3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc đ
Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu 5 1.2 Cấu tạo và phân loại động cơ điện một chiều 5 1.2.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 5 1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều 5 1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 6 1.4 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều 6 1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 6 1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông3 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
Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều. Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
1.2 Cấu tạo và phân loại động cơ điện một chiều
1.2.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều
Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:
- Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện - Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện - Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp
- Cổ góp (Commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor.
Hình 1 1: Cấu tạo động cơ điện 1 chiều
1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều
- Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại:
- Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kết cấu cực từ:
1.2.1.5 Động cơ điện một chiều cực từ là nam châm điện.
1.2.1.6 Động cơ điện một chiều cực từ là nam châm vĩnh cửu
1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Khi cấp điện áp một chiều Uư vào mạch phần ứng, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn có dòng điện Iư nằm trong từ trường Φ do stator sinh ra sẽ chịu lực F (lực Lorentz) tác dụng làm rotor quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái (mũi tên màu đỏ ở hình dưới).
Hình 1 2: Nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều
Khi cuộn dây phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiếu góp nên chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng được dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi.
Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động.
1.4 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều
1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
Trong phương pháp này người ta giữ 𝑈 = 𝑈 đ𝑚 𝑚 , = đ𝑚 𝑚 và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
3 Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Hình 1 3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở).
- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn.
1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông
Giả thiết U= Uđm, Rư = const.
Muốn thay đổi từ thông động cơ ta
4 thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng điện kích từ(Ikt ≤ Iktđm) do đó chỉ có thể thay đổi về phía giảm từ thông Khi giảm từ thông,đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn.
Hình 1 4: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:
- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn.
- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông.
- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh: D ~ 3:1.
- Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng.
- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ở vùng tải lớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức.
- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp.
1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
Từ thông động cơ được giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ một bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U
Hình 1 5: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:
- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau, nhưng độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất Sai số tốc độ tương đối tại điểm này không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh.
- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1.
- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm).
- Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp ra.
1.5 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
1.5.1 Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
+ Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động.
+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.
+ Bền bỉ, tuổi thọ lớn.
1.5.2 Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều
+ Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên.
+ Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.
+ Giá thành đắt mà công suất không cao.
1.6 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc, cũng như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cách nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể. Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả. Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn
Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ
2.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều
Hình 2 1: Mô hình động cơ điện một chiều
- Điện trở phần ứng R: 0.8 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
- Tín hiệu vào là điện áp: V
-Tín hiệu ra là góc quay :
Mô hình hóa hệ thống
Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái
* Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:
+T : moment của rotor (Nm)+i : dòng điện phần ứng (A) Từ phương trình (2.1) và (2.2) ta có :
* Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:
Trong đó : E là điện áp cảm ứng : E = K.ω = K 𝜃̇(V) (2.5)
V là điện áp phần ứng Từ phương trình (2.4) và (2.5) ta có:
Từ phương trình (2.7) ta có:
Thế (2.9) vào (2.8) và biến đổi ta được: θ = K
Vậy hàm truyền của hệ là
Xây dựng phương trình không gian trạng thái:
Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái Điện áp là đầu vào, đầu ra là tốc độ quay.
Từ phương trình (2.3) và (2.6) ta có:
XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 10 3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph
Xây dựng bộ điều khiển
Điều khiển trạng thái của hệ thống rất quan trọng trong hệ thống thực tế Một hệ thống dù được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (feedback) của nó hay đầu ra của hệ thống (output) không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả là làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (input) Bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (feedback control), trong đó đáp ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (error) trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả. Đáp ứng của hệ thống được so sánh với điểm đặt (set point) để đạt được sai số Tín hiệu sai số được sử dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn.
Hình 3 6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được 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 bộ điểu khiển PID PID là viết tắt của Proportional (tỷ lệ), Integral (tích phân) vàDerivative (vi phân) Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số ( error function).
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 15 4.1 Đánh giá đặc tính tốc độ động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu
Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
Chọn tốc độ quay mong muốn là 15 rad/s
Hình 4 4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P
Hình 4 5: Thiết lập thông số ban đầu với K p = 1
Hình 4 6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với thông số ban đầu
Sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ với thông số ban đầu Kp=1 Ta thấy hệ thống có sai số xác lập lớn, sai số này vẫn được duy trì khi hệ thống ổn định. Để giảm sai số xác tập ta tăng hệ số Kp lên.
Với giá trị Kp = 30 hệ thống có sai số xác lập nhỏ sau khi ổn định.
Hình 4 7: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PI
Hình 4 8: Thiết lập thông số ban đầu với K p =1, Ki=1
Hình 4 9: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với thông số ban đầu
Tăng hệ số Kp của bộ điều khiển PI sẽ giúp giảm thời gian quá độ của hệ thống Trong bài toán cụ thể với thông số Kp và Ki ban đầu đều bằng 1, thời gian quá độ sẽ khoảng 2 giây Bằng cách tăng hệ số Kp, thời gian quá độ sẽ được giảm đi, tuy nhiên cần cân nhắc để tránh tình trạng quá xung.
Tăng hệ số Kp = 30 và hệ số Ki = 1.
Hình 4 10: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI khi thay Ki0
Sau khi điểu chỉnh thông số: đáp ứng hệ thống có sai số xác lập nhỏ, thời gian quá độ nhỏ khoảng 0,03s Đáp ứng hệ thống không có vọt lố.
Hình 4-1 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PD
Hình 4 11: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PD
Hình 4 12: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ 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 0,1s.
- Tăng hệ số Kp = 5, tăng hệ số Kd = 50
Sau khi tăng hệ số Kp = 5, tăng hệ số Kd = 50 thì sai số xác lập của hệ thống nhỏ, không có độ vọt lố, thời gian lên và thời gian đáp ứng nhỏ.
Hình 4 13: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID
Hình 4 14: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PID
Hình 4 15: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với thông số ban đầu
Với thông số ban đầu Kp = Ki = Kd = 1 đáp ứng hệ thống không có vọt lố, thời gian đáp ứng lớn khoảng 4s.
Tăng hệ số Kp = 2, Kd = 50, Ki = 1.
Hình 4 16: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với Kp=2, KdP, Ki=1
Thời gian đáp ứng nhỏ khoảng 0.05s, hệ thống không có vọt lố và sai số xác lập nhỏ, các thông số bộ điều khiển PID được lựa chọn dựa trên phương pháp bằng tay.
Qua biểu đồ nhận thấy được khi có bộ điều khiển thì vị trí của động cơ được đáp ứng nhanh hơn, tốc độ mong muốn là 15 (rad/s) được đáp ứng nhanh gọn và ổn định, độ vọt lố cũng như thời gian đáp ứng đều nằm trong giới hạn cho phép (độ vọt lố POT
