BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 1 1.1 Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu 1 1.2 Cấu tạo và phân loại động cơ điện một chiều 1 1.2.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 1 1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều 1 1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều 2 1.4 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều 3 1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 3 1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông 3 1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 4 1.5 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 5 1.5.1 Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều 5 1.5.2 Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều 6 1.6 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 6 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ 7 2.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều 7 2.2 Mô hình hóa hệ thống 7 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 10 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 10 3.2 Xây dựng bộ điều khiển 13 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 15 4.1 Đánh giá đặc tính góc quay động cơ 15 4.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 16 4.2.1 Bộ điều khiển P 16 4.2.2 Bộ điều khiển PI 18 4.2.3 Bộ điều khiển PD 20 4.2.4 Bộ điều khiển PID 23

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp TS Phan Đình Hiếu ĐH CƠ ĐIỆN TỬ – K14 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Động chiều nam châm vĩnh cửu 1.2 Cấu tạo phân loại động điện chiều .1 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều 1.2.2 Phân loại động điện chiều 1.3 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều 1.4 Các phương pháp điều khiển động điện chiều 1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông .3 1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 1.5 Ưu, nhược điểm động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.5.1 Ưu điểm động điện chiều .5 1.5.2 Nhược điểm động điện chiều 1.6 Các ứng dụng động điện chiều nam châm vĩnh cửu CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ 2.1 Phân tích mơ hình hệ thống động điện chiều 2.2 Mơ hình hóa hệ thống CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 10 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 10 3.2 Xây dựng điều khiển 13 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ .15 4.1 Đánh giá đặc tính góc quay động 15 4.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều 16 4.2.1 Bộ điều khiển P 16 4.2.2 Bộ điều khiển PI 18 4.2.3 Bộ điều khiển PD 20 4.2.4 Bộ điều khiển PID 23 Hình 1-1 Cấu tạo động điện chiều Hình 1-2 Nguyên lý hoạt động động điện chiều Hình 1-3 Đặc tính động thay đổi điện trở phần ứng Hình 1-4 Đặc tính động thay đổi từ thơng Hình 1-5 Đặc tính động thay đổi điện áp phần ứng Hình 2-1 Mơ hình động điện chiều .7 Hình 3-1 Xác định điểm có điện khác 10 Hình 3-2 Đưa vào phần tử trở kháng cảm kháng .11 Hình 3-3 Xóa bỏ 0-Junction vị trí đất bond kết nối đến 11 Hình 3-4 Đơn gản hóa bond graph theo nguyên tắc .12 Hình 4-1 Sơ đồ Bond Graph hệ thống 15 Hình 4-2 Thiết lập thơng số với điện áp đầu vào 12V .15 Hình 4-3 Đặc tính góc quay động .16 Hình 4-4 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển P 16 Hình 4-5 Thiết lập thơng số ban đầu với Kp = 17 Hình 4-6 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển P với thơng số ban đầu 17 Hình 4-7 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PI 18 Hình 4-8 Thiết lập thơng số ban đầu cho điều khiển PI 18 Hình 4-9 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI với thơng số ban đầu .19 Hình 4-10 Thiết lập thông số cho điều khiển với Ki = 100 19 Hình 4-11 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI thay Ki=100 .20 Hình 4-12 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PD 20 Hình 4-13 Thiết lập thông số ban đầu cho điều khiển PD 21 Hình 4-14 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với thông số ban đầu 21 Hình 4-15 Thiết lập thơng số cho điều khiển với Kd = 0.85 .22 Hình 4-16 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với KD=0.85 22 Hình 4-17 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PID 23 Hình 4-18 Thiết lập thơng số ban đầu cho điều khiển PID 23 Hình 4-19 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID với thơng số ban đầu 24 Hình 4-20 Thiết lập thông số cho điều khiển PID với Kp = 1, Ki = 100, Kd = 0.85 24 Hình 4-21 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID .25 CHƯƠNG 1: 1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU Động chiều nam châm vĩnh cửu Động chiều DC (DC từ viết tắt Direct Current) động điều khiển dịng có hướng xác định hay nói cách khác loại động chạy nguồn điện áp DC - điện áp chiều Động điện chiều nam châm vĩnh cửu động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 1.2 Cấu tạo phân loại động điện chiều 1.2.1 Cấu tạo động điện chiều Cấu tạo động điện chiều thường gồm phận sau: - Stator: hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu nam châm điện - Rotor: phần lõi quấn cuộn dây để tạo thành nam châm điện - Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc tiếp điện cho cổ góp - Cổ góp (Commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc chia nhỏ nguồn điện cho cuộn dây rotor Số lượng điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây rotor Hình 1-1 Cấu tạo động điện chiều 1.2.2 Phân loại động điện chiều - Động điện chiều phân loại theo kích từ thành loại:  Kích từ độc lập  Kích từ song song  Kích từ nối tiếp  Kích từ hỗn hợp - Động điện chiều phân loại theo kết cấu cực từ:  Động điện chiều cực từ nam châm điện  Động điện chiều cực từ nam châm vĩnh cửu 1.3 Nguyên lý hoạt động động điện chiều Khi cấp điện áp chiều Uư vào mạch phần ứng, dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dịng điện Iư nằm từ trường Φ stator sinh chịu lực F (lực Lorentz) tác dụng làm rotor quay, chiều lực xác định quy tắc bàn tay trái (mũi tên màu đỏ hình dưới) Hình 1-2 Nguyên lý hoạt động động điện chiều Khi cuộn dây phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho nhau, có phiếu góp nên chiều dòng điện cuộn dây phần ứng nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động Eư chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải, động chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động 1.4 Các phương pháp điều khiển động điện chiều 1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Trong phương pháp người ta giữ , nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ: (1.3) Hình 1-3 Đặc tính động thay đổi điện trở phần ứng - Điện trở mạch phần ứng tăng, độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm độ ổn định tốc độ kém, sai số tốc độ lớn - Phương pháp cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ phía giảm (do tăng thêm điện trở) - Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng tổn hao công suất dạng nhiệt điện trở lớn 1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thơng động ta thay đổi dịng điện kích từ, thay đổi dịng điện mạch kích từ cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Rõ ràng phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa giảm dịng điện kích từ (Ikt ≤ Iktđm) thay đổi phía giảm từ thơng Khi giảm từ thơng, đặc tính dốc có tốc độ khơng tải lớn Hình 1-4 Đặc tính động thay đổi từ thông Phương pháp điều chỉnh tốc độ thay đổi từ thơng có đặc điểm sau: - Từ thơng giảm tốc độ khơng tải lý tưởng đặc tính tăng, tốc độ động lớn - Độ cứng đặc tính giảm giảm từ thơng - Có thể điều chỉnh trơn dải điều chỉnh: D ~ 3:1 - Chỉ điều chỉnh thay đổi tốc độ phía tăng - Do độ dốc đặc tính tăng lên giảm từ thơng nên đặc tính cắt đó, với tải khơng lớn (M1) tốc độ tăng từ thơng giảm Cịn vùng tải lớn (M2) tốc độ tăng giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp sử dụng vùng tải không lớn so với định mức - Phương pháp kinh tế việc điều chỉnh tốc độ thực mạch kích từ với dịng kích từ (1÷10)% dịng định mức phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp 1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Từ thông động giữ không đổi Điện áp phần ứng cấp từ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ đặc tính ứng với tốc độ không tải khác nhau, song song có độ cứng Điện áp U thay đổi phía giảm (U Hình 1-5 Đặc tính động thay đổi điện áp phần ứng Điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có đặc điểm sau: - Điện áp phần ứng giảm, tốc độ động nhỏ - Điều chỉnh trơn toàn dải điều chỉnh - Độ cứng đặc tính giữ khơng đổi tồn dải điều chỉnh - Độ sụt tốc tuyệt đối toàn dải điều chỉnh ứng với mômen Độ sụt tốc tương đối lớn đặc tính thấp dải điều chỉnh Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) đặc tính thấp khơng vượt q sai số cho phép cho tồn dải điều chỉnh - Dải điều chỉnh phương pháp có thể: D ~ 10:1 - Chỉ điều chỉnh tốc độ phía giảm (vì thay đổi với Uư ≤ Uđm) - Phương pháp điều chỉnh cần nguồn để thay đổi trơn điện áp 1.5 Ưu, nhược điểm động điện chiều nam châm vĩnh cửu 1.5.1 Ưu điểm động điện chiều + Ưu điểm bật động điện chiều có moment mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động + Khả điều chỉnh tốc độ tải tốt + Tiết kiệm điện + Bền bỉ, tuổi thọ lớn Hình 3-9 Xóa bỏ 0-Junction vị trí đất bond kết nối đến Hình 3-10 Đơn gản hóa bond graph theo nguyên tắc Trong đó: - Se: Điện áp đặt - I(L) : Phần tử cảm kháng cuộn cảm phần ứng - R(R): Phần tử trở kháng điện trở phần ứng - GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển - I(J) : Phần tử cảm kháng momen quán tính - R(b) : Phần tử trở kháng (ma sát) Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng điện cảm phần ứng Bên lại chứa thành phần quán tính ma sát quay Ta có, mạch phần ứng động điện chiều đặt điện áp V Vì vậy, ta có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se kết nối với Bond Graph Sau đó, Se chia sẻ dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) (Điện trở phần ứng) Do đó, liên kết (Junction 1) dùng để kết nối hai thành phần với nguồn e Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) sử dụng liên kết bên phần tử điện bên cịn lại phần tử khí Phần tử GY mơ tả mối quan hệ tốc độ góc động (M) với suất điện động (VM) (mechanical flow and electrical effort) dịng điện (IM) với mơ men quay (TM) (electrical flow and mechanical effort) Bên phía khí, tải bên bao gồm quán tính ma sát quay Do đó, hai thành phần liên kết với GY thông qua liên kết (Junction 1) Hình 3-5 Quan hệ nhân chiều cơng suất hệ thống Trong đó: - f1=f2=f3=f4 : Dòng điện phần ứng động - e1 : Điện áp đặt - e2 : Điện áp cuộn cảm - e3 : Điện áp điện trở - e4 : Suất điện động động - f5=f6=f7: Tốc độ góc động - e5 : Momen quay trục động - e6 : Momen quán tính động - e7 : Momen cản ma sát 3.2 Xây dựng điều khiển Điều khiển trạng thái hệ thống quan trọng hệ thống thực tế Một hệ thống dù thiết kế tốt phản hồi (feedback) hay đầu hệ thống (output) khơng hồn tồn xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngồi ảnh hưởng đến hệ thống trạng thái dẫn đến kết làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái hệ thống cách thay đổi đầu vào (input) Bộ điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi (feedback control), đáp ứng hệ thống theo dõi so sánh với giá trị mong muốn, sai số (error) phản hồi sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt kết Đáp ứng hệ thống so sánh với điểm đặt (set point) để đạt sai số Tín hiệu sai số sử dụng thuật toán điều khiển để xác định đầu vào hệ thống, đáp ứng điều chỉnh để đạt đầu mong muốn Hình 3-6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động Trong tất thuật toán điều khiển phản hồi, đầu thực tế đưa trở lại hệ thống điều khiển nên phép đo sai số (sự khác đầu mong muốn đầu thực tế) tính tốn, phép đo sai số sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào để giảm thiểu sai số Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng điểu khiển PID PID viết tắt proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) derivative (vi phân) Điều khiển PID thực trình điểu khiển khác với hàm sai số ( error function) CHƯƠNG 4: 4.1 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Đánh giá đặc tính tốc độ động chiều nam châm vĩnh cửu Hình 4-11 Sơ đồ Bond Graph hệ thống Hình 4-12 Thiết lập thơng số với điện áp đầu vào 12V Đặc tính tốc độ với điện áp đầu vào V = 12V Hình 4-13 Đặc tính tốc độ động chiều nam châm vĩnh cửu Nhận xét: Khi khởi động tốc độ góc động tăng không khoảng thời gian 4s, sau 4s kể từ khởi động tốc độ góc động ổn định có giá trị giao động quanh giá trị 37,78 rad/s 4.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều Chọn tốc độ quay mong muốn 10 rad/s 4.2.1 Bộ điều khiển P Hình 4-14 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển P Hình 4-15 Thiết lập thông số ban đầu với Kp = Hình 4-16 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển P với thông số ban đầu Sử dụng điều khiển tỉ lệ với thông số ban đầu Ta thấy hệ thống có sai số xác lập lớn, sai số trì hệ thống ổn định Để giảm sai số xác tập ta tăng hệ số Kp lên Với giá trị Kp = 80 hệ thống có sai số xác lập nhỏ sau ổn định, thời gian độ khoảng 0,01s 4.2.2 Bộ điều khiển PI Hình 4-17 Thiết lập thơng số ban đầu cho điều khiển PI Hình 4-18 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI với thông số ban đầu Sử dụng điều khiển PI với thông số ban đầu Kp=Ki=1 : sai số xác lập nhỏ, thời gian độ lớn khoảng 2s Để giảm thời gian độ ta cần tăng hệ số Ki - Tăng hệ số Kp = 50 giảm hệ số Ki = 0,5 Hình 4-19 Thiết lập thơng số cho điều khiển với Ki = 100 Hình 4-20 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI thay Ki=100 Sau điểu chỉnh thông số: đáp ứng hệ thống có sai số xác lập nhỏ, thời gian độ nhỏ khoảng 0,02s Đáp ứng hệ thống khơng có vọt lố 4.2.3 Bộ điều khiển PD Hình 4-21 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PD Hình 4-22 Thiết lập thông số ban đầu cho điều khiển PD Hình 4-23 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với thông số ban đầu Bộ điều khiển PD với thông số ban đầu Kp=Kd=1: sai số xác lập lớn, thời gian lên nhỏ khoảng 0,1 s - Tăng hệ số Kp = 5, tăng hệ số Kd = 50 Hình 4-24 Thiết lập thơng số cho điều khiển với Kd = 0.85 Hình 4-25 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với KD=0.85 Sau tăng hệ số Kp = 5, tăng hệ số Kd = 50 sai số xác lập hệ thống nhỏ, khơng có độ vọt lố, thời gian lên thời gian đáp ứng nhỏ 4.2.4 Bộ điều khiển PID Hình 4-26 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PID Hình 4-27 Thiết lập thơng số ban đầu cho điều khiển PID Hình 4-28 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID với thông số ban đầu Với thông số ban đầu Kp = Ki = Kd = đáp ứng hệ thống khơng có vọt lố, thời gian đáp ứng lớn khoảng 3s, thời gian lên lớn khoảng giây Hình 4-29 Thiết lập thơng số cho điều khiển PID với Kp = 5, Ki = 1, Kd = 50 Hình 4-30 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID Nhận xét: Thời gian đáp ứng nhỏ khoảng 0.02s, hệ thống khơng có vọt lố sai số xác lập nhỏ Thông số điều khiển PID lựa chọn dựa phương pháp tay Các thông số điều khiển là: Kp Ki Kd 50 Bảng 4-1 Thông số PID điều khiển Qua biểu đồ nhận thấy có điều khiển vị trí động đáp ứng nhanh hơn, tốc độ mong muốn 10 (rad/s) đáp ứng nhanh gọn ổn định, độ vọt lố thời gian đáp ứng nằm giới hạn cho phép (độ vọt lố POT