CHƯƠNG I : MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU pptx

Phân loại động cơ điện một chiềuDựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành cácloại sau: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ n

CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC

TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU1.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Nguyên lý cấu tạo động cơ điện một chiều

Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện một chiều cũng gồm

có stato và rôto

Hình 1.1 Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều

Stato: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung

trên các cực từ stato Các cực từ stato được ghép cách điện từ các lá thép kỹthuật điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, và được gắn trên gông

từ bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy

Rôto: còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần

ứng lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điệnghép cách điện với nhau Dây qấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vàocác rãnh trên lõi thép rôto Các phần tử dây quấn rôto đượ nối tiếp nhau thôngqua các lá góp trên cổ góp Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trêntrục rôto

Cổ góp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn

phần ứng

1.1.2 Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành cácloại sau:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ

nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từđược tạo ra bằng nam châm vĩnh cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiềukích thích vĩnh cửu

Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối

song song với mạch phần ứng

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối

tiếp với mạch phần ứng

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn,

dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp Trong đó, cuộn kích

từ song song thường là cuộn chủ đạo

Hình 1.2 trình bày các loại động cơ điện một chiều

Hình 1.2 Các loại động cơ điện một chiều

a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập b) Động cơ điện một chiều kích từ song song c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điệnkhác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơbgiản, dễ chế tạo Do đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu cóyêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng,người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều

Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc

độ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập Trong phạm

vi luận văn này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích

từ độc lập có từ thông kích thích bằng định mức

1.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.2.1 Động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập

Để xét các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, taxuất phát từ sơ đồ nguyên lý động cơ như hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong chế độ làm việc xác lập (Điều chỉnh tự đông truyền động điện),

dòng kích từ i f đi qua dây quấn kích từ sẽ tạo ra từ thông kích thích  trong

động cơ Phần ứng được đặt vào nguồn cung cấp một chiều có điện áp U A,

trong dây quấn phần ứng có dòng điện I A Tương tác điện từ giữa dòng điệnphần ứng và từ thông kích thích tạo ra mômen quay làm quay trục động cơ.Giá trị của mômen điện từ được xác định:

A M A

 - hằng số mômen, phụ thuộc vào kết cấu động cơ

p - số đôi cực từ của động cơ;

N - tổng số thanh dẫn của dây quấn phần ứng;

a - số đôi mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng;

Khi phần ứng quay, dây quấn phần ứng quét qua từ thông trong máy, làm

cảm ứng trên dây quấn phần ứng một sức điện động E A có giá trị được xácđịnh:

trong đó:  - tốc độ góc của rôto

Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

A A A

A E R I

trong đó: R A – điện trở mạch phần ứng động cơ

Trong chế độ xác lập, tốc độ góc của rô to có thể được xác định thông quaphương trình cân bằng điện áp phần ứng (1.3):

k

I R U

1.2.2 Động cơ điện một chiều trong chế độ quá độ:

Khi từ thông kích thích là không đổi, hoặc khi động cơ được kích thíchbằng châm vĩnh cửu, dựa vào sơ đồ thay thế động cơ trên hình 1.3, ta rút rađược các phương trình sau:

Điện áp phần ứng:

di L i R e

A A A A

A  

trong đó: L A - điện cảm phần ứng;

A

A A

1

T

M m m J dt

A M

M k i

Từ các phương trình động học cơ bản của động cơ ở trên, ta xây dựng đượccấu trúc điều khiển của động cơ điện một chiều như trên hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

1.3 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH VÒNG HỞ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

s T

R

A

A

 1

/ 1



i A

k M

Dựa vào cấu trúc điều khiển của động cơ điện một chiều như trên hình 1.4,

ta xây dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều trên nền Simulinknhư sau:

Hình 1.5 Mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu trên

nền simulink

Tiến hành khảo sát mô hình ở chế độ không tải, với từ thông kích từ bằngđịnh mức Điện áp ban đầu đặt vào phần ứng của động cơ bằng điện áp địnhmức Để điều chỉnh tốc độ động cơ ta thay đổi điện áp đặt vào phần ứng củađộng cơ Đáp ứng dòng phần ứng và tốc độ của động cơ như trên hình 1.6 Tathấy sau thời gian khoảng 1,5 giây hệ thống đi vào ổn định Khi điều chỉnhtốc độ động cơ, hệ thống sau 2 giây cũng ổn định

Để xét ảnh hưởng của phụ tải đối với động cơ, ta đặt trị mômen tải vào môhình với giá trị định mức Hình 1.7 thể hiện đáp ứng dòng điện và tốc độ động

cơ khi có tải định mức

Từ đáp ứng tốc độ trên hình 1.6 và hình 1.7 ta thấy rằng cùng với một giátrị điện áp đặt, khi phụ tải thay đổi tốc độ động cơ thay đổi theo

Hình 1.6 Đáp ứng dòng điện phần ứng và tốc độ của động cơ khi không tải.

Hình 1.7 Đáp ứng dòng điện phần ứng và tốc độ của động cơ khi tải thay

đổi.

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trên cơ sở khảo sát các đặc tính vòng hở động cơ điện một chiều kích từđộc lập, ta rút ra được các kết luận sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập là một đối tượng phi tuyến;

- Khi khởi động trực tiếp động cơ, trong thời gian quá độ, dòng điện phầnứng tăng lên rất lớn so với dòng điện định mức;

- Việc điều chỉnh tốc độ động cơ tương đối dễ dàng bằng cách sử dụngcác bộ nguồn điều chỉnh được như hệ thống máy phát – động cơ, hệ thốngchỉnh lưu điều khiển – động cơ…Tuy nhiên tốc độ của động cơ thay đổi mạnhtheo phụ tải, do đó không có khả năng ổn định tốc độ tại điểm tốc độ chọn

Để ổn định được tốc độ động cơ cần thiết lập các mạch vòng điều khiển, tínhiệu vào cho các bộ điều khiển chính là các tín hiệu phản hồi dòng điện, tốc

độ của hệ thống

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG PID 2.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển truyền động điện được chia thànhhai phần: mạch động lực và mạch điều khiển

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền động điện

Mạch động lực gồm động cơ truyền động và bộ biến đổi làm nhiệm vụ

cung cấp nguồn cho động cơ làm việc Bộ biến đổi sẽ nhận nguồn không đổi

từ lưới, đầu ra của nó là nguồn đã thay đổi về dòng điện, điện áp, tần số theoyêu cầu của điều khiển Trên thực tế, các bộ biến đổi tương đối đa dạng, cóthể là các máy phát điện, bộ biến đổi điện từ, bộ biến đổi điện tử công suất.Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện bán dẫn, cácvan bán dẫn có dòng áp cao, chuyển mạch nhanh, hiệu suất và độ tin cậy cao

đã được sử dụng để chế tạo các bộ biến đổi, làm cho trong hầu hết các hệthống truyền động sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất

Mạch điều khiển gồm có các bộ điều khiển và các bộ cảm biến Các bộ

điều khiển làm nhiệm vụ nhận tín hiệu đặt ở đầu vào và các tín hiệu phản hồi

từ các bộ cảm biến, tạo ra tín hiệu điều khiển cho các bộ biến đổi để duy trìcác giá trị dòng điện, tốc độ, mô men quay cho động cơ theo yêu cầu điềukhiển Các bộ cảm biến làm nhiệm vụ thu thập các thông số trạng thái của hệ

thống như dòng điện, tốc độ, vị trí làm tín hiệu vào cho các bộ điều khiển.Các bộ cảm biến dòng điện có thể dùng máy biến dòng; cảm biến tốc độ dùngmáy phát tốc, bộ chuyển mạch quang và đĩa mã hóa; cảm biến vị trí dùngchuyển mạch quang và đĩa mã hóa [4].

2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Với đối tượng điều khiển là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có từthông là định mức, ta xây dựng hệ thống điều khiển cho động cơ gồm haivòng điều khiển: vòng điều khiển dòng điện và vòng điều khiển tốc độ Các

bộ điều khiển sử dụng trong các vòng điều khiển là các bộ điều khiển PID

2.2.1 Khái quát về bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều khiển PID (hình 2.2) gồm có ba thành phần là khâukhuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toánPID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặttham số cho các chế độ đã chọn Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bảnđược sử dụng là P, PI và PID

Hình 2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụngrộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình2.3) Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trìnhquá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệuđiều chỉnh u(t) càng lớn.

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫncòn tạo tín hiệu điều chỉnh

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần

uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Hình 2.3 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:

] ) ( )

(

1 ) ( [ )

(

t de T d e T t e k t

I

trong đó: e(t) – tín hiệu đầu vào;

u(t) – tín hiệu đầu ra;

s

I p

1 1 )

Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID:

- Phương pháp Ziegler-Nicols

- Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

- Phương pháp tổng T của Kuhn

- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng

- Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

2.2.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

2.2.2.1 Phương pháp Ziegler-Nicols

Phương pháp Ziegler-Nicols là pháp thực nghiệm để xác định tham số bộđiều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dự vào đáp ứng quá độ của đối tượngđiều khiển Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nicols đưa rahai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:

Phương pháp Ziegler-Nicols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các đốitượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.4)như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ…

Hình 2.4 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:

Bảng 2.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nicols thứ nhất

Phương pháp Ziegler-Nicols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đối tượng

có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền

động dùng động cơ… Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vôcùng Phương pháp này được thực hiện như sau [5]

Hình 2.5 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại (hình 2.5)

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới

ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ Tth của dao động

Hình 2.6 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:

Bảng 2.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nicols thứ 2

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick đưa ra bốn cách xác định tham số

bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau:

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:

Bảng 2.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh h khôngvượt quá 20% so với h lim t t  h( ):

Bảng 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2

Thông số

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điềuchỉnh:

Bảng 2.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3

Thông số

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh hkhông vượt quá 20% so với h lim t t  h( ):

Bảng 2.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4

Thông số

2.2.2.3 Phương pháp tổng T của Kuhn

Đối tượng được áp dụng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạngchữ S, có hàm truyền đạt:

) ( , ) 1

( ) 1

)(

1 (

) 1 ( ) 1 )(

1 ( )

(

2 1

2

s T s

T s T

s T s

T s T k

s

m n m

m

t m t

Gọi A là diện tích bao bởi đường cong h(t) và klim t t  h( ) (hình 2.8) Giữa

diện tích A và các hằng số thời gian t

1 1

T T T

k kT

i

t i n

Hình 2.8 Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian

Để xác định được các tham số của bộ điều khiển, trước tiên cần xác định

các giá trị k và T Các giá trị này có thể xác định được bằng thực nghiệm từ

hàm quá độ h(t) đi từ 0 và có dạng hình chữ S Tham số của bộ điều khiển

Phương pháp tối ưu độ lớn là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiểnPID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hìnhchữ S

Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 2.9 Bộ điều khiển R(s) điềukhiển cho đối tượng S(s)

Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín.

Phương pháp tối ưu độ lớn được áp dụng để chọn tham số bộ điều khiển

PID điều khiển các đối tượng S(s) có bản chất quán tính.

Đối với đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất:

Ts

k s

S





1 )

Phương pháp tối ưu độ lớn đưa ra bộ điều khiển là khâu tích phân:

s T

k s

k s

G



) 1 ( )

) (

1 )(

1 ( )

1 ( )

I I

I p I

T T s T

s T s

T

s T k

s T k

) (

1 )(

1 ( )

1 ( )

(

T

k s

P

T k

T k

1 )(

1 ( )

(

3 2

T

k s

B A

D I

T T s

T

s T s T s

T s T k

Với các tham số:

- T I = T 1 + T 2

-

2 1

2 1

T T

T T

2kT

T T

Trường hợp đối tượng điều khiển có dạng:

) 1

) (

1 )(

1 ( )

1 )(

1 ( )

2 1

T T

T T

P

T k

T T

k

3

2 1

2

2.2.2.5 Phương pháp tối ưu đối xứng

Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp tối ưu độ lớn có nhượcđiểm là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ 0 và códạng hình chữ S Trong trường hợp này, có thể chọn tham số PID theonguyên tắc tối ưu đối xứng

Đối với đối tượng điều khiển là khâu tích phân-quán tính bậc nhất:

Hàm truyền đạt của đối tượng:

) 1 ( )

(

1s T s

k s

T k

Bộ PI này có các tham số xác định như sau :

- Xác đinh a từ độ quá điều chỉnh h cần có của hệ kín theo:

) ( ln

) ( ln 4 1

2

h a

D

D h

Đối với đối tượng điều khiển là khâu tích phân-quán tính bậc hai:

Hàm truyền đạt của đối tượng:

Bộ điều khiển tối ưu đối xứng sẽ là bộ điều khiển PID:

s T

s T s T k

s T s T k

s

R

I

B A

p D

I p

) 1 )(

1 ( )

1 1 ( )

chỉnh càng nhỏ Để hệ kín không có dao động, chọn a4 Hệ kín sẽ không ổnđịnh với a1.

- Tính TB = aT2 Từ đó suy ra TI = TA + TB và

I

B A D

T

T T

T

T k k

Ta coi hệ thống có hằng số thời gian cơ học lớn hơn hằng số thời gian điện

từ của mạch phần ứng Vậy, trong trường hợp này có thể bỏ qua ảnh hưởngcủa sức điện động phần ứng Cấu trúc vòng điều chỉnh dòng của động cơđược xây dựng như hình 2.10

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc vòng điều chỉnh dòng điện

Trong hệ thống này động cơ được cấp nguồn từ chỉnh lưu và tín hiệu phảnhồi dòng được lấy từ cảm biến dòng

Hàm truyền của khâu chỉnh lưu:

1 )

(





s T

k s

W

r

r r

trong đó: k r , T r là hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của chỉnh lưu

k

r

r

 1

RI

s T

R

A

A

 1

/ 1

i* A

s T

k

i

i

 1

1