Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều

Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệtruyền động ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phíthấp, và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầ

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cho đến nay động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trongngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điệnmột chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí,

ở các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tayRobot Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp điện tử với độ chínhxác cao, lắp ráp trong các dây chuyển sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiểntốc độ

Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên Tôi xây dựng đề tài luận văn tốt

nghiệp “ Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều “

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệđiều khiển tự động Tuy nhiên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiểnkhác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau Do đó cần tiềnhành nghiên cứu, tìm ra phương pháp nghiên cứu cụ thể cho từng đốitượng Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệtruyền động ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phíthấp, và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóatruyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất

Động cơ điện một chiều dùng trong các hệ truyền động điện đòi hỏichất lượng cao Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyềnđộng điện này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu chặt chẽ Và nói chungphần lớn các hệ thống truyền động thực tế đều có cấu trúc và tham sốkhông cố định hoạc không thể biết trước

Đối với động cơ điện một chiều, các thông số thường bị thay đổi làmảnh hưởng chất lượng điều chỉnh, cụ thể: Khi mạch từ của máy điện bị bãohòa làm điện cảm phần ứng Lu của động cơ suy giảm Điện trở mạch phầnứng Ru của máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, do đó hằng số thờigian của mạch phần ứng Tu = Lu/Ru cũng thay đổi theo quá trình làm

việc Với mạch kích từ, từ thông Ф có thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thờigian cơ học Tc cũng thay đổi Khi xét đến tải của các hệ truyền động thìmomen quán tính của tải thường bị thay đổi, làm cho momen quán tính của

hệ qui đổi về trục của động cơ bị thay đổi

Với các lý do trên tác giả chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế

bộ điều khiển bền vững tốc độg động cơ điện một chiều khi các thông sốcủa động cơ thay đổi làm đề tài nghiên cứu với mong muốn đạt được đápứng ngõ ra và các đặc tính của hệ thống điều khiển thỏa mãn các yêu cầu

đề ra

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU

CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ 1.1 Điều khiển tối ưu động cơ một chiều

1.1.1 Khái niệm

Một hệ điều khiển được thiết kế ở chế độ làm việc tốt nhất là hệ luôn

ở trạng thái tối ưu theo một tiêu chuẩn chất lượng nào đó ( đạt được giá trịcực trị ) Trạng thái tối ưu có đạt được hay không tùy thuộc vào yêu cầuchất lượng đặt ra, vào sự hiểu biết về đối tượng và các tác động lên đốitượng, vào điều kiện làm việc của hệ điều khiển

…

Hệ thống điều khiển như hình trên bao gồm các phần tử chủ yếu : đối tượng điều khiển ( ĐTĐK ), cơ cấu điều khiển ( CCĐK ) và vòng hồi tiếp (K) Với các ký hiệu :

x0 : tín hiệu đầu vào

u : tín hiệu điều khiển

1.2 Điều khiển PID động cơ một chiều

1.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều khiển PID (hình 1.4) gồm có ba thành phần làkhâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụngthuật toán PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau

đó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn Một cách tổng quát, có ba thuậttoán cơbản được sử dụng là P, PI và PID

Hình 1 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 (hình1.5) Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về0 sao cho quátrình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơbản 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 vẫn còn 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 1 3 Điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID

Mô tả toán học bộ điều khiển PID bằng mô hình toán học:

CHƯƠNG II MÔ TẢ TOẢN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

KHI CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI 2.1 Chế độ xác lập động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dâyquấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thong

 Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấnphần ứng sẽ có một dòng điện chạy qua Tương tác giữa dòng điện phầnứng và từ thông kích từ tạo thành Momen điện từ, giá trị của Momen điện

tử được tính như sau:

(2.1)Trong đó:

p’ – số đôi cực của động cơ

N- Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

a- Số mạch nhánh song song cỉa dây quấn phần ứng

k= pN/2π.a – hệ số kết cấu của máy

Momen điện tử kéo cho phần ứng quay quanh trục, cấc dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm sức điện động

(2.2)Trong đó Φ tốc độ góc của roto

Trong chế độ xác lập có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng

(2.3)Trong đó Ru- điện trở mạch phần ứng động cơ

Nếu các thông số động cơ là không đổi thì có thể viết được phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau:

Mạch kích từ có hai biến: dòng diện kích từ ik và từ thông máy phát

là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa cửa lõi sắt

(2.4)

Trong đó:

Nk- số vòng dây quấn cuộn kích từ

Rk- điện trở cuộn dây kích từ

Mạch phần ứng

(2.5)Hoặc dạng dòng điện

(2.6)Trong đó:

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập ( NN =0 ) thì có thể viết các phương trình sau:

Mạch phần ứng

(2.8)Mạch kích từ

(2.9)Phương trình chuyển động cơ học:

(2.10)Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số

(2.11)

(2.12)phương trình của động một chiều kích từ độc lập

Hình 2 2 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập

2.2 Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi

Khi dòng điện kích từ độc cơ không đổi hoạc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số

Hình 2 3 Cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG (H ∞ )

3.1 Giới thiệu

Các động cơ một chiều và bộ điều khiển của chúng được sử dụngrộng rãi trong nhiều quá trình công nghiệp và các ứng dụng gia đình khácnhau, ví dụ như xe lăn điện, robot, máy cán …, nhiều ứng dụng yêu cầu sựđiều khiển tốc độ rất chính xác Tuy nhiên, các động cơ DC không ổn địnhtrong hoạt động của chúng do bởi các tham số hệ thống có thể biến đổitheo thời gian Các thay đổi này thường là do độ chính xác cảm biến dòngđiện, sự tăng nhiệt độ và sự thay đổi trong điều kiện làm việc, và các sailệch cảm biến khác Trong nhiều năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã đượcthực hiện cho những kỹ thuật điều khiển mới khác nhau để cải thiện sựhiệu chỉnh tốc độ của hệ thống động cơ DC, ví dụ như kỹ thuật điều khiển

số, điều khiển cấu trúc biến đổi thích nghi, điều khiển PID tối ưu , điềukhiển mạng nơ ron nhân tạo tự chỉnh một bộ điều khiển thích nghi được

đề xuất để chống lại các biến đổi tham số máy và duy trì hiệu suất tốt ngay

cả khi động cơ DC ở tốc độ thấp Dựa vào các bộ điều chỉnh toàn phươngchuyển mạch, một bộ điều khiển tốc độ động cơ DC hiệu quả được đưa ra

và tính bền vững hiệu quả của nó được chứng minh đặc biệt tốt cho các bấtđịnh tham số lớn

Các lý thuyết điều khiển bền vững đã được phát triển mạnh và được

áp dụng rộng rãi để thảo luận các bài toán trong thiết kế hệ thống điềukhiển tốc động động cơ DC Tôi đề xuất một cấu trúc điều khiển tối ưu H∞

bền vững sử dụng phương pháp LMI cho hệ thống điều khiển động cơ DC

mà dựa trên một động cơ DC tuyến tính với các tham số thay đổi Bất chấp

sự phức tạp này, các bộ điều khiển H∞ bền vững vẫn được sử dụng rộngrãi do sự bền vững và hiệu suất của chúng, và lý thuyết điều khiển tối ưu

H∞ bền vững tốt hơn kỹ thuật điều khiển H∞ bền vững kinh điển và PID,

do bởi sự thiếu bền vững của bộ điều khiển PID và hiệu suất không tối ưucủa lý thuyết điều khiển H∞ bền vững thông thường

3.2 Mô hình hóa

3.2.1 Bộ chỉnh định điều khiển động cơ DC

Bộ chỉnh định điều khiển động cơ DC (DC Motor Control Trainer –DCMCT) của Quanser là một hệ thống có khả năng minh họa lý thuyết

điều khiển tự động động cơ bằng thực tiễn trong một số cách khác nhau[1] Phần cứng DCMCT bao gồm bo mạch được trình bày ở Hình 1 Đặctrưng rõ rệt nhất của DCMCT là bánh xe gắn vào một động cơ DC vớienconđơ, bánh xe cung cấp một tải quán tính cho các thí nghiệm Động cơ

DC được truyền động bởi một bộ khuếch đại công suất tuyến tính, và côngsuất tới hệ thống được phân phối từ một biến áp treo Giao diện với một

PC hoặc laptop thông qua một kết nối cổng nối tiếp Sự điều khiển đượcthực hiện sử dụng DSP hoặc PC, và bộ điều khiển hoặc được lập trìnhhoặc được thiết kế sử dụng các công cụ thương mại như Simulink

Hình 3 1 Bộ luyện điều khiển động cơ DC

Bảng 1: Các giá trị danh định và sự biến thiên các tham số

Ký hiệu Giá trị danh định Đơn vị Biến thiên

3.2.2 Mô hình chỉnh định điều khiển động cơ DC

Hình 3.2 biểu diễn một cấu trúc kinh điển của mạch phần ứng củamột động cơ DC tiêu chuẩn Trong phần tiếp theo, mô hình toán cho hệthống động cơ DC được xây dựng thông qua các nguyên tắc ban đầu

Hình 3 2 Mạch điện động cơ DC

Từ hình 3.2, chúng ta có thể xác định mối quan hệ điện mà đặc trưngcho một động cơ DC tiêu chuẩn Sử dụng luật Kirchhoffs điện áp, ta nhậnđược các phương trình như sau

Trong đó Vm ký hiệu cho điện áp từ bộ khuếch đại mà truyền độngđộng cơ, Rm là trở kháng phần ứng động cơ, Im là dòng phần ứng động

cơ, km là hệ số mô men động cơ, Lm là cảm kháng phần ứng động cơ Bỏqua hệ số ma sát trong hệ thống, cơ học của rô to động cơ với bánh xequán tính được gắn vào được xác định bởi định luật 2 Newtons của chuyểnđộng mà thể hiện sự bảo toàn của động lượng góc Điều này được thể hiệndưới đây

Trong đó mô men tương đương quán tính của rô to động cơ và tảiđược biểu diễn bởi Jeq = Jm + Jl, Jm là mô men quán tính của rô to động

cơ, J1 là mô men quán tính của tải quán tính Từ công thức (1) và côngthức (2), phương trình trạng thái và phương trình đầu ra của động cơ DCđược biểu diễn như sau

Các giá trị danh định và các biến đổi các tham số được liệt kê trong Bảng

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 4.1 Mô phỏng

Mô hình mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink

(Mathworks) được thể hiện trên hình 4.1

Load

x' = Ax+Bu

y = Cx+Du Hin controller

KPhi G8

Hình 4 1 Mô hình mô phỏng hệ thống

State-Space: Mô hình trạng thái động cơ một chiều

Hin controller: Bộ điều khiển bền vững

Cấu trúc mô phỏng Bộ điều khiển bền vững có dạng sau

4378447 0.03303936

8115498 2.52232402

-1735005 0.00381955

7209382 0.00173562

7685456 0.13239509

-1699620 0.00004856

4428672 0.00168312

4428672 0.00168312

-3306781 0.24858843

-4235088 0.00383594

Đáp ứng tốc độ động cơ trong miền thời gian

Hình 4 2 Đặc tính tốc độ động cơ mô phỏng bộ điều khiển bền vững

4.2 Thực nghiệm

4.2.1 Thiết bị thực nghiệm

4.2.1.1 Động cơ một chiều

Hình 4 3 Động cơ một chiều

Hãng sản xuất: YASKAWA – JAPAN

Điện áp định mức: 24V

Công suất định mức: 50W

Tốc độ định mức: 3000(vòng/phút)Enconder : 5V, 400 xung/vòng

4.2.1.2 Bo mạch ghép nối hệ thống và máy tính

Hình 4 4 Bo mạch Arduino Uno

Toc do dat

1 Toc do

x' = Ax+Bu

y = Cx+Du Hin controller

Hình 4 6 Cấu trúc thực nghiệm điều khiển bền vững động cơ một chiều

Hin Controller: Bộ điều khiển bền vững

Cấu trúc thực nghiệm Bộ điều khiển bền vững có dạng sau

4378447 0.03303936

8115498 2.52232402

-1735005 0.00381955

7209382 0.00173562

7685456 0.13239509

-1699620 0.00004856

4428672 0.00168312

4428672 0.00168312

-3306781 0.24858843

-4235088 0.00383594

1 current

Saturation

floor Rounding Function1

0.0390625 Gain2

0.375 Gain

Arduino1 Encoder Read (#0) Encoder Read

512 Constant filter

filter

Arduino1 Digital Write Pin 9 Arduino Digital Write

Arduino1 Analog Write Pin 5 Arduino Analog Write

Arduino1 Analog Read Pin 4 Arduino Analog Read

2

REF

1

DIR

Hình 4 7 Chi tiết khối Động cơ một chi4.2.3 Kết quả thực nghiệm

4.2.3.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bước nhảy khi không tải

Tín hiệu đặt Nref = 1000 v/ph

Đáp ứng tốc độ động cơ

Hình 4 8 Đáp ứng tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt hàm bước

nhảy

Dòng điện phần ứng động cơ

Hình 4 9 Dòng điện động cơ khi không tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy

Sai lêch tốc độ động cơ so với tín hiệu đặt

Hình 4 10 Sai lệch tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt hàm

bước nhảy

4.2.3.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bước nhảy khi có tải

Hình 4 12 Dòng điện động cơ khi có tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy

Sai lêch tốc độ động cơ so với tín hiệu đặt

Hình 4 13 Sai lệch tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy

4.2.3.3 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bậc thang khi không tải

Tín hiệu đặt Nref = {1000 v/ph; 750 v/ph}

Đáp ứng tốc độ động cơ

Hình 4 14 Đáp ứng tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt thay đổi

Dòng điện phần ứng động cơ

Hình 4 15 Dòng điện động cơ khi không tải, tín hiệu đặt thay đổi

Sai lêch tốc độ động cơ so với tín hiệu đặt

Hình 4 16 Sai lệch tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt thay đổi

4.2.3.4 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bậc thang khi có tải

Tín hiệu đặt Nref = {1000 v/ph; 750 v/ph}

Đáp ứng tốc độ động cơ

Hình 4 17 Đáp ứng tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt thay đổi

Dòng điện phần ứng động cơ

Hình 4 18 Dòng điện động cơ khi có tải, tín hiệu đặt hàm bậc thang

Sai lêch tốc độ động cơ so với tín hiệu đặt

Hình 4 19 Sai lệch tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt thay đổi