Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập không sử dụng cảm biến tốc độ

LỜI NÓI ĐẦU Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng người nghiên cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mơ công cụ quan trọng cho phép khảo sát đối tượng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà khơng thiết phải có đối tượng hay hệ thống thực Được trang bị công cụ mô mạnh có hiểu biết phương pháp mơ hình hóa, người kỹ sư có khả rút ngắn thời gian giảm chi phí nghiên cứu - phát triển sản phẩm cách đáng kể Điều đặc biệt có ý nghĩa sản phẩm hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn Động điện chiều ngày sử dụng rộng dãi tính ưu việt mà mang lại : khơng cần nguồn xoay chiều , thực việc thay đổi tốc độ động cách dễ dàng v.v…Chính lí mà em chọn động chiều đối tượng để mô làm Vì điều kiện cơng nghệ định, hay lý muốn giảm chi phí thiết bị, ta có ý định tiết kiệm khâu đo tốc độ quay lại muốn điều chỉnh tốc độ quay động chiều.Chính khâu quan sát tốc độ có vai trị quan trọng em tìm hiểu mơ để tài em: “ Mô điều khiển tốc độ động chiều kích từ độc lập không sử dụng cảm biến tốc độ” CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo chung động chiều: Máy điện chiều máy phát động điện có cấu tạo giống Những phần máy điện chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) phần ứng (phần quay) 1.1.1.Phần cảm (stator): Phần cảm gọi stator, gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừa vỏ máy cực từ có dây quấn kích từ (hình 1.1), dịng điện chạy dây quấn kích từ cho cực từ tạo có cực tính liên tiếp ln phiên Cực từ gắn với vỏ máy nhờ bulơng Ngồi máy điện chiều cịn có nắp máy, cực từ phụ cấu chổi than Hình 1.1 Cực từ 1.1.2 Phần ứng (rotor): Phần ứng máy điện chiều cịn gọi rơto, gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp trục máy Hình 1.2 Lá thép rơto Hình 1.3 Dây quấn phần ứng máy điện chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các thép dập lỗ thông gió rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2) Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt rãnh phần ứng tạo thành nhiều vịng kín Phần tử dây quấn bối dây gồm nhiều vịng dây, hai đầu nối với hai phiến góp vành góp (hình 1.3a) hai cạnh tác dụng phần tử đặt hai rãnh hai cực từ khác tên (hình 1.3b) Cổ góp (vành góp) hay gọi vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình nhạn ghép thành khối hình trụ, cách điện với cách điện với trục máy Các phận khác trục máy, quạt làm mát máy… 1.2.Nguyên lý làm việc động điện chiều: Trên hình 1.4 cho điện áp chiều U vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dịng điện Các dẫn ab cd mang dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng tương hỗ lên tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1.4a) Hình 1.4 Mơ tả ngun lý làm việc động điện chiều Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ (hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, lực tác dụng lên rơto theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi 1.3.Các trị số định mức động điện chiều: Chế độ làm việc định mức máy điện nói chung động điện chiều nói riêng chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức Công suất định mức Pđm (kW hay W) Điện áp định mức Uđm (V) Dòng điện định mức Iđm (A) Tốc độ định mức nđm (vịng/ph) Ngồi cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dịng điện kích từ… Chú ý: Cơng suất định mức cơng suất đưa máy điện Đối với máy phát điện cơng suất đưa đầu cực máy phát, cịn động cơng suất đưa đầu trục động 1.4 Phân loại động điện chiều: Dựa theo cuộn kích từ, động chiều có loại sau: - Động chiều kích từ độc lập - Động chiều kích từ song song - Động chiều kích từ nối tiếp - Động chiều kích từ hỗn hợp 1.5 Đặc tính động điện chiều trạng thái hãm: 1.5.1.Đặc tính động điên chiều : Hình 1.5 Đặc tính động điên chiều a) Trạng thái hãm tái sinh: Hãm tái sinh xảy tốc độ quay động lớn tốc độ không tải lý tưởng Khi hãm tái sinh EU > UU, động làm việc máy phát điện song song với lưới So với chế độ động cơ, dịng điện mơ men hãm đổi chiều xác định theo biểu thức : Ih = U u − E u Kφω − Kφω = ω + Vì sơ đồ đấu dây mạch động không thay đổi nên phương trình đặc tính : ω= U u Ru + R f − M Kφ ( Kφ ) Hình 1.6 Đặc tính trạng thái hãm tái sinh Đường đặc tính trạng thái hãm tái sinh nằm góc phần tư thứ thứ tư mặt phẳng toạ độ Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều công suất đưa trả lưới điện có giá trị P=(E-U).I Đây phương pháp hãm kinh tế động sinh điện hữu ích b) Trạng thái hãm ngược : Trạng thái hãm ngược động xảy phần ứng tác dụng động tích luỹ phận chuyển động mo men quay ngược chiều với mo men điện từ động mô men sinh động cơ, chống lại chuyển động cấu sản xuất Có hai trường hợp hãm ngược : +) Trường hợp : Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng Giả sử động làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a Ta đưa điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động chuyển sang làm việc điểm b dặc tính biến trở Tải điểm b mômen động sinh nhỏ mômen cản nên động giảm tốc độ tải theo chiều nâng lên Đến điểm c, tốc độ mơmen động nhỏ mơmen tải nên tác động tải trọng, động quay theo chiều ngược lại Tải trọng hạ xuống với tốc độ tăng dần Đến điểm d mômen động cân với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi ωođ, cd đoạn đặc tính hãm ngược, hãm ngược tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên: Ih = U u + Eu U + Kφω = Ru + R f Ru R f M h = KφI h Hình 1.7 Đặc tính trạng thái hãm ngược TH1 Như đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng chiều với điện áp lưới Động làm việc máy phát nối tiêp với lưới điện biến nhận từ lưới trục thàn nhiệt đốt nóng điện trở tổng mạch phần ứng gây tổn thất lượng lớn Vì sơ đồ đấu dây động khơng thay đổi, nên phương trình đặc tính phương trình đặc tính biến trở +) Trường hợp : Đảo chiều điện áp phần ứng Giả sử động làm việc điểm a đặc tính tự nhiên với tải M C, ta đổi chiều điện áp phần ứng đưa thêm điện trở phụ vào mạch Động chuyển sang làm việc điểm b đặc tính biến trở Tại b mơmen đổi chiều chống lại chiều quay động nên tốc độ giảm theo đoạn bc Tại c tốc độ không, ta cắt điện áp phần ứng khỏi điện áp nguồn động dừng lại, cịn giữ điện áp nguồn đặt vào động điểm c mômen động lớn mômen cản MC động quay ngược lại làm việc ổn định điểm d.Đoạn bc đặc tính hãm ngược dịng điện hãm ngược tính : Ih = − U u − Eu U u + Eu = Ru + R f Ru + R f M h = KφI h Dịng điện Ih có chiều ngược với chiều làm việc ban đầu dòng điện hãm lớn ; điện trở phụ đưa vào phải có giá trị đủ lớn hạn chế dòng điện hãm ban đầu Ihđ phạm vi cho phép : I h ≤ (2 ÷ 2,5) I dm Và phương trình đặc tính có dạng : R +R f − u U − u M Kφ ( Kφ ) ω= Hình 1.8 Đặc tính trạng thái hãm ngược TH2 c) Trạng thái hãm động : Hãm động trạng thái động làm việc máy phát mà lượng học động tích luỹ q trình làm việc trước biến thành điện tiêu tán mạch hãm dạng nhiệt - Hãm động kích từ độc lập : Khi động quay muốn thực hãm động kích từ độc lập ta cắt phần ứng động khỏi lưới điện chiều, đống vào điện trở hãm, cịn mạch kích từ nối với nguồn cũ Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động có giá trị ωhđ nên : Ehd = Kφωhd Và dòng điện hãm ban đầu : I hd = − Ehd − Kφωhd = Ru + R f Ru + R f Tương ứng có mơmen hãm ban đầu : M hd = KφI hd < Từ hai biểu thức chứng tỏ dòng I hd Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu động hãm động Uu = nên ta có phương trình đặc tính sau: ω=− ω=− Ru + R f Kφ Ru + R f ( Kφ ) Iu M Hình 1.9 Đặc tính trạng thái hãm động KTĐL Đây phương trình đặc tính điện đặc tính hãm động kích từ độc lập Khi φ = cosnt độ tính đặc tính hãm phụ thuộc R h, Rh nhỏ phụ thuộc đặc tính cứng, mơmen hãm lớn, hãm nhanh Tuy nhiên cần chọn Rh cho dòng hãm ban đầu nằm giới hạn cho phép : Ihđ ≤ (2÷2,5)Iđm Trên đồ thị hãm đặc tính hãm động ta thấy với mơmen cản M C phản kháng động dừng hẳn đặc tính hãm động đoạn b 1o đoạn b2o Với mômen cản MC thi tác động kéo động quay theo chiều ngược lại đến làm việc ổn định điểm M = M c đoạn b1C1 b2C2 đặc tính hãm động Khi hãm động kích từ độc lập, lượng chủ yếu tạo động động tích luỹ nên công suất tiêu tốn năm mạch kích từ : Pktdm = (1 ÷ 5)% Pdm Phương trình cân cơng suất hãm động : Eu I h = ( Ru + Rh ).I h - Hãm động tự kích : Nhược điểm hãm động kích từ độc lập điện lưới khơng thực hãm cuộn dây kích từ phải nối với nguồn Muốn khắc phục nhược điểm người ta thường sử dụng phương pháp hãm động tự kích từ Hãm động tự kích xảy động quay ta cắt phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện đẻ đóng vào điện trở hãm, ý chiều dịng điện kích từ phải giữ khơng đổi Ta có : Iu= Ih+Ikt Iu = −E − Kφω = R R R R Ru + kt h Ru + kt h Rkt + Rh Rkt + Rh Và phương trình đặc tính : ωu = − Ru + Rkt Rh Rkt + Rh I u Kφ CHƯƠNG MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN 3.1 Xây dựng mơ hình Hình 3.1Mơ hình SIMULINK ĐCMC kích thích độc lập chưa có khâu quan sát Hình 3.2 Mơ hình SIMULINK ĐCMC kích thích độc lập với khâu QS trạng thái Sơ đồ sử dụng khối: Thư viện Sources Sinks Khối Step To Workspace Thư viện Continuous Khối Integrator,Tranfer Math Fcn,State-Space Sum,Gain Ports&Systems Inport,Outport Signal&Routing Mux Mơ hình mơ giới thiệu hình 3.2 bao gồm: ĐCĐMC có thêm thiết bị chỉnh lưu(thay xấp xỉ khâu Subsystem,tạo điện áp chiều cấp cho chỉnh lưu) khối Sate-Space(đặc trưng cho khâu quan sát gán ma trận trạng thái ĐCMC làm tham số).Thêm vào mạch điện phần ứng ĐCMC vốn mô khối Transfer Fcn, thay khối Subsystem1 chất hệ đánh dấu có cửa sổ nhập tham số.Việc thay nhằm đảm bảo tín hiệu khối(dịng phần ứng i A) đồng thời biến trạng thái mơ hình trạng thái thay ĐCMC Hình 3.3 Khối Subsystem1: Dưới dạng khâu tích phân có hồi tiếp cửa sổ nhập tham số Sau lập xong bai1.mdl ta cần vào Block prameter khối thay đổi giá trị mặc định thành tên biến khai báo truong.m Ví dụ: khối State-Space Ban đầu Block pameter: Hình 3.4 Cửa sổ tham số trước thay đổi Hình 3.5 Cửa sổ tham số sau thay đổi 3.2 Lập trình Matlab 3.2.1 Khâu quan sát Luenberger Để lập trị ban đầu,khai báo mô tạo mơ hình LTI kiểu SS có tên sysDCMotor,ta soạn thảo script mang tên truong.m với nội dung đây: %%lam.m %% Initialization file for Fig09_17i.mdl %% General simulation data Tstop = 0.8; step_max = 0.00001 ; % Maximal step size %% Rectifier data T_t = 0.0001 ; % Dead-time %% Amature voltage puls T_uAref = 0.4 ; % Puls width uA_ref = 500/60; %% Load torque step T_MW = 0.40; MW = 10 ; %% Data of DC motor RA = 0.25 ; LA = 0.004; TA = LA/RA; PsiR = 0.04; J = 0.012 ; kM = 38.2; kE = 2*3.14*kM; %% observer basic setting obs = ss([],[0 0],[],[0 0]); % Reference voltage [V] obsx0 = [0]; [A,B,C,D]=linmod('bai1'); sysDCMotor = ss(A,B,C,D); polo = 5*(pole(sysDCMotor))+imag(pole(sysDCMotor))/5*i; L = place(sysDCMotor.a',sysDCMotor.c',polo).'; obs = estim(sysDCMotor,L,1,1); Khai báo tham số nhập vào mơ hình.Muốn tính tốn hố mơ hình Simulink lệnh linmod,tất biến tham số phải có sẵn giá trị cụ thể.Kể khối State-Space khối mà đến thời điểm ta chưa tìm ma trận trạng thái ĐCMC.Chính ta phải khai báo lập trị cho ban đầu cho ma trận obs, đồng thời định nghĩa véc tơ trạng thái ban đầu obsx0 Để xác định điểm cực khâu quan QS tham số ma trận phản hồi L,ta cần đến mô tả trạng thái đối tượng với biến vào u,các trạng thái x đầu y Để tìm mơ tả (đặc trưng ma trận A,B,C,D) ta dùng lệnh linmod(‘bai1’) sau từ bốn ma trận A,B,C,D ta chuyển sang mơ hình LTI dạng SS có tên sysDCMotor Tín hiệu vào đặt cho hệ thống giá trị đặt cho tốc độ quay(dưới dạng điện áp) uAref; trạng thái dòng phần ứng IA,đầu khâu chỉnh lưu Subsystem tốc độ quay n;tín hiệu hệ thống đồng thời tín hiệu trạng thái IA Trình tự mơ phỏng: Gọi lam.m Command Window Malab,sau chạu mơ bai1.mdl.Ta cần phải lưu ý biến trạng thái sau tạo mơ hình LTI-SS sysDCMotor = ss(A,B,C,D).Để kiểm tra trình tự ta sử dụng: [obs,obsx0,xstord] = bai1 xstord = 'bai1/Subsystem1/Integrator1' 'bai1/State-Space' 'bai1/Integrator' 'bai1/Subsystem/Integrator' Trong xstord tham số cất biến trạng thái theo trình tự mà SIMULINK chọn Theo kết biến trạng thái có trình tự là: 1.Đầu khâu tích phân khối Subsystem1 (dòng phần ứng IA) 2.Đầu khâu State-Space 3.Đầu khâu tích phân(tốc độ quay n) 4.Đầu cảu khâu tích phân khối Subsystem(điện áp đặt nên động cơ) Vì khâu qn tính tìm thấy nhờ lệnh estim,khi vector biến vào khâu quan sát có hai thành phần: Biến vào hệ thống UAref biến hệ thống dòng phần ứng IA.Vector biến khâu quan sát yobs, chứa giá trị tính biến biến trạng thái hệ Khi gõ Command Window ta cụ thể sau: >> [A,B,C,D]=linmod('bai1') A = 1.0e+004 * -0.0063 0.0020 B = 0 10000 C = 0 0 -0.2400 0 0.0250 0 -1.0000 0 D = >> sysDCMotor = ss(A,B,C,D) a = x1 -62.5 20.27 x1 x2 x3 x4 x2 0 0 x3 -2400 0 x4 250 0 -1e+004 b = x1 x2 x3 x4 u1 0 1e+004 c = y1 x1 x2 x3 x4 d = y1 u1 Continuous-time model >> polo = 5*(pole(sysDCMotor))+imag(pole(sysDCMotor))/5*i polo = 1.0e+004 * -0.0156 + 0.1135i -0.0156 - 0.1135i -5.0000 >> L = place(sysDCMotor.a',sysDCMotor.c',polo).' L = 1.0e+006 * 0.0402 -0.0027 -1.5710 >> obs = estim(sysDCMotor,L,1,1) a = x1 x2 x3 x4 x1 -4.031e+004 2736 1.571e+006 x2 0 0 u1 0 1e+004 u2 4.025e+004 -2716 -1.571e+006 b = x1 x2 x3 x4 c = y1 y2 y3 y4 y5 x1 1 0 x2 0 0 u1 0 0 u2 0 0 d = y1 y2 y3 y4 x3 0 x4 0 0 x3 -2400 0 x4 250 0 -1e+004 y5 0 Input groups: Name KnownInput Measurement Channels Output groups: Name OutputEstimate StateEstimate Channels 2,3,4,5 Continuous-time model 3.2.2 Khâu quan sát nhiễu(Quan sát phụ tải) Sau sử dụng lam.m để khai báo tham số ĐCMC tìm mơ hình sysDCMotor (mơ hình LTI-SS) động cơ,ta xác định cực polo để tìm vector phản hồi trạng thái L khâu Luenberger thông thường Để mô khâu quan sát nhiễu:Ta khai báo thêm ma trận đầu vào nhiễu F,hệ số hồi tiếp K thay ma trận khâu QS Luenberger ma trận tính theo cơng thức (*),(**) Nhận xét: Tại dịng ma trận đầu vào phụ tải F,tốc độ quay (nơi tín hiệu phụ tải can thiệp vào hệ thống) SIMULINK đặt vị trí thứ 3.Vì ta phải khai điểm can thiệp vị trí thứ vector nhiễu F lam; F = [0 -1/(2*pi*J) 0]' F = 0 -13.2629 >> >> >> >> K = 100; polo = 5*(pole(sysDCMotor))+imag(pole(sysDCMotor))/5*i; L = place(sysDCMotor.a',sysDCMotor.c',polo).'; oa = [sysDCMotor.a - L*sysDCMotor.c F; -K*sysDCMotor.c 0] oa = 1.0e+006 * -0.0403 0.0027 1.5710 -0.0001 0 0 -0.0024 0 0 0.0003 0 -0.0100 >> ob = [sysDCMotor.b L; K] ob = 1.0e+006 * 0 0.0100 0.0402 -0.0027 -1.5710 0.0001 >> oc = [sysDCMotor.c 0;eye(size(oa))] oc = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 >> od = zeros(size(oc*ob)) od = 0 0 0 0 0 0 >> obs = ss(oa,ob,oc,od) 0 0 0 -0.0000 0 a = x1 x2 x3 x4 x5 x1 -4.031e+004 2736 1.571e+006 -100 x1 x2 x3 x4 x5 x2 0 0 x5 0 -13.26 0 b = u1 0 1e+004 x1 x2 x3 x4 x5 u2 4.025e+004 -2716 -1.571e+006 100 c = y1 y2 y3 y4 y5 y6 x1 1 0 0 x2 0 0 u1 0 0 0 x3 0 0 x4 0 0 x5 0 0 u2 0 0 0 d = y1 y2 y3 y4 y5 y6 Continuous-time model 3.3 Đặc tính mơ Quan sát dịng điện phần ứng : x3 -2400 0 0 x4 250 0 -1e+004 12 10 IA -2 -4 -6 thoi gian x 10 Hình 3.6 Giá trị đo dịng điện phần ứng IA Nhận xét: Dòng điện phần ứng trình độ(thời gian khởi động máy) biến thiên mạnh.Sau thời gian t máy vào hoạt động ổn định dịng điện bắt đầu ổn định ,vì ban đầu ta chọn khoảng thời gian nhỏ 0,4s máy làm việc chế độ khơng tải mà dịng phần ứng khoảng thời gian xác lập có giá trị 0.Khi t = 0,4s tải đưa vào(đột biến momen cản),dòng điện trạng thái ban đầu biến thiên mạnh,sau ổn giá trị xác định(IA ≠ 0) Quan sát tốc độ động : 90 80 70 60 n 50 40 30 20 10 0 thoi gian x 10 Hình 3.7 Giá trị đo tốc độ động Ban đầu khởi động động (n bd = 0),trong khoảng thòi gian độ tốc độ động chưa ổn định.Sau khoảng thời gian t (t < 0,4) động quay với tốc độ ổn định n1.Khi t = 0,4s có đột biến mơ men tải Dựa vào phương trình: dn dt = 2πJ (M - Mc) Ta có nhận xét: Trong giai đoạn đầu tốc độ động chưa ổn định,sau khoảng thời gian quay với tốc độ ổn định n2(n2 < n1) KẾT LUẬN Để quan sát trạng thái động điện chiều từ tín hiệu vào ta sử dụng hai quan sát là:Luenberger Kalman - Luenberger xác định theo nguyên tắc gán điểm cực cho trước - Kalman cực tiểu phiếm hàm mục tiêu Cả hai quan sát không làm thay đổi điểm cực cũ hệ thống Nó đưa thêm vào hệ thống điểm cực Luenberger thiết kế khơng xét tới tác động nhiễu, cịn Kalman xét tới tác động nhiễu tới hệ thống Vì quan sát Kalman có nhiều ưu điểm dùng rộng rãi quan sát Luenberger Tuy nhiên hai quan sát tồn sai lệch tĩnh Để khắc phục nhược điểm ta dùng tới khâu quan sát nhiễu Sử dụng thành phần tích phân hệ thống để khử nhiễu TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý thuyết điều khiển tuyến tính : Nguyễn Dỗn Phước MATLAB&SIMULINK (dành cho kỹ sư điều khiển tự động): Nguyễn Phùng Quang Điều chỉnh tự động truyền động điện: Bùi Quốc Khánh,Nguyễn Văn Liễn,Phạm Quốc Hải,Dương Văn Nghi ... cịn động công suất đưa đầu trục động 1.4 Phân loại động điện chiều: Dựa theo cuộn kích từ, động chiều có loại sau: - Động chiều kích từ độc lập - Động chiều kích từ song song - Động chiều kích từ. .. đặc tính hãm động Khi hãm động kích từ độc lập, lượng chủ yếu tạo động động tích luỹ nên cơng suất tiêu tốn năm mạch kích từ : Pktdm = (1 ÷ 5)% Pdm Phương trình cân cơng suất hãm động : Eu I h... khâu quan sát trạng thái 2.5.1 .Động chiều kích từ độc lập chế độ độ với Φ = const Khi dịng điện từ động khơng đổi, động kích thích nam châm vĩnh cửu từ thơng kích từ số: KΦ = const Khi đó: - Phương