báo cáo môn học mô phỏng và mô hình hệ thống chuyên đề mô phỏng và mô hình hệ thống động cơ dc

Nêm có làm bằng tre, gỗ haybakelit.*Cổ góp.Cuộn dây rotor là cuộn dây khép kín mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp.Haycòn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn đượ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO MÔN HỌC MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

CHUYÊN ĐỀ:

MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ DC

GV: Nguyễn Võ Ngọc Thạch

Sinh viên:

Chu Văn Hải

Đào Duy Cường

Lê Minh Tiến

Nguyễn Hoàng Phúc

Hồ Minh Đệ

MSSV:

21138112 21138099 21138185 21138160 21138104

LỚP: DH21TD

KHÓA: K47

DĨ AN,30/12/2003

1

Mục lục

I/ Giới thiệu về động cơ điện DC 3

1 Cấu tạo 3

2) Nguyên lý làm việc 5

3) Ưu nhược điểm 5

4) Phân loại và đặc tính cơ động cơ điện một chiều 5

II) Mô hình toán học của hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ động cơ điện 1 chiều 6

III) Lý thuyết bộ điều khiển PID………7

IV) Mô phỏng mô hình hệ thống động cơ DC bằng simulink trên phần mềm MATLAB 10

2

I/ Giới thiệu về động cơ điện DC

1 Cấu tạo

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh (stator) và phần động (rotor)

a) Phần tĩnh (stator)

Là phần đứng yên của máy bao gồm các bộ phận sau chính sau:

* Cực từ chính.

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng, và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn 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

* Cực từ phụ.

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều 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 cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

3

* 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.

Bao gồm:

-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 Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn

có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang -Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than nó được môt lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá đỡ và được cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh chổi than cho đúng chỗ rồi cố định lại nhờ ốc vít

b) Phần quay (rotor)

Bao gồm những phần chính sau:

*Lõi sắt phần ứng.

Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt rồi ép chặt với nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép dập dạng hình rãnh khi ghép lại tạo thành rãnh để đặt dây quấn vào Đối với các động cơ công suất trung bình và lớn người ta tạo ra các rãnh để tạo thành các lỗ các rãnh thông gió Lõi sắt này được ép chặt vao trục động cơ

*Dây quấn phần ứng.

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng

4

rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit

*Cổ góp.

Cuộn dây rotor là cuộn dây khép kín mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp.Hay còn gọi là vành đổi chiều gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy.Phiến góp đượn làm bằng đồng vừa có độ dẫn điện vừa chống mài mòn.Các bộ phận khác như cánh quạt dùng để quạt gió làm mát máy.Trục máy trên đó đặt lõi sắt phần ứng ,cổ góp cánh quạt và ổ bi,trục máy thường làm bằng cacbon tốt

2) Nguyên lý làm việc.

Khi trục của động cơ điện 1 chiều được kéo bằng một lực ngoài, động cơ này sẽ hoạt động giống máy phát điện một chiều.Từ đó, chúng tạo ra suất điện động cảm ứng Suất điện động này được gọi là Electromotive Force Khi được vận hành ở chế độ cơ bản, rotor sẽ quay và phát ra điện áp Điện áp này có tên là sức phản điện động Counter EMF (hay còn được gọi là sức điện động đối kháng), lý do là bởi vì chúng đối kháng với điện áp được đặt bên ngoài vào động cơ

3) Ưu nhược điểm.

* Về ưu điểm:

 Có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động (vì thế cho nên chúng thường được sử dụng trong các đầu máy kéo)

 Có khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt hơn so với những thiết bị khác

 Tiết kiệm được điện năng

 Bền bỉ, có tuổi thọ lớn

 Động cơ điện một chiều có chổi than có hiệu suất tốt

 Mật độ mô-men xoắn tương đối cao đối với các động cơ này

 Động cơ một chiều chạy êm và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng

 Có khả năng quá tải tốt và nhiễu điện từ nhỏ

*Về nhược điểm:

 Nhược điểm của động cơ điện một chiều là cấu trúc Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, giá thành cao nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên

 Có tiếp điểm trượt giữa cổ góp và chổi than gây ra tia lửa điện, nó có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là khi ở trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ và mài mòn cơ học

 Có giá thành đắt nhưng công suất lại không cao

4) Phân loại và đặc tính cơ động cơ điện một chiều

* Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

5

 Động cơ điện một chiều kích từ song song.

 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

II) Mô hình toán học của hệ thống điều khiển vị trí và tốc độ động cơ điện 1 chiều.

* Công thức động lực học của động cơ DC:

*Các thông số:

6

*Biến đổi laplace ta được:

*Với ngõ vào là điện áp và ngõ ra là vị trí phần ứng ta được hàm truyền: Hàm truyền vị trí:

*Với ngõ vào là điện áp và ngõ ra là vị trí phần ứng ta được hàm truyền: Hàm truyền vận tốc:

III) Lý thuyết bộ điều khiển PID

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số Hơn 90% các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh

Luật điều khiển bộ PID được định nghĩa:

7

Trong đó : u là tín hiệu điều khiển (là tổng 3 thành phần :tỉ lệ ,tích phân và vi phân)

e là sai lệch điều khiển ((e = Ysp−y)

Hàm truyền :

Các tham số bộ điều khiển : Kp, Ki ,Kd

1.Thành phần Tỉ lệ (P)

u(t) = Kpe(t)

Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều

khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển Ban đầu, khi sai

lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn Sai lệch giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần Khi sai lệch e(t) = 0 thì u(t) = 0

Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản Hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, có vai trò lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo

2.Thành phần tích phân :

Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, luôn làm tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì luôn làm giảm tín hiệu điều khiển,bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e (t)=0.Đây cũng là ưu điểm của thành phần tích phân Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian để đợi e(t) về 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn

Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa đề cải thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống

3.Thành phần Vi phân (D)

u(t) = (de(t))/dt Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sự ổn định của hệ kín

8

Một ưu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà bình thường không ổn định được với các bộ P hay PI

Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh

*Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

Do từng thành phần của bộ PID có những ưu nhược điểm khác nhau , và không thể đồng thời đạt được tất cả các chỉ tiêu chất lượng một cách tối ưu , nên cần lựa chọn , thỏa hiệp giữa các yêu cầu chất lượng và mục đính điều khiển Việc lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID cũng phụ thuộc vào đối tượng điều khiển và các phương pháp xác định thông số Tuy nhiên , kinh nghiệm cũng là 1 yếu tố quan trọng trong khâu này

Nhược điểm:

9

Việc lấy tín hiệu bậc thang dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và không thích hợp trong các quá trình dao động hoặc không ổn định

Đối với các quá trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc quá nhiều vào biên độ và hướng thay đổi giá trị đặt

Phương pháp kẻ tiếp tuyến để xác định các số liệu θ và α có độ chính xác kém

→ Đặc tính đáp ứng của hệ kín với giá trị đặt thường có xu hướng quá mức dao động (Hệ số tắt dần khoảng 0.25).Theo kinh nghiệm của một số chuyên gia, để sử dụng phương pháp này hiệu quả, ta nên đảm bảo rằng tỉ số 0/t nằm trong khoảng 0.1-0.6 Nếu tỉ lệ này lớn hơn 0.6, chúng ta nên xem xét các phương pháp điều chỉnh khác, đặc biệt là đối với các trường hợp có độ trễ Ngược lại, nếu tỉ lệ nhỏ hơn 0.1, thường đi kèm với các hệ thống bậc cao, chúng ta cần áp dụng bộ điều khiển bậc cao tương ứng để cải thiện đặc tính động học của hệ thống

IV) Mô phỏng mô hình hệ thống động cơ DC bằng simulink trên phần mềm MATLAB sử dụng bộ điều khiển PID.

*Từ hai hàm truyền vị trí và tốc độ ta đi tính toán và thiết kế bộ điều khiển vị trí và tốc độ hệ động cơ DC

 Dựa vào các thông số ta được phương trình hàm truyền phần ứng của động

cơ DC nhưu sau:

10

 Dựa vào hàm truyền vừa tìm được ta đi thiết kế trên simulink:

+Mô phỏng điều khiển vị trí motor:

11

Nhận xét: với thông số PID như ban đầu (chưa hiệu chỉnh) thì hệ thống bị mất

ổn định,độ sai số lớn , đáp ứng ngõ ra càng ngày càn mất ổn định

12 Đáp ứng ngõ ra

Độ sai số

*Khi hiệu chỉnh lại thông số PID:



Nhận xét:sau khi hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID thì ta thấy hệ thống

trở nên ổn định, độ vọt lố rất thấp.Đáp ứng ngõ ra bám theo tín hiệu ngõ vào, độ

13 Đáp ứng ngõ ra

Độ sai số

sai số dần về 0.

+ Mô hình mô phỏng điều khiển tốc độ motor:



14

Đáp ứng

Độ sai số

Đáp ứng vị trí ngõ ra

thì hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đáp ứng ngõ ra theo yêu cầu,có sai số

*Khi hiệu chỉnh lại thông số PID:

15

Độ sai số Đáp ứng

Đáp ứng vị trí ngõ ra

Nhận xét : khi sử dụng bộ điều khiển PID này thì hệ thống trở nên ổn đinh.Độ

vọt lỗ thấy bám theo tín hiệu vào, độ sai số dần trở về 0, đáp ứng vị trí ngõ ra của rotor tốt

16