Mô hình hoá hệ thống cơ điện tử

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ song song như hình 1. Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; θ ̇ là vận tốc góc của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thông số của động cơ như sau: - Điện cảm phần ứng L: 16. 10^(-3) H - Điện trở phần ứng R: 0.6 Ω - Điện trở mạch kích từ: 0.1 Ω - Điện cảm kích từ L: 80. 10^(-3) H - Hệ số cản b = 6.6 10^(-3)Nms/rad - Momen quán tính J= 0.166 Nms/rad - Hệ số momen K= 1.53 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ song song và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều. - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. - 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 sử dụng phần mềm 20-sim. Bài số 2: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu như hình 1. Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; θ là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thông số của động cơ như sau: - Điện cảm phần ứng L: 2. 10^(-3) H - Điện trở phần ứng R: 1 Ω - Hệ số cản b = 6.6 10^(-3)Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 〖Nms〗^2/rad - Hệ số momen K= 0.3

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Đình Hiếu

Sinh viên thực hiện: Phạm Duy Khánh 2019601348

Hà Nội-2021

Phiếu Giao Học Tập

Bài số 3: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

như hình 1 Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃̇ là vận tốc góc của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các thông số của động

cơ như sau:

MỤC LỤC

Mục Lục 3

Danh Mục Hình Ảnh 4

Danh Mục Bảng Biểu 5

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng Quan Về Động Cơ Điện Một Chiều 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 1

1.1.3 Nguyên lí hoạt động 5

1.1.4 Phân loại động cơ điện một chiều 6

1.2 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều 8

1.2.1 Ưu điểm 8

1.2.2 Nhược điểm 9

1.3 Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Nối Tiếp 9

1.3.1 Giới thiệu 9

1.3.2 Đặc điểm 9

1.3.3 Ứng dụng 9

Chương 2: PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN một CHIỀU 10

2.1 Phân tích vật lý 10

Chương 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BẰNG BOND GRAPH 12

3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 12

3.2 Đánh giá hệ thống khi chưa có bộ điều khiển 14

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển PID 16

4.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID 16

4.1.1.PID là gì 16

4.1.2 Phương pháp lựa chọn thông số PID 17

4.1.3 Xét khâu tỷ lệ P 18

4.1.4 Xét bộ điều khiển PI 19

4.1.5 Xét bộ điều khiển PD 20

4.1.6 Xét bộ điều khiển PID 21

KẾT LUẬN 23

Tài Liệu tham khảo 24

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều 1

Hình 1.2: Cấu tạo Stato máy điện một chiều 2

Hình 1.3: Cực từ chính 2

Hình 1.4: Cơ cấu chổi than 3

Hình 1.5: Cơ cấu Rôt máy điện một chiều 4

Hình 1.6: Lõi thép phần ứng 4

Hình 1.7: Cổ góp 5

Hình 1.8: Nguyên lí hoạt động cơ điện một chiều 6

Hình 1.9: Mạch điện kích từ độc lập 7

Hình 1.10: Mạch điện kích từ song song 7

Hình 1.11: Mạch điện kích từ nối tiếp 8

Hình 1.12: Mạch điện kích từ nối tiếp 9

Hình 2.1: Mạch điện động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 10

Hình 3.1:Sơ đồ mạch điện 12

Hình 3.2: Thêm các zezo junction 12

Hình 3.3: Thêm các phần tử 13

Hình 3.4: Nối các phần tử lại với nhau 13

Hình 3.5: Rút gọn biểu đồ Bond 13

Hình 3.6: Biều đồ Bond nhân quả 14

Hình 3.7:Biểu đồ Bond khi chưa có bộ điều khiển 14

Hình 3.8: Nhập thông số 15

Hình 3.9:Biểu đồ khi chưa có bộ điều khiển 15

Hình 4.1: Bộ điều khiển PID 16

Hình 4.2: Biểu đồ Bond khi có khâu tỷ lệ P 18

Hình 4.3: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có khâu P 18

Hình 4.4: Biểu đồ Bond khi có khâu PI 19

Hình 4.5: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có bộ điều khiển PI 19

Hình 4.6: Biểu đồ Bond khi có khâu PD 20

Hình 4.7: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có bộ điều khiển PD 20

Hình 4.9: Biểu đồ Bond khi có khâu PID 21

Hình 4.10: Nhập thông số cho bộ điều khiển PID 21

Hình 4.11: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có bộ điều khiển PID 22

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: So sánh các phương pháp điều chỉnh hệ số PID 17

Bảng 4.2: Bảng đánh giá khi Kp thay đổi 19

Bảng 4.3: Bảng đánh giá khi thay đổi Ki 20

Bảng 4.4: Bảng đánh giá khi thay đổi Kd 21

Bảng 4.5: Bảng đánh giá khi thay đổi thông số của bộ điều khiển 22

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượng tia lửa

ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều Cấp điện áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 500V và lớn nhất là 1000V

Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính:

- Phần tĩnh (Stator)

- Phần động (Rotor)

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều

Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với máy điện đồng bộ, ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rôto [1]

- Phần cảm (stato):

2

Hình 1.2: Cấu tạo Stato máy điện một chiều

+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau [2]

Hình 1.3: Cực từ chính

3

+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn ở cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

+ Các bộ phận khác:

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và

an toàn cho người khỏi chạm vào điện

- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

Hình 1.4: Cơ cấu chổi than

4

- Phần quay (rôto):

Hình 1.5: Cơ cấu Rôt máy điện một chiều

+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

5

+ Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một trục hình tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

Hình 1.7: Cổ góp

+ Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: thường làm bằng thép cacbon Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi

6

Hình 1.8: Nguyên lí hoạt động cơ điện một chiều

Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện

1.1.4 Phân loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ trường của các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:

+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp

từ hai nguồn riêng rẽ

8

+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng

Hình 1.11: Mạch điện kích từ nối tiếp

+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

1.2 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều

cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% 94% Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000v [1]

9

1.2.2 Nhược điểm

- Cần nguồn một chiều

- Bảo quản cổ góp phức tạp

- Dễ sinh tia lửa điện - Giá thành cao

Mặc dù có nhiều nhược điểm như trên nhưng động cơ điện một chiều vẫn có vai trò quan trọng trong sản xuất, phát triển công nghiệp và được sử dụng phổ biến trong sản xuất

1.3 Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Nối Tiếp

1.3.1 Giới thiệu

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Vì dòng kích từ bằng dòng điện phần ứng nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, ít vòng dây và điện trở nhỏ

Hình 1.12: Mạch điện kích từ nối tiếp

1.3.2 Đặc điểm

- Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại

- Đa phần hoạt động theo nguyên lý điện từ

- Tùy vào cấu tạo động cơ sẽ có nguyên lý hoạt động khác nhau: lực tĩnh điện hay hiệu ứng điện áp

10

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU 2.1 Phân tích vật lý

Hình 2.1: Mạch điện động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

𝜔(t)=𝜃̇̇(t) : Vận tốc góc của động cơ (rad/s)

V: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ (V)

K: Hệ số cấu tạo động cơ

12

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BẰNG BOND GRAPH 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Hình 3.1:Sơ đồ mạch điện

Bước 1: Mỗi vị trí trong mạch có điện thế khác nhau thì đặt các Junction 0

Hình 3.2: Thêm các zezo junction

Bước 2: Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng , điện cảm phần ứng, điện trở kích từ, điện cảm kích từ Bên còn lại chứa các thành phần quán tính và ma sát quay [3]

13

Hình 3.3: Thêm các phần tử

Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

Hình 3.4: Nối các phần tử lại với nhau

Bước 4: Rút gọn biểu đồ bond Graph

Hình 3.5: Rút gọn biểu đồ Bond

14

Bước 5: Gắn quan hệ nhân quả cho biểu đồ bond Graph

Hình 3.6: Biều đồ Bond nhân quả

3.2 Đánh giá hệ thống khi chưa có bộ điều khiển

Hình 3.7:Biểu đồ Bond khi chưa có bộ điều khiển

Từ biểu đồ ta thấy, độ vọt lố thấp, thời gian lên ~30s, thời gian để vận tốc đáp ứng

hệ thống rất lâu ~70 giây Vì vậy ta cần thiết kế thêm bộ điều khiển để hệ thống đáp ứng được tối ưu nhất

16

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

4.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID

4.1.1 PID là gì

Hình 4.1: Bộ điều khiển PID

PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được

sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín (có tín hiệu phản hồi) Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông

số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

• D (Derivative): là vi phân của sai lệch Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh

• Ti = Kp/Ki : Thời gian khâu vi phân

• Td : Thời gian khâu tích phân

4.1.2 Phương pháp lựa chọn thông số PID

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID Những phương pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó chọn

P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình động học Các phương pháp điều chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vòng lặp có thời gian đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn

Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay không vòng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống Nếu hệ thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển

Bảng 4.1: So sánh các phương pháp điều chỉnh hệ số PID

Có sẵn công thức tính toán Làm rối loạn quá trình, một số thử

nghiệm và lỗi, phải điều chỉnh nhiều lần

Các công cụ

phần mềm

Xử lý các mô hình tốt Yêu cầu kiến thức toán học

Phương pháp offline Chỉ tốt đối với các quá trình bậc một

19

Nhận xét: Khi tăng thông số Kp:

Bảng 4.2: Bảng đánh giá khi Kp thay đổi

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập

20

Nhận xét: Khi tăng thông số Ki:

Bảng 4.3: Bảng đánh giá khi thay đổi Ki

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập

21

Nhận xét: Khi tăng thông số Kd:

Bảng 4.4: Bảng đánh giá khi thay đổi Kd

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập

4.1.6 Xét bộ điều khiển PID

Hình 4.8: Biểu đồ Bond khi có khâu PID

Chọn Kp=10; Kd=Ki=0.1

Hình 4.9: Nhập thông số cho bộ điều khiển PID

22

Hình 4.10: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có bộ điều khiển PID

Nhận xét

Bảng 4.5: Bảng đánh giá khi thay đổi thông số của bộ điều khiển

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập

Sau khi thay đổi thông số của bộ điều khiển thấy được sự tác động của bộ điều khiển

lên quá trình thay đổi vận tốc một cách rõ rệt như là cải thiện được thời gian xác lập tốt

hơn và thời gian lên được giảm đáng kể Cải thiện được sai số xác lập hầu như không còn

23

KẾT LUẬN

Bài tập của môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp giúp sinh viên hiểu về cách hoạt động của động cơ điện một chiều nói chung và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp nói riêng trên góc độ phân tích Khi tìm hiều và giải quyết những vấn đề đặt ra trong yêu cầu của bài tập chúng em

đã xây dựng được phương trình trạng thái mô tả động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, đồng thời thiết kế và xây dựng biểu đồ bond graph bằng phần mềm 20-sim để mô phỏng vị trí động cơ và điều khiển vị trí động cơ

Bộ điều khiển PID được sử dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển với tín hiệu cần

ổn định là góc quay của động cơ Khảo sát sự phụ thuộc của góc quay khi điện áp thay đổi thông qua chọn các tham số của bộ điều khiển PID

Biết cách lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển PID Từ đó nhóm đã tìm ra được

bộ tham số của bộ điều khiển PID để cho động cơ hoạt động ổn định là: beta=0.5; Kp=10; Kd=Ki=0.1

Qua bài tập lớn giúp cho sinh viên củng cố các kiến thức đã học trên lớp, hiểu hơn về phương pháp điều khiển điều khiển, biết sử dụng cơ bản phần mềm 20-sim Cũng cố lại kiển thức môn lí thuyết điều khiển và cơ cấu chấp hành và điều khiển Đồng thời, tích lũy được những kiến thức quan trọng để phục vụ cho việc học tập những học phần có liên quan,

đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp sau này

24

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] N H Lộc, Mô Hình Hóa và Mô Phỏng, NXB Đại học Quốc Gia TP HCM, 2018 [2] T H T Hoàng, Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống, ĐHBK TP.HCM, 2012 [3] Shuvra, Mechatronic Modeling and Simulation Using Bond Graphs, Taylor & Francis Group-LLC, 2009