Đối với mỗi người kỹ sư ngành cơ khí và kỹ sư các ngành kỹ thuật nói chung chắc hẳn chúng ta đã không còn xa lạ với động cơ điện một chiều. Xong để điều khiển được tốc độ theo yêu cầu và mong muốn thì chúng ta cần phải khảo sát thông qua việc dùng các bộ điều khiển như PI, PD,PID...,để chọn ra được bộ điều khiển nào là tối ưu hóa nhất cho tốc độ động cơ được đề ra. Việc dùng phần mềm 20sim để khảo sát cũng là phương án tối ưu cho việc này.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÀI TẬP LỚN MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2021 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ nối tiếp 1.1.1 Đặc điểm • Chuyển đổi lượng điện thành lượng ngược lại • Đa phần hoạt động theo nguyên lý điện từ • Tùy vào cấu tạo động có nguyên lý hoạt động khác nhau: lực tĩnh điện hay hiệu ứng điện áp 1.1.2 Ưu điểm nhược điểm • Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện nhiều điều kiện làm việc khác Nhưng ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh, thay đổi tốc độ khả làm việc điều kiện q tải Động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác , mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao so với động điện không đồng Động điện chiều có nhược điểm chủ yếu có hệ thống cổ góp- chổi than nên vận hành độ xác khơng đảm bảo an tồn an tồn mơi trường rung chấn, dễ cháy nổ • Nhược điểm chủ yếu có hệ thống cổ góp- chổi than nên vận hành độ xác khơng đảm bảo an tồn an tồn môi trường rung chấn, dễ cháy nổ 1.1.3 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều có cấu tạo hai phần chính: phần cảm (stator), phần ứng (roto) • Phần cảm (stator) A, Cực từ chính: phận sinh từ trường gồm lõi sắt cực từ dây kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với Hình 1.1 Cực từ phần cảm Bulông Vỏ máy Lõi sắt cực từ Dây quấn kích từ B, Cực từ phụ: Các cực từ phụ đặt cực từ để cải thiện đổi chiều C, Cổ góp: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy D, Các phận khác: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện - Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp • Phần ứng (Roto) Hình 1.2 Lá thép phần ứng Rãnh Lỗ Thơng gió A, Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dụng để dẫn từ,thường làm tôn Silic có phủ lớp cách điện sau ép lại để giảm tổn hao dịng fucơ gây nên Trên thép có dập rãnh để ép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào Lõi sắt hình trụ trịn ép cứng vào với trục B, Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép C, Cổ góp: Dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp bao gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica D, Các phận khác: - Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy - Trục máy: thường làm thép cacbon Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi 1.1.4 Ngun lí hoạt động Động điện chiều hoạt động chủ yếu dựa vào định luật cảm ứng điên từ faraday Khi có dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dịng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đường sức từ trường Nghĩa lực quay động cuộn dây lệch so với phương ban đầu nó, rotor quay theo quán tính Nếu trục động điện chiều kéo lực ngoài, động hoạt động máy phát điện chiều, tạo sức điện động cảm ứng Khi vận hành bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động sức điện động đối kháng, đối kháng lại điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện 1.2 Các ứng dụng động điện chiều kích từ nối tiếp Ứng dụng động điện chiều đa dạng lĩnh vực đời sống: tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn • Động chiều dùng nhiều máy công cụ lớn, u cầu tốc độ số vịng quay cao • Động chiều thường thấy ứng dụng đồ chơi, xe mơ hình, động sử dụng pin để hoạt động động chiều hết nha bạn • Như động chiều ứng dụng hầu hết thiết bị : ổ đĩa, máy photocopy,… 1.3 Cơ sở điều khiển cổ điển đại 1.3.1 Lý thuyết điều khiển cổ điển Để tránh vấn đề điều khiển vòng hở, lý thuyết điều khiển đề xuất khái niệm phản hồi Một điều khiển vịng kín sử dụng tín hiệu phản hồi để điều khiển trạng thái đầu hệ thống động lực Tên đến từ đường thơng tin hệ thống: q trình đầu vào (ví dụ Vôn dùng động điện) theo hiệu ứng chu trình đầu (ví dụ: tốc độ momen động cơ), đo với cảm biến xử lý điều khiển; kết (tín hiệu điều khiển) sử dụng làm đầu vào cho chu trình xử lý, đóng kín vịng lặp Các điều khiển vịng kín có ưu điểm so với điều khiển vịng hở là: • Loại trừ nhiễu (như ma sát không đo động cơ) • Đảm bảo thực với mơ hình khơng chắn, cấu trúc mơ hình khơng phù hợp hồn hảo với q trình thực thơng số mơ hình khơng xác • Các chu trình khơng ổn định ổn định hóa • Giảm độ nhạy cho thơng số biến đổi • Kết theo dõi đặt trước cải thiện Trong vài hệ thống, điều khiển vịng kín điều khiển vòng hở sử dụng đồng thời Trong hệ thống vậy, điều khiển vòng hở nằm vòng tiến nhằm nâng cao kết theo dõi giá trị đặt trước Một cấu trúc điều khiển kín phổ biến điều khiển PID Hàm truyền vịng kín Đầu hệ thống y(t) hồi tiếp qua cảm biến đo lường F để so sánh với giá trị đặt trước r(t) Bộ điều khiển C lấy sai số e (độ chênh lệch) giá trị đặt tín hiệu đầu để thay đổi đầu vào u cho hệ thống điều khiển P Điều thể hình vẽ Loại điều khiển vịng kín hay cịn gọi điều khiển hồi tiếp Đây hệ điều khiển đầu vào, đầu ra(SISO); hệ thống MIMO (Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra), với nhiều đầu vào/đầu phổ biến Trong trường hợp biến biểu diễn qua vector thay giá trị vô hướng đơn giản Trong vài hệ thống tham số phân thán, vector có chiều vơ hạn (các hàm đặc trưng) Nếu giả thiết điều khiển C, cấu P, cảm biến F tuyến tính bất biến theo thời gian (ví dụ: yêu tố hàm truyền C(s), P(s), F(s) chúng không phụ thuộc vào thời gian), hệ thống phân tích sử dụng phép biến đổi Laplace vào biến Điều đưa tới quan hệ sau: Giải Y(s) theo R(s) được: Biểu thức xem hàm truyền vịng kín hệ thống Tử số độ lợi phía (vịng hở) thu từ r đến y, mẫu số cộng với độ lợi xung quanh vòng hồi tiếp, gọi độ lợi vịng lặp Nếu , có nghĩa có tiêu chuẩn lớn với giá trị s, , Y(s) xấp xỉ R(s) Do cài đặt giá trị đặt trước để điều khiển đầu Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có lẽ thiết kế điều khiển hồi tiếp sử dụng nhiều PID từ viết tắt Proportional-Integral-Derivative (có nghĩa tỉ lệ-tích phân-vi phân), đề cập đến khâu hoạt động tín hiệu sai số để tạo tín hiệu điều khiển Nếu u(t) tín hiệu điều khiển gửi tới hệ thống, y(t) đầu đo r(t) đầu mong muốn, sai số theo dõi , điều khiển PID có dạng tổng quát sau: Đặc tính động học vịng kín mong muốn đạt cách điều chỉnh thông số thường lặp lặp lại cách "điều chỉnh" khơng cần có kiến thức cụ thể mơ hình Sự ổn định thường chắn cách sử dụng khâu tỉ lệ Khâu tích phân cho phép loại bỏ bậc nhiễu (thường đặc điểm đặc trưng điều khiển trình Khâu vi phân sử dụng để cung cấp giảm dần hình dạng đáp ứng Các điều khiển PID lớp thiết lập tốt hệ thống điều khiển: nhiên, chúng sử dụng nhiều trường hợp phức tạp hơn, đặc biệt hệ thống MIMO xem xét Việc ứng dụng kết biến đồi Laplace phương trình điều khiển PID biến đổi với hàm truyền điều khiển PID 1.3.2 Lý thuyết điều khiển đại Trái ngược với phân tích miền tần số lý thuyết điều khiển cổ điển, lý thuyết điều khiển đại sử dụng mô tả không gian trạng thái miền thời gian, mô hình tốn học hệ thống vật lý cụm đầu vào, đầu biến trạng thái quan hệ với phương trình trạng thái bậc Để trừu tượng hóa từ số lượng đầu vào, đầu trạng thái, biến biểu thức vector phương trình vi phân, phương trình đại số viết dạng ma trận (những thứ sau thực hệ thống động lực tuyến tính) Biểu diễn khơng gian trạng thái(cịn gọi "xấp xỉ miền thời gian ") cung cấp cách thức ngắn gọn thuật tiện cho bắt chước phân tích hệ thống với nhiều đầu vào đâu Với đầu vào đầu ra, có cách viết khác cho phép biến đổi Laplace để mã hóa tồn thơng tin hệ thống Không giống xấp xỉ miền tần số, việc sử dụng biểu diễn không gian trạng thái không bị giới hạn với hệ thống thành phần tuyến tính điều kiện zero ban đầu "Không gian trạng thái" đề cập đếp không gian mà hệ trục biến trạng thái Trạng thái hệ thống biểu diễn vector khơng gian 1.3.3 Phân loại hệ thống -Hệ thống tuyến tính -Hệ thống điều khiển phi tuyến -Hệ thống phân tán 1.3.4 Những phương thức điều khiển Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trước hết độ ổn định trạng thái vịng kín Trong hệ thống tuyến tính, điều đạt cách thay trực tiếp cực Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng lý thuyết đặc biệt (thường dựa học thuyết Aleksandr Lyapunov) để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến trình động học bên hệ thống Khả đáp ứng biến đổi chức khác từ việc nhận dạng mơ hình việc chọn phương thức điều khiển Sau danh sách giản lược kỹ thuật điều khiển chính: -Điều khiển thích nghi -Điều khiển phân cấp -Điều khiển thông minh -Điều khiển tối ưu -Điều khiển bền vững -Điều khiển ngẫu nhiên 1.4 Hệ thống điều khiển động điện chiều Hình 1.3 Hệ thống điều khiển động - • Các phần tử hệ thống: Khối chức gồm: điều khiển (controller) mạch điện điều khiển - (plant) Bộ tổng: giúp tính số tín hiệu đặt tín hiệu phản hồi Giá trị đặt: giá trị mong muốn trình điều khiển Giá trị phản hồi: giá trị hiển thị sau thực trình điều khiển Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative): chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào 10 2.3 Phương trình vật lí mơ tả động điện chiều kích từ nối tiếp Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện động điện chiều kích từ nối tiếp Sử dụng định luật kirchhoff cho mạch động điện chiều kích từ nối tiếp u (t ) = U u (t ) + U kt (t ) (2.8) (2.9) Đơng bao gồm phần ứng phần kích từ với động điện chiều kích từ nối tiếp sử dụng nguồn chiều cấp nối tiếp cho mạch kích từ mạch phần ứng: (2.10) (2.11) (2.12) (2.13) & (R +R ).i K θ(t) di & u(t) =i(t)= - u KT - dt L u +L KT L u +L KT L u +L KT Trong = (2.15) 13 (2.14) Áp dụng định luật II newton cho chuyển động quay trục động cơ: (2.16) (2.17) Trong đó: =(t) (2.18) Là momen tải b hệ số cản J momen quán tính (2.19) Biến đổi laplace phương trình (2.13), (2.15), (2.16), (2.18) ta được: (2.20) (2.21) (2.22) (2.23) (2.24) Suy ra: U ( s ) − Eu ( s ) I ( s ) = ( R + R ) + S ( L + L ) u KT KT u θ ( s ) = M ( s) − M t ( s) b.S + J b.S (2.25) Từ (2.14) (2.17) ta có phương trình trạng thái mơ tả động điện chiều kích từ nối tiếp: 14 ( Ru + Rkt − & d i i Lu + Lkt = & = dt θ& θ& K2 J − K1 Lu + Lkt i + Lu + Lkt u (t ) b θ& − J 15 (2.26) CHƯƠNG XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả thành phần động điện chiều kích từ nối tiếp 3.1.1 Đối với hệ thống điện: Bước 1: Đặt Junction vị trí có điện khác nhau: Hình 3.1 Đặt junction vào điểm có điện khác Bước 2: Chèn phần tử hệ thống cách kết nối với Junction đặt vào Junction có liên quan: Hình 3.2 kết nối với Junction đặt vào Junction có liên quan Bước 3: Liên kết Junction 0, Junction lại với đường liên kết: Hình 3.3 Liên kết Junction 0, Junction lại với 16 Bước 4: Tối giản hố sơ đồ: Hình 3.4 Loại bỏ junction Bước 5: Gán công suất tới tất đường liên kết sơ đồ tối giản: Hình 3.5 Gán cơng suất tới tất đường liên kết sơ đồ tối giản 3.1.2 Đối với phần tử khí: Hình 3.6 Biểu đồ phần tử khí 17 3.2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động điên chiều kích từ nối tiếp: 3.2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph hoàn chỉnh cho hệ thống: Để kết nối phần hệ thống điện hệ thống khí ta cần sử dụng phần tử MGY phần tử biến đổi điện thành năng: Hình 3.6 Kết nối phần điện phần khí Vận tốc quay phía học chịu ảnh hưởng dòng điện tạo tượng cảm ứng điện từ hệ số momen trục động Sử dụng khối multiplydivide để kết nối phần kích từ với phần tử biến đổi điện thành nên ta có biểu đồ bondgraph cho hệ thống: 18 Hình 3.7 Mơ ảnh hưởng hệ số Momen với trục động 3.2.2 Xây dựng điều khiển cho hệ thống: Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động điện chiều kích từ nối tiếp với R tín hiệu đặt tốc độ, tín hiệu vào mạch điện động điện áp tín hiệu đầu hệ thống tốc độ quay động Trong phương pháp điều khiển góc quay động phương pháp sử dụng điều khiển PID xác Khâu hiệu chỉnh PID trường hợp riêng khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha, xem PID khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên tối ưu mang ưu điểm khâu PI PD Khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng độ giảm sai số xác lập Theo đó, tín hiệu đặt R tốc độ mong muốn hệ thống mơ khối constant với giá trị góc quay khơng đổi R=50 Tín hiệu phản hồi từ động góc quay thực tế, lỗi đưa vào khâu hiệu chỉnh PID để đạt sai số nhỏ 19 Hình 3.8 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động điện chiều CHƯƠNG MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4.1 Mô động điện chiều Nhập thông số cho hệ thống Dựa giá trị cho theo yêu cầu đưa - Điện cảm phần ứng L: 0.01 H - Điện trở phần ứng R: 1.75 Ω - Điện trở mạch kích từ: Ω - Điện cảm kích từ L: 0.01 H - Hệ số cản b = 6.6 10^-5 Nms/rad - Momen quán tính J= 0.006 ���/��� - Hệ số momen K= 1.53 20 Giả sử hệ số momen tải -0.01 điện áp đầu vào 100V ta có bảng thơng số hệ thống: Hình 4.4 Thơng số cài đặt cho biểu đồ phần mềm 20-sim Thông số cài đặt cho biểu đồ phần mềm 20-sim 1, Đặc tính vận tốc hệ hở hệ thống: Hình 4.5 Vận độ động kích từ nối tiếp Vận tốc động tăng theo tỉ lệ phi tuyến đầu vào điện áp Có thể thấy chưa có điều khiển, động không đáp ứng tốc độ mong muốn lệch độ vọt lố, sai số xác lập thời gian xác lập 21 2, Đặc tính vận tốc hệ kín dùng điều khiển PI: Hình 4.3 Biểu đồ bond graphs kết hợp điều khiển PI Hình 4.4 Đặc tính vận tốc kp=1;ki=1 Hệ số kp=1, ki=1 22 Hình 4.6 Đặc tính vận tốc kp 2;ki=2.5 Với tham số tối ưu chọn kp=2, ki=2.5 Nhận xét: • Khi Kp = 1, Ki = 1: Hệ thống có độ vọt lố cao so với giá trị đặt, thời gian xác lập lớn (10 s) • Khi Kp = 2, Ki = 2.5: Động khơng có vọt lố thời gian xác lập động tương đối cao (3.5 s) 3, Bộ điều khiển PD: Hình 4.6 Biểu đồ bond graphs kết hợp điều khiển PD 23 Hình 4.7 Đặc tính vận tốc kp=1;ki=1 Với giá trị ban đầu kp=1, kd=1 Hình 4.8 Đặc tính vận tốc kp=2.9;kd=30 Với giá trị kp=2.9, kd=30 tối ưu vận tốc giảm dần k đáp ứng đc mong muốn Nhận xét: • Với Kp = 1, Kd = 1: Vận tốc động không đạt giá trị đặt nhiên ổn định giá trị (44 V) • Với Kp = 2.9, Kd = 30: Vận tốc có thời gian xác lập nhanh, độ vọt lố thấp nhiên tốc độ ổn định sau thời gian dài 4, Bộ điều khiển PID 24 Hình 4.9 Đặc tính vận tốc kp=1;ki=1,kd=1 Với tham số kp=1, ki=1, kd=1 Hình 4.10 Đặc tính vận tốc kp=1;ki=1,kd=200 Với tham số kp=1, ki=1, kd=200 25 Hình 4.11 Thơng số cài đặt hệ thống điều khiển động điện chiều Nhận xét: • Với Kp = 1, Kd = 1, Ki = 1: Vận tốc ổn định sau sử dụng điều khiển, nhiên chưa hiệu chỉnh thông số thời gian xác lập động chưa đạt yêu cầu (khoảng s) • Với Kp=1, Ki=1, Kd=200: Hệ thống ổn định đạt yêu cầu thông số thời gian xác lập, sai số xác lập độ vọt lố KẾT LUẬN Qua tập lớn giúp chúng em củng cố kiến thức môn học “Mơ mơ hình hóa hệ thống điện tử” thành lập phương trình vi phân, phương trình trạng thái mơ hệ thống, xây dựng biểu đồ bond graph phần mềm 20 sim Cũng trình thực chúng em hiểu rõ động điện chiều kích từ độc lập từ áp dụng cho loại động khác Qua tích lũy kiến thức quan trọng để phục vụ cho việc học tập học phần có liên quan, đồ án mơn học đồ án tốt nghiệp sau Tài liệu tham khảo: 26 [1] S Das, Mechatronics modeling and simulation using Bond Graphs, CRC press, 2009 27 ... hệ thống điều khiển động điện chiều CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4.1 Mô động điện chiều Nhập thông số... mạch động điện chiều kích từ nối tiếp u (t ) = U u (t ) + U kt (t ) (2.8) (2.9) Đông bao gồm phần ứng phần kích từ với động điện chiều kích từ nối tiếp sử dụng nguồn chiều cấp nối tiếp cho mạch kích. .. phát điện áp gọi sức phản điện động sức điện động đối kháng, đối kháng lại điện áp bên ngồi đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện 1.2 Các ứng dụng động