Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, kỹ thuật điều khiển động cơ điện trong sản xuất công nghiệp đã đạt nhiều thành tựu lớn, với sự phát triển của các phương pháp điều khiển tối ưu hơn Nghiên cứu về điều khiển động cơ một chiều ngày càng được quan tâm, với nhiều tài liệu và phương pháp đã được ứng dụng thực tế và phát triển thành sản phẩm thương mại Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp hiện tại vẫn dựa vào các kỹ thuật truyền thống, sử dụng phần tử bán dẫn thông dụng Gần đây, một số nghiên cứu đã áp dụng vi điều khiển, giúp tối ưu hóa mạch điều khiển và nâng cao tính linh hoạt trong điều khiển tự động Việc điều khiển động cơ một chiều là rất quan trọng, do đó, nghiên cứu bộ điều khiển PID để ổn định tốc độ động cơ là cần thiết Trong các dây chuyền sản xuất, việc điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu công nghệ là điều thiết yếu, nhưng phương pháp thay đổi cơ cấu truyền động bằng cơ khí có nhược điểm là không linh hoạt Do đó, điều chỉnh tốc độ động cơ điện dựa vào nhiều yếu tố như nguồn điện và tải là cần thiết để đảm bảo phù hợp với yêu cầu sản xuất.
Trong thực tế điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều hiện nay có ba phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ là:
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ (Uƣ)
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông ()
+ Điều chỉnh giá trị của điện trở phụ trên mạch phần ứng (R f )
Cấu trúc động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều luôn cần một bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cung cấp điện cho mạch phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ Hiện nay, trong các nhà máy sản xuất, có bốn loại bộ biến đổi được sử dụng.
+ Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)
+ Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)
+ Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu thysistor
+ Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thysistor hoặc transistor
Trong bối cảnh hiện nay, công nghệ tiên tiến và dây chuyền thiết bị hiện đại đang ngày càng thâm nhập vào Việt Nam, nhờ vào chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước Những công nghệ mới này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Các máy điện hiện đại chủ yếu hoạt động dựa vào điện năng, thông qua các thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng và nhiệt năng Đặc biệt, trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, động cơ điện, bao gồm cả động cơ điện một chiều, là yếu tố không thể thiếu để đảm bảo sự vận hành hiệu quả của các thiết bị máy móc.
Động cơ điện một chiều là thiết bị quan trọng trong nhiều loại máy móc, với công suất đa dạng phù hợp với chức năng hoạt động Chúng có khả năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại, khi thực hiện quá trình hãm.
Động cơ điện một chiều là thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền công nghiệp và các cơ cấu vận hành như thang máy và máy nâng.
Nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, với cấu tạo đơn giản giúp dễ dàng chế tạo và sửa chữa Sản phẩm này góp phần cải thiện cuộc sống và nâng cao sức lao động của con người, đặc biệt là nhân dân Việt Nam.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Động cơ điện một chiều hiện nay đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp và cuộc sống, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cơ khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và robot Để thực hiện các nhiệm vụ công nghiệp với độ chính xác cao, việc sử dụng bộ điều khiển tốc độ là cần thiết Các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, vi phân) thường được áp dụng do cấu trúc đơn giản và độ bền cao Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti, Td của bộ điều khiển PID, nhưng các hệ số này chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể, do đó cần phải hiệu chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành Để tối ưu hóa hiệu quả của bộ điều khiển, cần xác định chính xác các thông số và kiểu đối tượng cần điều khiển Tuy nhiên, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính, còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điển không hiệu quả Mục tiêu cuối cùng là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động.
Trên thực tế, có nhiều loại đối tượng điều khiển với yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau, do đó cần nghiên cứu để tìm ra các phương pháp điều khiển phù hợp cho từng loại Mục tiêu là phát triển các bộ điều khiển cho hệ truyền động điện nhằm nâng cao chất lượng điều chỉnh, giảm chi phí và tối ưu hóa hiệu quả, đáp ứng nhu cầu tự động hóa trong sản xuất.
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật điều khiển và công nghệ vi xử lý, đã tạo ra nhu cầu cấp thiết trong việc nghiên cứu và hoàn thiện các hệ điều khiển để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống Việc xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều dựa trên lý thuyết điều khiển hiện đại là rất cần thiết, liên kết giữa nghiên cứu và thực tiễn Phương pháp điều khiển PID số, kết hợp với phần mềm Matlab Simulink, đã trở thành công cụ hữu ích trong việc mô phỏng và nghiên cứu hệ thống điều khiển cho động cơ điện một chiều, thường được sử dụng trong các hệ thống truyền động điện đòi hỏi chất lượng cao Hệ thống điều khiển cần đáp ứng nhiều chỉ tiêu nghiêm ngặt do các thông số của động cơ thường thay đổi, ảnh hưởng đến chất lượng điều chỉnh Do đó, nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển PID số để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều đang thu hút sự quan tâm lớn và có nhiều triển vọng ứng dụng trong thực tiễn.
Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế chế tạo thành công bộ điều khiển để ổn định tốc độ động cơ điện một chiều.
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều a Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều
Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:
Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ là những thành phần quan trọng trong động cơ sử dụng nam châm điện Mạch từ thường được chế tạo từ vật liệu sắt từ như thép đúc hoặc thép đặc Dây quấn kích thích, hay còn gọi là dây quấn kích từ, được làm từ dây điện từ và các cuộn dây này được mắc nối tiếp với nhau, tạo nên hiệu suất hoạt động tối ưu cho động cơ.
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
Lõi sắt cực từ được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện hoặc thép cacbon dày từ 0,5mm đến 1mm, được ép lại và tán chặt Trong các động cơ điện nhỏ, có thể sử dụng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy bằng bulông Dây quấn kích từ làm từ dây đồng bọc cách điện, mỗi cuộn dây được bọc cách điện kỹ lưỡng và phủ sơn cách điện trước khi lắp đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ này được kết nối nối tiếp với nhau.
Cực từ phụ là thành phần được lắp đặt trên các cực từ chính, thường được làm từ thép khối Trên thân của cực từ phụ có dây quấn tương tự như dây quấn của cực từ chính Cực từ phụ được cố định vào vỏ máy thông qua các bulông.
Gông từ là bộ phận quan trọng trong động cơ điện, có chức năng nối liền các cực từ và làm vỏ máy Đối với động cơ điện nhỏ và vừa, thường sử dụng thép dày được uốn và hàn, trong khi đó, động cơ điện lớn thường sử dụng thép đúc Ngoài ra, một số động cơ điện nhỏ còn có thể sử dụng gang để làm vỏ máy.
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hƣ hỏng dây
Dây quấn kích từ không chỉ đảm bảo an toàn cho người sử dụng tránh tiếp xúc với điện, mà còn có vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ cấu trúc của máy điện nhỏ và vừa Nắp máy, thường được chế tạo từ gang, không chỉ bảo vệ các linh kiện bên trong mà còn đóng vai trò làm giá đỡ ổ bi, giúp máy hoạt động ổn định hơn.
Cơ cấu chổi than là thiết bị quan trọng giúp dẫn dòng điện từ phần quay ra bên ngoài Nó bao gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than, với lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá để đảm bảo an toàn Giá chổi than có khả năng quay để điều chỉnh vị trí chổi than một cách chính xác, và sau khi điều chỉnh, cần sử dụng vít để cố định lại vị trí.
Phần quay hay rotor: Bao gồm những bộ phận chính sau
+ Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ đƣợc làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng
Cuộn dây phần ứng bao gồm nhiều bối dây được kết nối theo một quy luật nhất định Mỗi bối dây chứa nhiều vòng dây, với các đầu dây được nối vào các phiến đồng, gọi là phiến góp Các phiến góp này được cách điện với nhau và cách điện với trục, tạo thành cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và đƣợc ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo
Hình 1.3 Lõi sắt phần ứng
Trong các động cơ điện, người ta thường sử dụng tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm với lớp cách điện mỏng ở hai mặt để giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy Tấm thép được dập hình dạng rãnh để tạo điều kiện cho việc đặt dây quấn sau khi ép lại Đối với các động cơ trung bình và lớn, có thêm các lỗ thông gió được dập trên tấm thép, cho phép hình thành các lỗ thông gió dọc trục khi ép lại thành lõi sắt Đặc biệt, trong các động cơ lớn, lõi sắt thường được chia thành các đoạn nhỏ, giữa các đoạn này có khe hở thông gió, giúp gió thổi qua để làm nguội dây quấn và lõi sắt khi máy hoạt động.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được gắn trực tiếp vào trục Đối với động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có một giá rotor được lắp đặt Việc sử dụng giá rotor giúp tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm trọng lượng của rotor.
Dây quấn phần ứng là bộ phận tạo ra suất điện động và có dòng điện chạy qua, thường được làm bằng dây đồng bọc cách điện Đối với máy điện nhỏ dưới vài KW, dây có tiết diện tròn được sử dụng, trong khi máy điện vừa và lớn thường sử dụng dây tiết diện chữ nhật, được cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép Để ngăn dây quấn bị văng ra do lực ly tâm khi quay, nêm được sử dụng để giữ chặt dây quấn, có thể làm từ tre, gỗ hoặc bakelit Cổ góp bao gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện bằng mica, tạo thành hình trục tròn, với hai đầu trục được ép chặt bằng các hình ốp chữ V Giữa vành ốp và trụ tròn cũng được cách điện bằng mica, và đuôi vành góp được nâng cao để dễ dàng hàn các đầu dây của dây quấn.
Động cơ điện một chiều được phân loại dựa trên cách kích thích từ, bao gồm bốn loại chính Trong đó, động cơ điện một chiều kích từ độc lập là loại mà phần ứng và phần kích từ được cấp nguồn từ hai nguồn riêng biệt.
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc song song với phần ứng
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc nối tiếp với phần ứng
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp được cấu tạo bởi hai cuộn dây kích từ: một cuộn được mắc song song với phần ứng và một cuộn khác được mắc nối tiếp với phần ứng.
Ƣu điểm và nhƣợc điểm của động cơ điện một chiều:
Hệ thống điện xoay chiều có nhiều ưu điểm vượt trội như cấu tạo đơn giản, công suất lớn và dễ vận hành, khiến cho máy phát và động cơ điện xoay chiều ngày càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất và truyền tải điện Tuy nhiên, động cơ điện một chiều vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị yêu cầu điều khiển tốc độ quay liên tục, như máy cán thép và đầu máy điện Mặc dù giá thành chế tạo động cơ điện một chiều cao hơn do sử dụng nhiều kim loại màu và quy trình sản xuất phức tạp, nhưng những lợi ích mà nó mang lại vẫn khiến nó trở thành một phần không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Động cơ điện một chiều có ưu điểm nổi bật là khả năng hoạt động linh hoạt như động cơ điện và máy phát điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau Điểm mạnh lớn nhất của loại động cơ này là khả năng điều chỉnh tốc độ và khả năng chịu quá tải Trong khi động cơ không đồng bộ có thể gặp khó khăn trong việc đáp ứng yêu cầu, hoặc phải sử dụng thiết bị biến đổi tốn kém như bộ biến tần, động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ một cách rộng rãi và chính xác Hơn nữa, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của động cơ điện một chiều đơn giản hơn, đồng thời đảm bảo chất lượng hoạt động cao.
Động cơ điện một chiều có nhược điểm chính là hệ thống cổ góp và chổi than, dẫn đến khả năng vận hành không đáng tin cậy và không an toàn trong các môi trường có rung chấn, đồng thời dễ xảy ra cháy nổ.
1.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều a Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ (U ư )
Phương pháp thay đổi từ thông ()
Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng (Rf)
1.2.1 Phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lƣợng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Để đƣa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa
Hình 1.6 minh họa sơ đồ sử dụng bộ biến đổi để điều khiển điện áp phần ứng Trong chế độ xác lập, chúng ta có thể thiết lập phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
Eb – Eƣ = Iƣ.(Rb + Rƣđ) (1.11)
Do từ thông của động cơ được giữ không đổi, độ cứng đặc tính cơ cũng không thay đổi, trong khi tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào điện áp điều khiển Uđk Phương pháp điều chỉnh này được coi là triệt để Tốc độ tối đa của hệ thống bị giới hạn bởi đặc tính cơ bản tương ứng với điện áp phần ứng định mức, trong khi từ thông cũng giữ ở giá trị định mức Tốc độ tối thiểu trong dải điều chỉnh bị ảnh hưởng bởi yêu cầu sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải đạt định mức, các giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất được xác định.
(1.15) Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm
Hệ số quá tải về mômen K M có vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính cơ của hệ thống Do các đường đặc tính cơ là những đường thẳng song song, ta có thể áp dụng định nghĩa về độ cứng để diễn đạt mối quan hệ này một cách chính xác.
Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp
Với cơ cấu máy cụ thể, các giá trị như 0 max, Mđm và KM là xác định, do đó phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ bằng thiết bị nguồn điều chỉnh, điện trở tổng mạch phần ứng sẽ gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng của động cơ.
Do đó có thể tính sơ bộ đƣợc:
Tải có đặc tính mômen không đổi giới hạn phạm vi điều chỉnh tốc độ tối đa ở mức 10 Đối với các máy yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác trong việc duy trì tốc độ làm việc, việc sử dụng các hệ thống hở như trên sẽ không đáp ứng được nhu cầu.
Trong phạm vi phụ tải cho phép, đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập có thể được coi là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng, độ cứng cơ trong toàn dải điều chỉnh là đồng nhất, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất Nếu tại đặc tính cơ thấp nhất mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị cho phép, hệ truyền động sẽ hoạt động với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất được xác định rõ ràng.
Để đảm bảo sai số không vượt quá giá trị cho phép, cần tính toán giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ dựa trên các giá trị M đm, 0min và S cp đã xác định Trong hầu hết các trường hợp, việc xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín là cần thiết để thực hiện điều này.
1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông
Để thay đổi từ thông của động cơ với giả thiết U = Uđm và Rƣ = const, ta có thể điều chỉnh dòng điện kích từ Việc này có thể thực hiện bằng cách nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hoặc thay đổi điện áp cung cấp cho mạch kích từ.
Khi động cơ hoạt động ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Φ = Φdm), phương pháp điều chỉnh chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, dẫn đến việc giảm từ thông Điều này cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức, tuy nhiên khi giảm, tốc độ không tải sẽ không đạt được giá trị lý tưởng.
tăng, còn độ cứng đặc tính cơ
R giảm, ta thu đƣợc họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên
Hình 1.8 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông, dòng điện sẽ tăng lên và có thể vượt quá giá trị cho phép nếu mômen không thay đổi Để giữ cho dòng điện không vượt quá giới hạn cho phép trong khi giảm từ thông, cần phải giảm mômen theo cùng tỷ lệ.
Đặc điểm của phương pháp:
+ Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng
+ Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch
+ Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi
Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển cho thấy sai số tốc độ lớn và đặc tính điều khiển dốc hơn so với đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy, cho phép điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3:1 Với công suất cuộn dây kích từ nhỏ và dòng điện kích từ thấp, có thể thực hiện điều khiển liên tục với 1.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ này được áp dụng rộng rãi và có tính linh hoạt cao, cho phép thay đổi liên tục với chi phí thấp Việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ từ 1 đến 10% Iđm của phần ứng giúp giảm thiểu tổn hao Đây là phương pháp gần như duy nhất cho động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
1.2.3 Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Trong phương pháp này, người ta duy trì U = Uđm và = dm, đồng thời kết nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng cường điện trở phần ứng Điều này ảnh hưởng đến độ cứng của đường đặc tính cơ.
- Ta thấy khi điện trở càng lớn thì càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn
Khi thay đổi điện trở phụ Rf, độ cứng tự nhiên TN đạt giá trị lớn nhất khi Rf = 0, dẫn đến đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng vượt trội hơn so với các đường đặc tính cơ khác Do đó, sự thay đổi Rf tạo ra một loạt đặc tính cơ có độ cứng thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.
Đặc điểm của phương pháp:
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hệ truyền động máy phát – động cơ điện một chiều (F – Đ)
Hệ truyền động xung áp – động cơ điện một chiều (XA – ĐC)
Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ điện một chiều (CL – ĐC)
1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F – Đ)
Hệ thống máy phát - động cơ (F – Đ) là một dạng hệ truyền động điện, trong đó bộ biến đổi điện sử dụng máy phát điện một chiều có kích từ độc lập Máy phát này thường được vận hành bởi động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha Tính chất của máy phát điện trong hệ thống này được xác định bởi hai đặc tính chính.
+ Đặc tính từ hoá: 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 hai cực của máy phát vào dòng điện tải
Các đặc tính này thường mang tính phi tuyến do ảnh hưởng của lõi sắt và các phản ứng từ dòng điện phần ứng Tuy nhiên, trong các tính toán gần đúng, có thể áp dụng phương pháp tuyến tính hóa để đơn giản hóa các đặc tính này.
KF: Là hệ số kết cấu của máy phát
: Là hệ số góc của đặc tính từ hoá
Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng
Sức điện động của máy phát điện một chiều kích từ độc lập tỷ lệ với điện áp kích thích thông qua hằng số KF, do đó có thể xem máy phát này như một bộ khuếch đại tuyến tính gần đúng.
Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động máy phát động cơ
Nếu đặt R = R ưF + R ưĐ thì có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F – Đ nhƣ sau:
Khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát, tốc độ không tải của hệ thống có thể được điều chỉnh mà không làm thay đổi độ cứng của đặc tính cơ Ngoài ra, việc điều chỉnh kích từ của động cơ cũng giúp mở rộng dải điều chỉnh tốc độ.
Các chế độ làm việc của hệ F – Đ:
Hình 1.11 Các trạng thái làm việc của hệ F – Đ
Hệ F – Đ không có phần tử phi tuyến, mang lại đặc tính động linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc Động cơ chấp hành Đ có thể điều chỉnh ở cả hai phía, với khả năng kích thích máy phát F và động cơ Đ Quá trình đảo chiều quay diễn ra bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, trong khi hãm động năng được thực hiện khi dòng kích thích máy phát bằng không Hệ thống cũng hỗ trợ hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc đảo chiều dòng kích thích, cùng với hãm ngược ở giai đoạn cuối của quá trình hãm tái sinh Hệ F – Đ sở hữu đặc tính cơ ở cả bốn góc phần tư của mặt phẳng tọa độ [ω;M].
Ở góc phần tư thứ I và thứ III, tốc độ quay cùng chiều với mômen quay của động cơ, trong khi đó, sức điện động của máy phát và động cơ lại ngược chiều nhau, với E_F > E và ω_c > ω Công suất điện từ của máy phát và động cơ được xác định rõ ràng.
Các biểu thức 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 thứ II và thứ IV, lúc này do
0 nên E E F , mặc dù E, E F mắc ngƣợc nhau, nhƣng dòng điện phần ứng lại chạy ngƣợc từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngƣợc chiều tốc độ quay
Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là:
Chỉ do dòng điện đổi chiều mà các bất đẳng thức trên cho ta thấy năng lƣợng đƣợc chuyển vận theo chiều từ tải động cơ máy phát nguồn
Máy phát F và động cơ Đ có khả năng trao đổi chức năng cho nhau, cho phép khai thác hiệu quả hãm tái sinh trong hệ F – Đ Hệ thống này hoạt động tối ưu khi giảm tốc độ, hãm để đảo chiều quay, và duy trì ổn định với tải có tính chất thế năng Đặc điểm nổi bật của hệ F – Đ là các chỉ tiêu chất lượng cơ bản tương tự như các chỉ tiêu của hệ điều áp sử dụng bộ biến đổi.
Hệ F – Đ nổi bật với khả năng chuyển đổi trạng thái làm việc linh hoạt và chịu quá tải lớn, chính vì vậy nó thường được sử dụng trong các máy khai thác công nghiệp mỏ.
Hệ F – Đ có nhược điểm chính là sử dụng nhiều máy điện quay, bao gồm ít nhất hai máy điện một chiều, dẫn đến tiếng ồn lớn và yêu cầu công suất lắp đặt gấp ba lần công suất động cơ chấp hành Thêm vào đó, máy phát một chiều có từ dư và đặc tính từ hóa chậm, gây khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ chính xác.
1.3.2 Hệ truyền động xung áp – động cơ điện một chiều (XA – ĐC)
Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng, ta có thể thêm vào mạch một van đếm V0, sử dụng thyristor hoặc transistor công suất thay cho khóa K Khi khóa K được đóng cắt, điện áp trên phần ứng động cơ sẽ biến đổi theo dạng xung vuông Trong trạng thái dòng liên tục, giá trị trung bình của điện áp ra sẽ được xác định.
Trong đó: t1 : Là thời gian khóa ở trạng thái đóng t2 : Là thời gian khóa ở trạng thái mở
TCK : Thời gian thực hiện một chu kỳ đóng mở khóa
T : Là độ rộng của xung áp
Bộ biến đổi xung có thể được xem như là một nguồn điện liên tục, với điện áp ra U d có thể điều chỉnh thông qua việc thay đổi độ rộng xung γ Thời gian chu kỳ đóng cắt của khóa K rất ngắn so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động, do đó tốc độ và sức điện động của động cơ được coi là không thay đổi trong khoảng thời gian T CK Điều này tạo ra đặc tính điều chỉnh hiệu quả cho hệ Xung áp – Động cơ.
Khi thay đổi , ta nhận thấy rằng đường thẳng song song có độ cứng const và tốc độ không tải lý tưởng 0 sẽ thay đổi theo Nếu nguồn được coi là vô cùng lớn, chúng ta có thể bỏ qua Rbd, dẫn đến độ cứng của đặc tính cơ của hệ sẽ được xác định một cách rõ ràng.
Tốc độ không tải lý tưởng 0 phụ thuộc vào chỉ là giá trị giả định
Dòng trong hệ có thể tồn tại khi nó liên tục, ngay cả khi giá trị dòng tiến đến 0 Do đó, hai biểu thức này chỉ đúng trong trạng thái dòng liên tục.
Khi dòng điện giảm xuống mức đủ nhỏ, hệ thống sẽ chuyển từ trạng thái dòng điện liên tục sang trạng thái dòng điện gián đoạn Trong tình huống này, các phương trình đặc tính điều chỉnh trước đó không còn chính xác, và đặc tính của hệ thống sẽ trở thành những đường cong rất dốc.
Hình 1.13 Đặc tính cơ của hệ
Tất cả các đặc tính điều chỉnh của hệ Xung áp – Động cơ trong điều kiện dòng điện gián đoạn đều có giá trị không tải lý tưởng giống nhau, ngoại trừ trường hợp khi 0.
Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tƣ ít, hệ đơn giản chắc chắn
Độ cứng của đặc tính cơ lớn
ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
- Mô hình toán học của động cơ điện một chiều
- Phần mềm Matlab, tính toán và xây dựng mô hình hệ truyền động điện một chiều trên phần mềm Matlab và Simulink
- Bộ điều khiển PID và các luật điều khiển
- Ngôn ngữ lập trình C viết trên Adruino IDE để lập trình cho bộ điều khiển
- Phần mềm lập trình cho bộ điều khiển Adruino IDE.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2.2.1 Sơ đ kh i hệ truyền động xung – s đƣ c điều khiển ởi Card Arduino
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động xung – số
2.2.2 Giới thiệu về Card Arduino
Trong những năm gần đây, Arduino đã trở thành một công cụ phổ biến toàn cầu, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Sự phát triển này đã thu hút một lượng lớn người dùng, bao gồm cả học sinh và sinh viên tại nhiều trường học.
Card giao tiếp (Card Arduino)
Encoder Động cơ điện một chiều
Máy tính đại học danh tiếng trên thế giới sử dụng nhƣ là một cộng cụ nghiên cứu học tập, nhƣ đại học MIT, Stanford…
Arduino là gì và tại sao Arduino lại thu hút số lượng người dùng đông đảo tạo lên một cộng đồng sử dụng arduino nhƣ vậy:
Arduino là một bo mạch vi xử lý được sử dụng để lập trình và tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ và các thiết bị khác Ưu điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình đơn giản và dễ học, ngay cả đối với những người ít am hiểu về lập trình Ngoài ra, mức giá thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng đến phần mềm cũng là những yếu tố quan trọng làm nên hiện tượng Arduino Nhờ vậy, Arduino đã trở thành bộ não xử lý lý tưởng cho nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp.
Card Arduino có nhiều loại nhƣ: Arduino Uno, Arduino leonardo, Arduino mega2560, Arduino nano…
Bảng 2.1 Cấu hình của Card Arduino Uno R3
Chip ATmega328 Điện áp cấp nguồn 5V Điện áp khuyên dùng 7V – 12V Điện áp đầu vào giới hạn 6V – 20V
Số chân Digital I/O 14 chân (6 chân điều chế PWM)
Số chân Analog (Input) 6 chân
Dòng điện trên chân I/O khi dùng nguồn 5V
Flash Memory 32KB (ATmega 328) với 0,5 sử dụng bootloader Dòng điện trên chân I/O khi dùng nguồn 3.3V
Arduino có khả năng tích hợp với các phần mềm Labview và Matlab/Simulink, điều này giúp đơn giản hóa quá trình kiểm nghiệm các thuật toán điều khiển trong thực tế.
Sơ đồ chân và chức năng các chân của Card rduino no
Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính, cho phép người dùng tải chương trình lên thiết bị Ngoài chức năng truyền dữ liệu, cáp USB còn cung cấp nguồn điện cho Arduino hoạt động.
Khi không sử dụng USB để cấp nguồn, bạn có thể sử dụng nguồn ngoài qua jack cắm 2.1mm (với cực dương ở giữa) hoặc cấp nguồn cho Arduino thông qua hai chân Vin và GND.
Bo mạch Arduino hoạt động với nguồn ngoài có điện áp từ 5 đến 20 volt, tuy nhiên, việc cấp điện áp lớn hơn 12V có thể gây nóng và hỏng bo mạch Chân 5V và 3.3V được sử dụng để lấy nguồn ra từ nguồn cung cấp cho Arduino, nhưng không được cấp nguồn vào các chân này để tránh hư hại Chân GND là chân mass.
- Chip Atmega328: Chip Atmega328 Có 32K bộ nhớ flash trong đó 0.5k sử dụng cho bootloader (ngoài ra còn có 2K SRAM, 1K EEPROM)
The Arduino Uno features 14 digital pins that serve both input and output functions, utilizing the pinMode(), digitalWrite(), and digitalRead() functions Additionally, these 14 digital pins include several specialized function pins.
Chân 0 (Rx) và chân 1 (Tx) trên bo mạch được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu nối tiếp TTL, cho phép giao tiếp với cổng COM của các thiết bị và linh kiện hỗ trợ giao tiếp nối tiếp Bên cạnh đó, các chân PWM (modulation độ rộng xung) như 3, 5, 6, 9, 10, 11 có thể được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và độ sáng của đèn.
+ SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK), các chân này hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn SPI
+ I2C: Arduino hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn I2C Các chân A4 (SDA) và A5 (SCL) cho phép chúng ta giao tiếp giửa Arduino với các linh kiện có chuẩn giao tiếp là I2C
- Reset (7): Dùng để reset Arduino
2.2.3 Phần mềm Matla và Simulink
Matlab là phần mềm do công ty MathWorks phát triển, cung cấp môi trường tính toán số và lập trình Phần mềm này cho phép người dùng thực hiện tính toán với ma trận, vẽ đồ thị hàm số và biểu đồ thông tin, cũng như thực hiện các thuật toán và tạo giao diện người dùng Ngoài ra, Matlab còn hỗ trợ liên kết với các chương trình viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau.
Với thƣ viện Toolbox, Matlab cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật
Matlab, viết tắt của "Matrix Laboratory", được phát minh bởi Cleve Moler vào cuối thập niên 1970 Sau đó, ông trở thành chủ nhiệm khoa máy tính tại Đại học New Mexico.
Matlab, nguyên sơ đƣợc viết bởi ngôn ngữ Fortran, cho đến 1980 nó vẫn chỉ là một bộ phận đƣợc dùng nội bộ của Đại học Stanford
Vào năm 1983, Jack Little, một cựu sinh viên của MIT và Stanford, đã tái phát triển Matlab bằng ngôn ngữ C, bổ sung thêm các thư viện hỗ trợ thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống hộp công cụ và mô phỏng Ông đã biến Matlab thành một ngôn ngữ lập trình dựa trên ma trận (matrix-based programming language).
Steve Bangert là người đã phát triển trình thông dịch cho Matlab trong gần một năm rưỡi Sau đó, Jack Little cùng với Cleve Moler và Steve Bangert đã quyết định biến Matlab thành một dự án thương mại, dẫn đến sự ra đời của công ty The MathWorks vào năm 1984.
Phiên bản đầu tiên của Matlab 1.0 được ra mắt vào năm 1984, được viết bằng ngôn ngữ C cho hệ điều hành MS-DOS PC Sự kiện phát hành diễn ra tại Hội nghị IEEE về thiết kế và điều khiển tại Las Vegas, Nevada Matlab ban đầu được phát triển nhằm hỗ trợ sinh viên trong việc sử dụng hai thư viện.
LINPACK và EISPACK dùng cho đại số tuyến tính (viết bằng Fortran) mà không cần biết lập trình Fortran
Năm 1986, Matlab 2 ra đời trong đó hỗ trợ UNIX
Năm 1990, Simulink 1.0 đƣợc phát hành gói chung với Matlab
Năm 1992, Matlab 4 đã giới thiệu hỗ trợ cho đồ họa màu 2-D và 3-D cùng với các ma trận truy tìm Cũng trong năm này, phiên bản Matlab Student Edition dành cho học sinh được phát hành.
Năm 1993, Matlab cho MS Windows ra đời Đồng thời công ty này có trang web là www.mathworks.com
Năm 1995, Matlab cho Linux ra đời Trình dịch Matlab có khả năng chuyển dịch từ ngôn ngữ Matlab sang ngôn ngữ C cũng đƣợc phát hành trong dịp này
Năm 1996, Matlab 5 bao gồm thêm các kiểu dữ liệu, hình ảnh hóa, bộ truy sửa lỗi (debugger), và bộ tạo dựng GUI
Năm 2000, Matlab 6 cho đổi mới môi trường làm việc Matlab, thay thế LINPACK và EISPACK bằng LAPACK và BLAS
Năm 2002, Matlab 6.5 phát hành đã cải thiện tốc độ tính toán, sử dụng phương pháp dịch JIT (Just in Time) và tái hỗ trợ MAC
Vào năm 2004, Matlab 7 được phát hành với tính năng hỗ trợ chính xác đơn và kiểu nguyên, cho phép sử dụng hàm lồng nhau, công cụ vẽ điểm và môi trường phân tích số liệu tương tác Đến tháng 12/2008, phiên bản 7.7 đã ra mắt, mang theo sự cải tiến cho Simulink cùng hơn 75 sản phẩm khác.
Năm 2009, cho ra đời 2 phiên bản 7.8 (R2009a) và 7.9 (R2009b)
Năm 2010, phiên bản 7.10 (R2010a) cũng đã đƣợc phát hành
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.3.1 Mô hình toán học của động cơ điện một chiều
Khi áp dụng một điện áp lên dây quấn kích từ, dòng điện sẽ xuất hiện trong dây quấn này, tạo ra từ thông trong mạch từ của máy Sau đó, khi đặt một điện áp U lên mạch phần ứng, dòng điện cũng sẽ được sinh ra trong dây quấn phần ứng.
Khi dòng điện phần ứng chạy qua, sự tương tác giữa dòng điện này và từ thông kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ Do đó, chúng ta có thể thiết lập các phương trình cơ bản của động cơ một chiều, trong đó bao gồm phương trình cân bằng điện áp phần ứng.
U ƣ = E ƣ + I ƣ (R ƣ + Rf) (2.30) Sức điện động phần ứng Eƣ đƣợc tính theo biểu thức:
Mômen điện từ của động cơ đƣợc xác định:
Phương trình cân bằng mô men của động cơ:
Rƣ: Là điện trở cuộn dây phần ứng động cơ
E ƣ : Là sức điện động phần ứng động cơ
Rf: Là điện trở phụ
Iƣ: Là dòng điện phần ứng động cơ K: Là hệ số cấu tạo của máy điện
M d , M c : Là mô men điện từ và mô men cản của động cơ
Uƣ là điện áp đặt vào phần ứng của động cơ, ω biểu thị tốc độ góc của động cơ và Φ là từ thông của động cơ Khi chuyển đổi các phương trình này sang dạng toán tử Laplace, chúng ta có thể phân tích và xử lý các đặc tính động học của hệ thống một cách hiệu quả hơn.
Ta thành lập được phương trình đặc tính cơ như sau:
Hàm truyền của động cơ nhƣ sau:
Từ các phương trình trên ta được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều nhƣ sau:
Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều
Lựa chọn thông số mô phỏng: Động cơ sử dụng là động cơ một chiều DCM50202A với điện áp sử dụng là 24VDC
Công suất định mức: Pđm = 50 (W) Điện áp định mức phần ứng: U đm = 24 (V)
Tốc độ quay định mức: n đm = 1000 (vòng/phút)
Dòng điện định mức: Iđm = 2,08 (A) Điện cảm phần ứng: L ƣ = 9,1 (mH) Điện trở phần ứng: R ƣ = 2,52 ()
Mômen quán tính của động cơ: J = 1,62.10 -5 (kg.m 2 )
Hằng số mô men Km = 48.10 -3 (N.m/A)
Hằng số thời gian điều khiển Tđk = 0,0001 (s)
Hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu: T v = 0,001 (s)
Hằng số thời gian của máy phát tốc: T ω = 0,01(s)
Hằng số thời gian của máy biến dòng: Ti = 0,001 (s)
Hằng số thời gian phần ứng:
Tốc độ góc của rotor:
Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi:
Hàm truyền của bộ biến đổi:
Mô hình động cơ điện một chiều:
Hình 2.20 Mô hình động cơ điện một chiều
2.3.2 Xây dựng hàm truyền động cơ điện một chiều
T S +1 : Hàm số truyền điện từ của động cơ. e c
T S : Hàm số truyền điện cơ của động cơ
M(S1) : Hệ số của khâu lấy tín hiệu dòng điện
M(S2): Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ
Chọn động cơ điện một chiều có thông số nhƣ sau:
2.3.3 Xây dựng hàm truyền ộ PWM u u S
Ku = Ud/Uc hệ số khuếch đại của bộ biến đổi điều chế độ rộng xung và bộ biến đổi PWM
Ud: Điện áp ra của bộ biến đổi PWM
Uc: Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung
Tu: Hàm số trung gian của bộ PWM; Tu = Tck
Chọn bộ PWM có các thông số nhƣ sau:
2.3.4 Xây dựng hàm truyền của vi điều khiển (hay máy tính)
Hàm truyền của vi điều khiển (hay máy tính) mà đặc tính là khâu lưu giữ có hàm truyền nhƣ sau:
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4.1 Tiến trình thực hiện nghiên cứu
Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều là bước đầu tiên quan trọng Tiếp theo, cần tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ này để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống Sau khi lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp, tiến hành thiết kế phần cứng và lập trình phần mềm Cuối cùng, kết nối phần cứng với phần mềm để thực hiện điều khiển và hiệu chỉnh, nhằm hoàn thiện mô hình.
2.4.2 Phương pháp thực hiện nội dung 1
- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
- Xây dựng mô hình toán học của động cơ điện một chiều
Phân tích các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều là rất cần thiết để hiểu rõ ưu và nhược điểm của từng phương pháp Các phương pháp điều khiển như điều khiển bằng điện áp, điều khiển bằng dòng điện và điều khiển bằng PWM đều có những lợi ích và hạn chế riêng Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp cho hệ thống sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, hiệu suất mong muốn và chi phí đầu tư Do đó, việc đánh giá kỹ lưỡng các ưu nhược điểm sẽ giúp đưa ra quyết định đúng đắn trong việc thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.
Phân tích các thuật toán điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bao gồm điều khiển vòng hở, điều khiển tỷ lệ tích phân (PI), điều khiển tỷ lệ vi phân (PD) và điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân (PID) Mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Dựa trên phân tích này, việc lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp cho hệ thống là rất quan trọng Sau khi chọn được thuật toán, cần áp dụng các phương pháp hiệu chỉnh hệ thống, đồng thời phân tích và lựa chọn phương pháp hiệu chỉnh tối ưu nhất để đảm bảo hiệu quả hoạt động của động cơ.
2.4.3 Phương pháp thực hiện nội dung 2
Sau khi lựa chọn phương pháp và thuật toán điều khiển, bước tiếp theo là xây dựng sơ đồ cấu trúc toàn hệ thống Cấu trúc này sẽ bao gồm động cơ điện một chiều với encoder để đo tốc độ, bộ điều khiển xử lý dữ liệu và thực hiện thuật toán, cùng với mạch động lực sử dụng cầu H để điều khiển động cơ Cuối cùng, cần xét ổn định cho hệ thống và tiến hành mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink.
- Xây dựng phần cứng của mô hình:
+ Thiết kế mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3
+ Thiết kế mạch động lực là mạch cầu H
+ Thiết kế chế tạo mạch điều khiển và mạch động lực
+ Kết nối các thành phần trong hệ thống: mạch điều khiển, mạch động lực, động cơ điện một chiều có encoder, máy tính
2.4.4 Phương pháp thực hiện nội dung 3
Sau khi hoàn thiện phần cứng và sơ đồ cấu trúc của mô hình, cũng như lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp, bước tiếp theo là xây dựng lưu đồ cho thuật toán điều khiển của hệ thống.
Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink để lập trình cho vi điều khiển Arduino Uno R3 giúp thực hiện thuật toán điều khiển hiệu quả Phần mềm này cũng cho phép gửi và nhận dữ liệu giữa Arduino và máy tính, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giám sát và điều khiển từ xa.
2.4.5 Phương pháp thực hiện nội dung 4
- Sau khi kết nối các thành phần trong hệ thống và thực hiện viết chương trình điều khiển, tiến hành cho hệ thống chạy thử nghiệm
- Khi chạy thử nghiệm sử dụng thêm encoder độc lập để tiến hành đo tốc độ của động cơ, so sánh kết quả với hệ thống
- Thay đổi tải để kiểm tra tính năng tự động ổn định tốc độ của hệ thống Thay đổi tải bằng cách dùng biến trở
- Sau khi chạy thử nếu hệ thống chƣa đạt yêu cầu, cần hiệu chỉnh lại hệ thống
Sử dụng các phương pháp hiệu chỉnh như: Chỉnh định bằng tay, Phương pháp Ziegler – Nichols, Chỉnh định dùng phần mềm Matlab
- Hiệu chỉnh hệ thống và kiểm tra lại các đặc tính đến khi hệ thống chạy ổn định và đạt chất lƣợng điều khiển
- Sau khi hệ thống chạy ổn định thực hiện đóng gói mô hình và hoàn thiện sản phẩm
Dựa trên kiến thức đã nghiên cứu ở chương 1, bài viết sẽ xác định các đối tượng cần nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu, bao gồm các sơ đồ khối hệ truyền động xung số điều khiển bởi card Arduino Bài viết cũng sẽ giới thiệu các thiết bị trong mô hình như card Arduino, phần mềm Matlab & Simulink, encoder, mạch công suất, bộ điều khiển PID và các phương pháp hiệu chỉnh PID Cuối cùng, bài viết sẽ khoanh vùng nội dung cần tập trung nghiên cứu và đề xuất các phương pháp nghiên cứu để thực hiện đề tài.
