Xây dựng bộ điều khiển vị trí của động cơ một chiều kích từ độc lập có bù lượng điều khiển để nâng cao chất lượng

Hình 1.6: Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập1.1.5.Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thàn

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.Khái quát về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạogiống nhau Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phầntĩnh) và phần ứng (phần quay)

1.1.1 Phần cảm (stator)

- Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa

là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạytrong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiênnhau

Hình 1.1: Cực từ chính

- Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông.Là bộ phận sinh ra từtrường,gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.Lõi sắtcực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5 đến 1 mm ép lại

và tán chặt.Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối

- Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện ,có thể gồmcuộn kích từ nối tiếp hoặc kích từ song song

- Cực từ phụ : lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối Cực từphụ được đặt lên các cực từ chính và dùng để cải thiện quá trình đảo chiều.Cóthể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ.Sau khi điều chỉnhxong thì dùng vít cố định lại

- Vỏ máy : để đảm bảo an toàn cho người khỏi chạm vào điện.Làm nhiệm

vụ bảo vệ máy.Phía cổ góp thì nắp có các cửa sổ cúp xuống để thông gió vàtránh nước bắn vào Có thể mở cửa sổ này để quan sát tia lửa điện trên cổ góp

- Cơ cấu chổi than :để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài.Cơ cấu chổithan bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổgóp.Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổitrên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từchính

- Gông từ : dùng làm mạch từ nối liền các cực từ ,đồng thời làm vỏ máy 1.1.2.Phần ứng ( Rotor)

- Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôtor, gồm lõi thép, dây quấnphần ứng, cổ góp và trục máy

Hình1 2: Lá thép rotor

- Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5

mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh

để đặt dây quấn phần ứng (hình 2)

- Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong cácrãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn làmột bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp củavành góp (hình 3a) hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới haicực từ khác tên (hình 3b)

Hình 1.3: Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều a) Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

- Cổ góp ( vành góp) :Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòngmột chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau bằng lớpmica dày từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn

- Ngoài ra còn bộ phận khác như cánh quạt ,trục máy …

1.1.3 Nguyên lý làm việc

- Trên hình 4 : khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trongdây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằmtrong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụnglên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn taytrái (hình 1.4a)

Hình 1.4: Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổithành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tácdụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảmbảo động cơ có chiều quay không đổi

1.1.4 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

- Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉphụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

Ta mắc động cơ theo 2 cách sau :

a.Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từđược mắc song song với mạch phần ứng

Hình1.5a: Mạch kích từ mắc song song mạch phần ứng

b Nếu nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì nguồn kích từ phảiđộc lập với nguồn phần ứng

- Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng :

Uư = Eư + ( Rư + Rf ).Iư (1)

Iư –Là dòng điện mạch phần ứng (A)

Ta có : Mômen điện từ là : M = Κ Ω. Iư ⇒ Iư =

Với M = Κ Ω. Inm =Mnm (Inm và Mnm là dòng điện và moomen ngắnmạch)

Hình 1.6: Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập

1.1.5.Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thànhcác loại 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 cửu, người ta gọi là động cơ điện một chiềukích từ 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 từsong song thường là cuộn chủ đạo

Hình 1.7: 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

1.2.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản vàbền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được phổ biếntrong các hệ điều khiển công nghiệp Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào cáctham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiểnPID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậytrong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp vớithực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác cácthông số và kiểu của đối tượng cần điều khiển Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉchính xác trong giai đoạn tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì cácphương pháp điều khiển kinh điển không thực hiện được

1.2.1.Khái quát về bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại(P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID nhấtthiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P,I hay D và sau đó là đặt tham số cho cácchế độ đã chọn Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P,

PI và PID

Hình 1.8: 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 Bộ PID cónhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãncác yêu cầu cơ bản về chất lượng:

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

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còntạo 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 1.9: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

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

- Phương pháp Ziegler-Nichols

- Phương pháp tối ưu modul

- Phương pháp tối ưu đối xứng

1.2.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

a) Phương pháp Ziegler-Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác địnhtham số bộ điều khiển P, PI hoặc PID bằng các dựa vào đáp ứng quá độ của đốitượng điều khiển Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng , Ziegler và Nicholsđưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:

 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho cácđối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S như lò nhiệt

độ, tốc độ động cơ,…

Hình 1.10: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đốitượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệtruyền động dùng động cơ,… Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến

vô cùng Phương pháp này được thực hiện như sau:

Hình 1.11: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biêngiới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ Tth của dao động

Hình 1.12: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k=k th

b) Phương pháp module tối ưu

Phương pháp module tối ưu là phương pháp lựa chọn tham số bộ điềukhiển PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạnghình chữ S Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 8 Bộ điều khiểnR(s) điều khiển cho đối tượng S(s)

Hình 1.13: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín

Tiêu chuẩn module tối ưu được sử dụng để tổng hợp nên bộ điều khiển vớihàm kín của toàn hệ phải thỏa mãn dạng:

Hàm truyền kín của hệ khi thỏa mãn dạng này sẽ có các đặc điểm sau:

- Vô sai cấp 1 theo tín hiệu điều khiển

R S



F R





Với Ti là những hằng số thời gian nhỏ

Với những hằng số thời gian nhỏ ta có thể xấp xỉ gần đúng bằng cách bỏqua các hệ số bậc cao

Khi đó đối tượng S có dạng: (1 ).(1 )

k S



c) Phương pháp module tối ưu đối xứng

Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp module tối ưu đối xứng

có nhược điểm là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ

0 và có dạng hình chữ S Trong trường hợp này có thể chọn tham số PID theonguyên tắc module tối ưu đối xứng

Tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng sẽ cho hệ

là vô sai cấp 2 và hàm truyền kín mong muốn của hệ đạt được thỏa mãn dạng:

1 4

p F

R S



F R

Theo dạng hàm kín mong muốn ta tìm được bộ điều khiển R có dạng:

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN BÁM 2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng vì nó có nhiều

ưu điểm Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ĐC: Động cơ điện một chiều

Uư: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ

L T R



Trên cơ sở đó ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiềutổng quát:

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc tổng quát động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ

đồ là rất cao Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và cácphương trình tuyến tính hóa được viết như sau:

K.I0 ∆(p) + K.0 ∆I(p) - ∆M0(p) = Jp.∆ωB +∆ω(p)](p)

Từ hệ phương trình trên ta xác định được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa nhưsau:

Hình 2.3: Sơ đồ tuyến tính hóa của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

2.1.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi

Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và không điều khiển từ thôngthì có thể xem từ thông là một hằng số Khi đó, ta không còn mạch kích từ màchỉ còn phương trình cân bằng mạch phần ứng Vì vậy, ta có thể bỏ các chỉ số đểchỉ mạch kích từ và mạch phần ứng Trong trường hợp này mô hình toán củađộng cơ chỉ có hai phương trình là phương trình cân bằng điện áp mạch phầnứng và chuyển động cơ học:

L T R



- Phương trình chuyển động cơ học:

Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi:

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không đổi

2.2 Tổng hợp các bộ điều khiển

Việc tổng hợp các bộ điều khiển R R R I, ,  đều được tiến hành theo phương

pháp tiêu chuẩn module tối ưu hoặc tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng

Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển ba mạch vòng kín là: Bắtđầu từ vòng trong , từng vòng từng vòng một mở rộng ra ngoài Nghĩa là trướctiên ta phải thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi cả mạch vòng dòngđiện là một khâu trong hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế bộ điều chỉnh

tốc độ quay, tiếp tục coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu trong hệ điều chỉnh vịtrí để thiết kế bộ điều chỉnh vị trí

2.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện

Mạch vòng điều khiển dòng điện có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điệnkhi điều khiển động cơ điện một chiều, nó cũng làm hạn chế dòng của động cơkhông vượt quá ngưỡng cho phép Mặt khác, nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiếtlập dòng phần ứng bằng giá trị đặt trước sự tác động của nhiễu

Hình 2.5: Cấu trúc mạch vòng dòng điện.

Đối với động cơ một chiều, bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo 2cách:

- Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng

- Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi tính đến suất điện động phần ứng.Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so vớiquán tính điện, nghĩa là tại một thời điểm có thể xem sự thay đổi về dòng điệnlớn hơn nhiều lần so với sự thay đổi của tốc độ và tại những điểm đó xem nhưtốc độ không đổi Khi cần chính xác ta phải tính đến suất điện động của động cơ

Ta tổng hợp bộ điều khiển dòng RI khi bỏ qua suất điện động phần ứng:

Hình 2.6: Mô hình bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng

Khi đó đối tượng điều khiển dòng SI được tính như sau:

R

S  p  p



Trong mô hình đối tượng SI có các hằng số thời gian TBD, TV, TI là nhữnghằng số thời gian nhỏ, chỉ có Tu là hằng số thời gian lớn nên trước hết ta đơngiản mô hình đối tượng SI về dạng:

(1 )(1 I )

I

K K S

u I

S u

T p R

K K

T p R

2 2

.1

Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ R:

Hình 2.7:Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn moduletối ưu:

S

K F

Hình 2.8: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn

Hàm truyền của khâu đo tốc độ có dạng: 1

K K

2 2

1( )

Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí:

Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị tríđộng cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích

từ độc lập.

Sơ đồ điều khiển vị trí động cơ điện có thể rút gọn lại :

Hinh 2.10 : Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ một chiều kích từ động lập

thu gọn

2.3 Mạch điều khiển khi có bù lượng điều khiển

Hình 2.11: Cấu trúc hệ truyền động loại bỏ nhiễu với bộ bù feedforward

Trên hình 2.11, ta biểu diễn cấu trúc loại bỏ nhiễu mô hình feedforward với Ysp :tín hiệu đặt điều khiển đối tượng; R : bộ điều khiển PID ; G1 là hàm truyền đối tượng; GBÙ là bộ điều khiển bù; GD là hàm truyền khâu đo nhiễu; Y là tín hiệu đầu ra thực

Từ cấu trúc hình trên ta có Y = YD + Y* = YD + G1*(U + UBÙ) = YD + G1*U + G1*UBÙ Muốn khử nhiễu tác động vào đối tượng và giữ cho tín hiệu mong muốn đầu ra không đổi Đặt ra cấu trúc loại bỏ nhiễu D

Mong muốn khử nhiễu YD ⇒ Ubù.G1 + YD = 0 ⇔ Ubù.G1 + D.GD = 0 (1)

Hình 2.12 : Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ một chiều kích từ động lập

thu gọn có bù lượng điều khiển

Chọn hàm truyền khâu đó nhiễu dạng khâu quán tính bậc nhất: Có dạng

Thông số cho trước:

- Pdm = 1.5 KW

- U = 110 V

u u u

( )

1 1 0,066 1 0,066

u D

dm bd

dat

U k

U

11( )

(1 )(1 ) (1 0,003 )(1 0,0015 )

bd BBD