)+

0

( ) ( )

trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t) Có nhiều phương pháp khác nhau để chỉnh định bộ

THIẾT BỊ

CHỈNH ĐỊNH

ĐỐITƯỢNG

dt de

PID ( xem các phần sau) như là dựa trên phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo Zhao, Tomizuka và Isaka … Nguyên tắc chung là bắt đầu với các trị KP, KI, KD

theo Zeigler-Nichols, sau đó dựa vào đáp ứng và thay đổi dần để tìm ra hướng chỉnh định thích hợp

Hai tham số Kp, Kd xem như mỗi tham số điều chỉnh điều chỉnh một đường cong,

để điều chỉnh hai đường kết hợp như một đường thì phải chỉnh sự phối hợp giữa Kp và

Kd

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ VÀ KẾT QUẢ MÔ

PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK

3.1 Mô hình vật lý động cơ DC kích từ độc lập

Hình 3.1 : Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu

Giả thuyết kích từ động cơ được giữ không đổi, ta có mô hình động cơ DC kính từ độc lập mô tả trên hình 3.1

Bảng 3.1: Tham số động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu

9 Mc Momen tải quy đổi về trục động cơ Nm

3.2 Mô hình toán động cơ DC

Phương trình mạch vòng điện áp cho phần ứng động cơ:

1

a

a a

V s E s

R s





Trong đó :

Τa = La /Ra : thời hằng phần ứng (thời hằng điện từ) cửa động cơ

Từ biểu thức (3.7) suy ra:



 (3.10)

Trong đó:

τm = J/B : thời hằng cơ của hệ thống

Các quan hệ này có thể biểu diễn bằng sơ đồ khối như hình 3.2

Từ hình 3.2 có thể suy ra quan hệ giữa tốc độ w(s) với điện áp phần ứng Vd(s) và mômen tải Mc(s):

1

a a

k R

Hình 3.3: Sơ đồ khối hàm truyền động cơ

Từ hình 3.3 ta có hàm truyền của động cơ DC:

Bảng 3.2: Các thông số động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu

3.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển trực tiếp vòng hở

Hình 3.4: Sơ đồ simulink cấu trúc động cơ vòng hở

- Mô phỏng ở chế độ không tải Mc=0 Nm, điện áp cấp cho động cơ

Va = 24 volt

Hình 3.5: Đáp ứng tốc độ khi có điện áp Va

Hình 3.6: Đáp ứng dòng điện khi có điện áp Va

- Nhận xét:

+ Nhìn biểu đồ mô phỏng ta thấy khi cấp nguồn trực tiếp cho động cơ với

Va = 24 volt thì tốc độ động cơ tăng lên maximum = 500 (Rad/S)

+ Dòng điện khởi động tăng lên maximum Ikđ = 30 (A), sau khi tốc độ động

cơ đã ổn định dòng điện giảm xuống và duy trì ở giá trị làm việc Is=1(A) + Thời gian để tốc độ và dòng điện ổn định là ts = 0.4 (giây)

+ Chuyển đổi tốc độ góc (Rad/S) thành vòng/phút (RPM)

RPM = W*60/2л = 500*60/(2*3,14) = 4777 (vòng/phút)

- Mô phỏng ở chế độ có tải M c = 0.2 Nm và điện áp cấp cho động cơ Va=24volt

Hình 3.7: Đáp ứng tốc độ góc ở chế độ có tải và điện áp Va

Hình 3.8: Đáp ứng dòng điện ở chế độ có tải và điện áp Va

- Nhận xét chung:

Bảng 3.3: So sánh kết quả mô phỏng đáp ứng vòng hở của động cơ

Động cơ DC kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu

Thông số

Chế độ

Thời gian ổn định ts (giây)

Từ kết quả mô phỏng được trình bày trong bảng 3.3, ta thấy khi động cơ hoạt động

ở chế độ có tải tốc độ góc giảm [500(rad/s) – 430(rad/s) = 70] so với chế độ không tải, sai

số này quá lớn (khoảng 14%) nên cần phải thiết kế thêm bộ điều khiển tốc độ động cơ nhằm giảm sai số và đạt được kết quả cao hơn về chất lượng