XÂY DỰNG cấu TRÚC điều KHIỂN ổn ĐỊNH tốc độ ĐỘNG cơ

Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền độngbằng cơ khí của máy như tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ động cơ truyền động Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC

ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU 1.1 Đặt vấn đề

Trong các dây truyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệpluôn có các máy sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có nhiều cấp tốc độ tùy theocông tác sản xuất mà để điều chỉnh tốc độ cho phù hợp với quy trình công nghệ

Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền độngbằng cơ khí của máy như tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ động cơ truyền động

Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là thay đổi tốc độ động cơ để phù hợpvới yêu cầu sản xuất muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải dựa vàonhiều yếu tố nguồn điện, tải, trong mỗi một yếu tố này thay đổi thì tốc độ động

cơ đều thay đổi ứng với mỗi yếu tố ta có một phương pháp điều chỉnh tốc độđộng cơ tương ứng

Trong thực tế điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều hiện nay có haiphương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơđiện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp chomạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ trong các nhà máy sản xuấthiện nay có 4 bộ biến đổi

- Bộ biến đổi máy điện gồm : động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuyếch đại (KĐM)

- Bộ biến đổi điện từ : khuyếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu thysistor

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: thysistor hoặc transistor

1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn

cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền độngđiện:

1.2 1 Hướng điều chỉnh tốc độ

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơnhay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đườngđặc tính cơ tự nhiên

1.2.2 Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh)

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bénhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D =

nmax/nmin

Trong đó:

- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học

- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thườngngười ta chọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu củatừng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

1.2.3 Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ

Độ cứng:  = M/n Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghĩa

là độ ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều Phương pháp điềuchỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng củađường đặc tính cơ Hay nói cách khác  càng lớn thì càng tốt

1.2.4 Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điềuchỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

 = ni/ni+1

Trong đó:

- ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i

- ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 )

Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó

 tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục.Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điềuchỉnh tốc độ vô cấp

  1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp

1.2.5 Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suấtlàm việc của động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphu ở mức thấpnhất

1.2.6 Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất làmột hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấpnhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫncho nhau

1.3 Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồnđiều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ…Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòngmột chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu

- Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt

vào phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên đượcdùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có

thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb Phương pháp nàyđược dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bàogiường Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổnthất năng lượng ít, mang tính kinh tế Thiết bị đơn giản

1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng:

- Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở

phụ trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb

- Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho

cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

- Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng

vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độkhi phụ tải thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càngthấp thì tổn hao phụ càng tăng

1.3.5 Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát - động cơ ( F - Đ )

- Ưu điểm:

+ Hệ thống này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh rộng:

D = ( 10  30 )/1 bởi vì quá trình điều chỉnh được thực hiện bằng mạch kíchthích của máy phát và động cơ Có thể dùng phương pháp biến trở

+ Hệ thống có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năngquá tải lớn nên thường được sử dụng ở các máy khai thác trong công nghiệpnhỏ

- Nhược điểm:

+ Dùng 4 máy để quay nên khi làm việc sẽ gây tiếng ồn lớn, chiếm nhiềudiện tích để đặt máy Đồng thời tổng công suất đặt vào hệ thống F - Đ quá lớn:Gấp 3 lần so với yêu cầu nên vốn đầu tư lớn

+ Hiệu suất hoạt động của hệ thống tương đối thấp:

 = Pcơ2/Pđ < 0,75+ Đặc tính cơ dốc nên khi có dao động ở phụ tải thì thể hiện rõ hơn nữa.+ Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trể nênkhó điều chỉnh sâu tốc độ

 Kết luận

Trong các phương pháp trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cáchđiều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau :

1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệtđể) hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao côngsuất điều khiển nhỏ.

2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômenngắn mạch giảm, dòng ngán mạch giảm Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởiđộng động cơ

3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điềuchỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục

Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏiphải có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và

ưu đIểm của nó Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

1.4 Điều khiển ổn định tốc độ bằng máy tính thông qua card DSP 1104

Ứng dụng kỹ thuật điều khiển số trong các hệ điều khiển chuyển độngmang lại nhiều tính năng vượt trội so với kỹ thuật điều khiển chuyển độngtruyền thống như: linh hoạt trong việc thay đổi thông số bộ điều chỉnh khi yêucầu công nghệ thay đổi, thay đổi các phương pháp điều khiển tiên tiến; tăng khảnăng chống nhiễu Tuy nhiên để thực hiện một bộ điều chỉnh số lại mất nhiềuthời gian và gặp nhiều khó khăn

Trong cả hai công đoạn trên thì mô phỏng thời gian thực là rất cần thiết.Tốc độ tính toán yêu cầu cho mô phỏng thời gian thực phụ thuộc vào đặc điểmcủa mô hình được mô phỏng Với những mô hình phức tạp, số lượng phép tínhlớn thì thời gian mô phỏng là vấn đề cần được quan tâm

DS1104 là Card điều khiển số do hãng dSPACE của Đức sản xuất dựatrên bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) dấu phẩy động(floating-point) thế hệ thứ ba, họ TMS320Cxx của hãng Texas Instruments(Mỹ) DS1104 được thiết kế đặc biệt để phát triển các bộ điều khiển số đa biếntốc độ cao và mô phỏng thời gian thực Nó thường được dùng trong các lĩnh vựcsau:

Hạt nhân của DS1104 là bộ xử lý tín hiệu số dấu phẩy động point) thế hệ thứ ba TMS320F240 của hãng Texas Instruments Bộ xử lý tín hiệu

(floating-số được bổ sung thêm một loạt thiết bị ngoại vi thường được sử dụng trong các

hệ thống điều khiển số Các bộ biến đổi tương tự-số và số-tương tự, một bộ xử

lý tín hiệu số dựa trên các hệ con vào ra số và các giao diện cảm biến so lệch(incremental sensor) làm cho DS1104 trở thành một giải pháp bo mạch đơn lýtưởng cho một dải rộng các bài toán điều khiển số

DS1104 là Card được thiết kế theo chuẩn PC/AT, do đó nó có thể cắmvào máy tính qua cổng mở rộng ISA Nó cũng có thể gắn vào hộp mở rộngdSPACE giao tiếp với máy tính, vì vậy tác giả đi theo hướng nghiên cứu, ứngdụng Card DS1104 để điều khiển tốc độ cho động cơ 1 chiều

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được một số vấn để sau:

- Tổng quan được các vấn đề điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

- Đã đưa ra được các phương pháp điều khiển tốc độ độngcơ 1 chiều

hệ thống Nếu thiếu chính xác thì hệ thống có thể làm việc kém chất lượng hoặckhông làm việc được Vì vậy việc xây dựng mô hinh toán học phải đáp ứngđược các yêu cầu sau:

- Về mặt kỹ thuật phải đảm bảo yêu cầu công nghệ và các thông số phùhợp với thiết bị

- Về mặt kinh tế, các thông số tính toán được chọn trong khi thoả mãn cácyêu cầu kỹ thuật phải đảm bảo có chi phí mua sắm hợp lý…

Trong luận văn này tác giả đi xây dựng hệ điều khiển ổn định tốc độ động

cơ một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập tuy cấu tạophức tạp đắt tiền song mômen (M=const) dễ dàng điều chỉnh tốc độ, độ ổn địnhtốc độ do đó đáp ứng được yêu cầu của hệ thống Ta chọn động cơ một chiều có

mã hiệu và bảng thông số như sau:

Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều

Pha 1: Từ trường của

rotor cùng cực với stator,

sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển

động quay của rotor

Pha 2: Rotor tiếp tụcquay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽđổi cực sao cho từ trường giữastator và rotor cùng dấu, trở lạipha 1

Hình 2.2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều

2.1.2 Xây dựng mô hình toán học dưới dạng hàm truyền của động cơ

Ở phần trên ta đã chọn loại động cơ một chiều kích từ độc lập và động cơmột chiều kích từ động lập có phương trình vi phân:

u=IdRu+Lu

E dt

1 (2.3)

Ta có E = ke.n (2.4)

d m

u

T dE I

R dt

 (2.5)Thay vào (2.4) , (2.5) vào (2.3)

u-ke.n = Tm.ke 1 22

dt

n d k T T dt

dn

e m

 (2.6)



 : hệ số mômen với kích từ độc lập của động cơ N / m2

Với điều kiện ban đầu bằng 0 Biến đổi laplace hai vế của (2.6) thay thế ta được:

W(s) = 2 1

1 ) (

) (







s T s T T

K U

N

m m

Vậy ta có :

2.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển ổn định tốc độ động cơ

2.2.1 Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý điều khiển

Hệ điều khiển ổn định tốc độ động cơ nói chung và hệ điều khiển ổn địnhtốc độ động cơ điện một chiều nói riêng có cấu trúc gồm 3 phần:

- Bộ điều khiển

- Đối tượng cần điều khiển

- Phản hồi (cảm biến)

Từ phân tích ở trên và theo tài liệu [1], ta xây dựng được sơ đồ khối nguyên lýđiều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều như hình 2.2:

Hình 2.2: Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển ổn định tốc độ

2.2.2 Xây dựng hàm truyền hệ thống

2.2.2.1 Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi

Trong chỉnh lưu dùng Tiristor nếu bỏ qua thời gian chuyển đổi của cácTiristor (các Tiristor mở tức thời) thì mạch động lực mô tả bằng khâu tỷ lệ, cònmạch tạo xung do thời điểm xuất hiện xung phải đồng bộ với điện áp anốt Vìvậy khi tín hiệu điều khiển thay đổi để điện áp ra thay đổi được phải mất mộtkhoảng thời gian để chờ đổng hồ do đó được mô tả khâu trễ với thời gian trễ nhỏnhất bằng không

Thời gian trễ gần đúng trung bình được xác định:  = 1

2mf (2.10)Với n là số đỉnh nhọn của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn Sơ

đồ chỉnh lưu là sơ đồ hình tia ba pha  m = 3.Tần số điện áp nguồn

f = 50(Hz) Hằng số thời gian của bộ biến đổi là:

! 2

) (

! 1

) (

! 0

) (

1 2 1

0

n

n st st

st st

(2.13)

Với tín hiệu điều khiển U dk 220 V và điện áp ra U d 10 V

Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi K  T 22

Bộ điều khiển Bộ biến đổi

2.2.2.2 Xây dựng hàm truyền cảm biến

Để đảm bảo điều khiển ổn định tốc độ động cơ đạt chất lượng khi xét đến

sự thay đổi tải thì ta cần phải tách động cơ thành 2 thành phần: Phần điện vàphần cơ tương ứng là phản hồi dòng điện và phản hồi tốc độ như hình 2.3:

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển ổn định tốc độ (2 mạch vòng điều khiển)

a Tính chọn khâu phản hồi tốc độ

Máy phát tốc là một thiết bị phát ra điện áp tỷ lệ với tốc độ quay của động

cơ, máy phát tốc được nối cứng trục với động cơ thông qua bộ truyền tốc độ.Căn cứ vào tốc độ định mức của động cơ và sai lệch tĩnh của hệ thống ta chọnmáy phát tốc có các thông số sau:

B ng 3.4 S li u máy phát t cảng 3.4 Số liệu máy phát tốc ố liệu máy phát tốc ệu máy phát tốc ố liệu máy phát tốc

Mã hiệu Uđm (V) Iđm(A) nđm (v/ph) Rư () Pđm

Vì động cơ máy phát tốc không cùng tốc độ nên ta phải sử dụng bộ truyền động

cơ khí với tỷ số truyền như sau:

i = 1500 1 5

1000

dc FT

 chọn U cdmax  10 10 0 0067



Tín hiệu phản hồi âm tốc độ Uph = -n là tín hiệu đặt Với hệ số  ta chọn 

= 0,0067 (V.s), được tổng hợp và khuếch đại bằng mạch KĐTT (bộ điều chỉnhtốc độ)

b Tính chọn khâu phản hồi dòng điện

Tín hiệu phản hồi dòng điện được lấy từ máy biến dòng mắc ở ba pha củamạch động lực Sau đó được đưa tới bộ tổng hợp tín hiệu có hệ số phản hồi dòng

là  Đầu ra của bộ này là I được đưa vào mạch tổng hợp và khuếch đại bằngmạch KĐTT (bộ điều chỉnh dòng điện)

(-Ta xét đầu vào của mạch vòng trong là 10(V) và dòng điện ở đầu ra là150(mA) Nên ta sẽ có hệ số phản hồi dòng điện là:

10 0 067

2.3 Thiết kế thuật toán toán điều khiển bằng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bảntrong bộ điều khiển : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D)

- Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I)

- Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D)

Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISOtheo nguyên lý phản hồi (feedback) như hình 2.5:

Bộ điều khiển PID được mô tả:

D I

P

Việc xác định các thông số KP, TI, TD quyết định chất lượng hệ thống và ta

có các phương pháp thường gặp:

- Phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t)

- Phương pháp thiết kế trên miền tần số

- Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng

2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)

2.3.1.1 Phương pháp Ziegler – Nichols

2.3.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

2.3.1.3 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn

2.3.2 Thiết kế điều khiển ở miền tần số

2.3.2.1 Nguyên tắc thiết kế

Một hệ thống điều khiển được mô tả:

P I D

u(t)

u

P

uI u

Hình 2.4: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID)

Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được tín hiệu vào u(t).Nếu một cách lý tưởng thì hàm truyền hệ kín:

 s W  s 1W

1

s W s W s

W

dt dk

dt dk



 hay Wkj   1 (2.23)Vậy ta cần phải xác định cấu trúc và tham số bộ điều khiển với mọi

2.3.2.2 Phương pháp tối ưu modul

2.3.2.3 Phương pháp tối ưu đối xứng

Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng thuộc lớp II

+ Đối tượng :   Ts1 T s

K s

Tham số cần thiết kế là KP và TI : Theo tài liệu Lý thuyết điều khiển tuyếntính thì để thoả mãn Wkj   1 TI = aT với a  4:

2.3.2.4 Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được

Phương pháp hệ số suy giảm (Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suygiảm thay đổi được) dựa vào đa thức chuẩn bậc 2 được nghiên cứu đầy đủ đểtổng quát cho bậc cao hơn

Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được cho hệ bậc hai:

Giả sử hệ bậc 2 có hàm truyền

 

2 0

0: tần số riêng

+ Với  1 hệ không có độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ ngắn

+ Với  0.707 trị số này tương ứng với độ quá điều chỉnh 5% và đượcxem như tối ưu trong lĩnh vực điều khiển các đối tượng công nghiệp

+ Với  0.5` thì độ tác động nhanh tốt nhưng độ quá điều chỉnh lớn vàthường dùng trong các hệ truyền động

+ Khi hệ số suy giảm thay đổi, làm chất lượng của hệ thay đổi, khảo sátchất lượng của hệ khi  thay đổi bằng Sumulink ta có kết luận:  càng nhỏ độquá điều chỉnh càng tăng lên

Ta có :

2 1

0 2

a4

a a

  (2.31)Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được cho hệ bậc cao:

+ Đối tượng :

2.3.2.5 Xác định các thông số của bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn phẳng

Theo tiêu chuẩn phẳng hệ có hành vi tích phân

Tsk : Là các hằng số thời gian lớn của đối tượng

Tbj : Là các hằng số thời gian bé của đối tượng