BTL KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HCMUT, ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG PID 1. Giới thiệu về động cơ DC Động cơ DC là động cơ điện một chiều, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Động cơ DC có cấu tạo gồm 2 phần chính là stator và rotor. Phân loại động cơ DC dựa trên cách tạo ra từ trường trên rotor: Động cơ DC chổi than: Sử dụng chổi than để tiếp xúc với các vòng trượt trên rotor, truyền dòng điện đến các thanh dẫn điện. Động cơ DC không chổi than: Sử dụng các nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường trên rotor.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG PID Giảng viên hướng dẫn: ThS Võ Anh Huy Danh sách thành viên: Nguyễn Thành Hải 2013075 Đặng Quốc Đại 2012901 Lê Khắc Nam 2013817 Nguyễn Nguyên Long 2013660 Nhóm 13-L05 TP Hồ Chí Minh, 12/2023 Giới thiệu động DC Động DC động điện chiều, chuyển đổi lượng điện thành lượng học Động DC có cấu tạo gồm phần stator rotor Phân loại động DC dựa cách tạo từ trường rotor: Động DC chổi than: Sử dụng chổi than để tiếp xúc với vòng trượt rotor, truyền dòng điện đến dẫn điện Động DC không chổi than: Sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường rotor 1.1 Cấu tạo 1.1.1 Stator Stator (stato) phận đứng yên động với hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu/ nam châm điện với chức bảo vệ hỗ trợ cho động Stato cung cấp từ trường quay điều khiển Roto điều khiển ứng dụng nhận nguồn cung cấp điện thông qua thiết bị đầu cuối nó.Rotor: Là phần quay, bao gồm dẫn điện đặt từ trường stator Hình Stator 1.1.2 Trục Trục động DC nằm trung tâm động phận khác bao quanh Trục động DC thường làm loại kim loại cứng phận khác bao quanh, gắn chặt Hình Trục động 1.1.3 Thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối động chiều bao gồm thành phần cổ góp vỏ động cơ, dây dẫn,… Các phận thiết kế để bảo vệ chi tiết động DC tách biệt biệt khỏi môi trường bên Khi dây dương (+) kết nối với thiết bị đầu cuối dương (+) dây âm (-) kết nối với thiết bị đầu cuối âm (-) động quay theo chiều kim đồng hồ Ngược lại, gắn trái dấu với nhau, động quay ngược chiều kim đồng hồ Các thiết bị đầu cuối cung cấp nguồn điện cho động kết nối với bàn chải chổi than) cánh tay bàn chải bên nắp lưng để động hoạt động bình thường liên tục Hình Thiết bị đầu cuối gắn với moto động DC 1.1.4 Nam châm Nam châm hay nam châm vĩnh cửu nam châm hình trụ trịn ghép với tạo thành Roto Stator Đôi nam châm vĩnh cửu bọc cuộn dây để bổ sung thêm lực từ động hoạt động Khi đó, từ trường động ln hoạt động Hai nam châm tạo từ trường mạnh Vì vậy, hai nam châm bao gồm động DC xung quanh Roto cho từ trường mạnh qua Roto Hình Nam châm vĩnh cửu động DC 1.1.5 Roto Rotor (roto) phận thiết kế để tạo thành chuyển động quay biến đổi điện thành Roto động điện DC nam châm vĩnh cửu, cuộn dây dẫn tạo thành nam châm điện Nếu roto cấu tạo từ nam châm điện, lúc động cần có thêm cổ góp, chổi than để làm nhiệm vụ cấp điện cho động hoạt động Hình Roto động DC 1.1.6 Cuộn dây Cuộn phận thiết kế thành bó thành Roto Stator (tuỳ loại) Mỗi cuộn dây cung cấp nguồn điện riêng sinh từ trường độc lập Cách bố trí cuộn dây, số lượng cuộn dây định tới sức mạnh từ trường tổng hợp tạo động hoạt động Thông thường, động DC có tối thiểu ba cuộn dây để đảm bảo hoạt động hiệu nhanh nhạy động có cuộn dây dễ xảy kẹt dừng động Khi nhiều cuộn dây thêm vào Rotor, vòng quay trở nên mượt mà nhiều vịng quấn Hình Cuộn dây động DC 1.1.7 Bàn chải (Chổi than) Chổi than thiết kế hợp kim với cacbon, chúng với cổ góp làm nhiệm vụ cung cấp điện cho cuộn dây Roto động hoạt động Như chia sẻ, động DC có chổi than không chổi than Nếu Roto chế tạo từ nam châm Vĩnh cửu động khơng cần có chổi than Động trang bị chổi than có ưu điểm mạnh mẽ, nhược điểm chúng cần bảo dưỡng thường xun Hình Vị trí bàn chải động DC 1.1.8 Bộ chuyển đổi Bộ chuyển đổi động chiều thiết kế với đồng nhỏ gắn trục quay Chúng có tác dụng làm thay đổi dòng điện cấp cho cuộn dây, từ làm thay đổi tốc độ, thay đổi chiều quay động cần thiết Hình Bộ chuyển đổi động DC 1.2 Nguyên lý hoạt động Động DC lấy lượng điện thơng qua dịng điện trực tiếp chuyển đổi lượng điện thành vòng quay học Khi động DC lấy lượng điện tạo từ trường Stator Từ trường thu hút đẩy lùi nam châm Roto, làm cho Roto quay Nếu trục động điện chiều kéo lực bên ngoài, động hoạt động loại máy phát điện chiều, tạo sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động counter – EMF (hay CEMF) sức điện động đối kháng, đối kháng lại với điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát mà động sử dụng máy phát điện (giống lúc nối điện trợ tải vào đầu động kéo trục động ngẫu lực từ bên ngồi) Như điện áp đặt động bao gồm thành phần: sức phản điện động điện áp giáng để tạo điện trở nội cuộn dây phần ứng 1.3 Ưu nhược điểm động DC ứng dụng 1.3.1 Ưu điểm Động DC có cấu tạo hoạt động đơn giản đóng vai trị quan trọng công nghệ sản xuất chế tạo số đồ vật -Động DC có cơng suất 35 - 60W, tiêu thụ điện cấp điện cho Stato không cần cấp điện cho Roto Vì vậy, động DC có khả tiết kiệm động chiều khác nhiều -Động DC có thiết kế đơn giản có sử dụng nam châm vĩnh cửu nên sử hoạt động bền bỉ hơn, gia tăng tuổi thọ (trung bình 15 năm) -Động DC có khả biến đổi dòng điện liên tục nên phù hợp với nhiều dòng điện khác mà đảm bảo hoạt động hiệu -Trọng lượng nhẹ nên dễ dàng lắp đặt dù nơi cao có độ an tồn cao -Động điện chiều DC có chổi than đánh giá cao với khả khởi động điều chỉnh đạt hiệu suất tốt -Động DC ứng dụng nhiều việc lắp ráp sản xuất quạt trần với khả tiết kiệm điện không gây tiếng ồn 1.3.2 Nhược điểm Bên cạnh ưu điểm, động DC tồn nhược điểm sau: có cấu tạo đơn giản tiếp điểm chổi than cổ góp có khả tạo tia lửa điện mài mòn học q trình vận hành Từ đó, làm tăng nhiệt độ động có nguy gây hư hỏng, chập cháy hoạt động mức Bên cạnh đó, công suất động điện chiều mức trung bình, khơng q cao 1.3.3 Ứng dụng Động DC trang bị nhiều loại máy móc, thiết bị TV, máy cơng nghiệp, đài FM,… Trong cơng nghiệp, động điện với dịng chiều sử dụng cho thiết bị cần điều khiển với tốc độ quay liên tục phạm vi lớn băng tải, bàn xoay,… Các ví dụ cụ thể sau: • Thiết bị gia dụng: quạt điện, máy bơm, máy xay sinh tố, • Thiết bị cơng nghiệp: máy CNC, máy in 3D, • Ô tô: động khởi động, động trợ lực lái, • Robot: động servo, động bước, Mơ hình động DC 2.1 Sơ đồ động DC Xét động DC có mạch điện phần ứng sơ đồ roto hình sau Hình Sơ đồ biểu diễn động DC Dưới bảng thông số vật lý Momen quán tính roto 𝐽𝑚 = 0.02215 𝑘𝑔𝑚2 Ma sát trượt hệ thống 𝐷𝑚 = 0.002953 𝑁𝑚/𝑟𝑎𝑑 Hằng số momen 𝐾𝑡 = 1.28 𝑁𝑚/𝐴 Hằng số suất phản điện động 𝐾𝑏 = 0.045( 𝑉𝑠 ) 𝑟𝑎𝑑 Biến trở 𝑅𝑎 = 11.4 Ω Độ tự cảm 𝐿𝑎 = 0.1214 𝐻 Bảng Thông số vật lý Đầu vào điện áp phần ứng điều khiển nguồn điện áp Các biến đo vận tốc góc trục 𝜔 ( 2.2 𝑟𝑎𝑑 𝑠 ) góc trục 𝜃(𝑟𝑎𝑑) Phương trình hệ thống Mơmen xoắn động 𝑇, liên hệ với dòng điện phần ứng 𝑖, hệ số K khơng thay đổi: 𝑇 = 𝑖 𝐾𝑡 Suất điện động ngược (emf), 𝑉𝑏 liên hệ với vận tốc góc cơng thức: 𝑉𝑏 = 𝐾𝑏 𝜔 = 𝐾𝑏 𝑑𝜃 𝑑𝑡 Dựa vào hình 2.1 ta viết phương trình dựa định luật Newton kết hợp với định luật Kirchhoff’s: 𝑑2 𝜃 𝑑𝜃 + 𝐷𝑚 = 𝐾𝑡 𝑖(3) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑖 𝑑𝜃 𝐿𝑎 + 𝑅𝑖 = 𝑉 − 𝐾𝑏 (4) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝐽𝑚 2.3 Hàm truyền 2.3.1 Động DC Sử dụng biến đổi Laplace, từ phương trìnnh (3) (4) ta có phương trình sau: 𝐽_𝑚 𝑠 𝜃 (𝑠) + 𝐷𝑚 𝑠𝜃(𝑠) = 𝐾𝑡 𝐼 (𝑠), (5) 𝐿𝑎 𝑠𝐼(𝑠) + 𝑅𝐼 (𝑠) = 𝑉 (𝑠) − 𝐾𝑏 𝑠𝜃(𝑠), (6) Trong 𝑠 biểu thị cho tốn tử Laplace Từ phương trình (6), viết lại sau: 𝐼 (𝑠 ) = 𝑉 (𝑠) − 𝐾𝑏 𝑠𝜃(𝑠) , (7) 𝑅𝑎 + 𝐿𝑎 𝑠 Thay (7) vào (5) ta có: 𝐽𝑚 𝑠 𝜃(𝑠) + 𝐷𝑚 𝑠𝜃(𝑠) = 𝐾𝑡 𝜃 (𝑠 ) = 𝑉 (𝑠) − 𝐾𝑏 𝑠𝜃 (𝑠) , 𝑅𝑎 + 𝐿𝑎 𝑠 𝐾𝑡 𝑉 (𝑠) (8) 𝑠[(𝑅 + 𝐿𝑠)(𝐽𝑠 + 𝑏) + 𝐾𝑏 𝐾𝑡 ] Từ phương trình (8), hàm truyền từ đầu vào V(s) tới đầu góc quay 𝜃 là: 𝐺𝑎 (𝑠) = 𝐺𝑎 (𝑠) = 𝜃 (𝑠 ) 𝐾𝑡 = 𝑉 (𝑠) 𝑠[(𝑅𝑎 + 𝐿𝑎 𝑠)(𝐽𝑚 𝑠 + 𝑏) + 𝐾𝑏 𝐾𝑡 ] 𝜃 (𝑠 ) 𝐾𝑡 (9) = 𝑉 (𝑠) 𝐿𝑎 𝐽𝑚 𝑠 + (𝑅𝑎 𝐽𝑚 + 𝐿𝑎 𝐷𝑚 )𝑠 + (𝑅𝑎 𝐷𝑚 + 𝐾𝑏 𝐾𝑡 )𝑠 = 0.002689𝑠 1.28 + 0.25295𝑠 + 0.03942𝑠 Hình Sơ đồ khối động DC 2.3.2 Động DC điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) PID kết hợp điều khiển: tỉ lệ, tích phân vi phân, có khả điều chỉnh sai số thấp có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế dao động PID nói thuật toán áp dụng vào điều khiển để điều khiển đến mức thiết lập nhanh với sai số thấp Khi tín hiệu sai số xảy ảnh hưởng tác động tỉ lệ tích phân có khả giảm xuống mức thấp Sự tác động làm rõ với tốc độ đạt với tác động vi phân số liệu trước Đây gọi trình mà PID tham gia vào hành động xử lý tỉ lệ, tích phân vi phân Hệ thống ứng dụng rộng rãi hệ thống điện, tự động hóa, điện tử, Hình Sơ đồ khối điều khiển PID Như để điều khiển động DC cách hiệu quả, giảm thiểu sai số độ vọt lố ta sử dụng điều khiển PID Hình Sơ đồ khối điều khiển động DC điều khiển PID Bộ điều khiển PID biểu diễn theo công thức sau: PID(s) = K 𝑝 + 𝐾𝐼 + 𝐾𝐷 𝑠 𝑠 Ta chọn giá trị sau: 𝐾𝑝 = 0.009932 , 𝐾𝐼 = 0.0003576 , 𝐾𝐷 = 0.04805 PID(s) = 0.009932 + 0.0003576 + 0.04805s s Như hàm truyền kín hệ có dạng là: 𝑃 (𝑠 ) = 𝑃𝐼𝐷 (𝑠) 𝐺𝑎 (𝑠) 22.87𝑠 + 4.728𝑠 + 0.1702 = + 𝑃𝐼𝐷 (𝑠) 𝐺𝑎 (𝑠) 𝑠 + 94.04𝑠 + 37.53 𝑠 + 4.728𝑠 + 0.1702 Hình Sơ đồ khối điều khiển động DC điều khiển PID Kết Biểu đồ bode: Độ dự trữ pha độ dự trữ biên dương nên hệ thống ổn định Biểu đồ nyquist: Đường cong nyquist khơng có cực nằm bên phải mặt phẳng phức khơng bao điểm (-1,j0) Nên hệ kín ổn định Hình Mơ Simulink Hình Kết mô cho thấy thời gian phản hồi hệ thống 7,234 giây hệ thống chạy ổn định