Xây dựng hệ điều khiển bám tốc độ cho động cơ một chiều với tín hiệu đặt có dạng hàm bậc 1 và hàm bậc 2 theo các tiêu chuẩn tối ưu cho module va tối ưu cho module đối xứng , so sánh giữa hai phương án

Ch ương 1: Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều ng 1: Xây d ng mô hình đ ng c đi n m t chi u ựng mô hình động cơ điện một chiều ộng cơ điện một chiều ơng 1: Xây dựng mô hình động cơ đ

Lời nói đầu

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần không nhỏ vào thành công đó Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ Từ trước đến nay, động cơ một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những hệ thống yêu cầu cao Vì vậy em được giao đề tài bài tập lớn là Đề 30 : Xây dựng hệ điều khiển bám tốc độ cho động cơ một chiều với tín hiệu đặt có dạng hàm bậc 1 và hàm bậc 2 theo các tiêu chuẩn tối ưu cho module va tối ưu cho module đối xứng , so sánh giữa hai phương án

Động cơ có các tham số sau đây:

Sinh viên thực hiện

Đỗ Đức Nam

M c L c ục Lục ục Lục

Chương 1: Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều 31.1: Động cơ điện một chiều 31.2 Mô hình toán động cơ điện một chiều 8Chương 2: Xây dựng mô hình điều khiển bám tốc độ và tính chọn các bộ điều khiển 132.1.Xây dựng mô hình điều khiển bám tốc độ 132.2.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul 132.3.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng 14Ω2.4Ω.Tính chọn các bộ điều khiển 14ΩChương 3 : Mô phỏng trên Simulink 163.1 Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul 163.2 Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng 19

Ch ương 1: Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều ng 1: Xây d ng mô hình đ ng c đi n m t chi u ựng mô hình động cơ điện một chiều ộng cơ điện một chiều ơng 1: Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều ện một chiều ộng cơ điện một chiều ều

1.1: Động cơ điện một chiều

Khái niệm

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện

từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một và chodòng điện chạy qua dây dẫn thì trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vàodây dẫn) vàlàm dây dẫn làm dây dẫn chuyển động Động cơ điện biến đổi điệnnăng thành cơ năng

a Cấu Tạo

Gồm hai phần: - phần đứng yên stato (gọi là phần tĩnh)

- phần chuyển động roto (gọi là phần quay)

Hình 1.1: Mặt cắt ngang trục máy động cơ điện một chiều

1.1.1: Phần tĩnh hay stato

Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường Gồm cómạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ đượckích từbằng nam châm điện)

- Mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc)

- Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dâyđiện từ (êmay) Các cuộn dây điện từ nay được nối tiếp với nhau.

a Cực từ chính

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồngngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thépcacbon dày 0,5 đến 1mm gắn lại và tán chặt.Trong động cơ điện nhỏ có thể dùngthép khối Cực từ từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từđược quấn bằng dây đồng bọc cách điện 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 dâykích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

b Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chínhvà dùng để cải thiện đổi chiều.Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ cóđặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắnvào vỏ máy nhờ những bulông

c Gông từ

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trongđộng cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điệnlớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

d Các bộ phận khác

Bao gồm:

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dâyquấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắpmáy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làmbằng gang

- 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 chặy lên cổ

than có thể quay được để điều chỉnhvị trí chổi than cho đúng chỗ.Sau khi điềuchỉnh xong thì dùng vít cố định lại.

1.1.2 Phần quay hay rôto

Bao gồm những bộ phận chính sau:

Là phần sinh ra suất điện động Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt

từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có sẻ rãnh đẻ lồng dây quấnphần ứng (làm bằng dây điện từ)

Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối vơi nhau quy luật nhất định Mỗibối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồnggọi là phiến góp

Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là

cổ góp hay vành góp

Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vàothành cổ góp nhờ lò xo

a Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày

0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi Gắn chặt lại để giảm tổn hao do dòngđiện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi Gắn lại thì dặtdây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thônggió để khi Gắn lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành nhữngđoạn nhỏ, giữa những đoạn đó có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máylàm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được Gắn trực tiếp vàotrục Trong động cơ điện lớn giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto cóthể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

b 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 điệnnhỏ 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 rãnhcủa lõithép Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm

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

a Cổ góp

Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4Ω đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V gắn chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử

1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non,cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đốidiện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái củaFleming Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay Đểlàm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyểnmạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặt củacuộn dây song song với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơbằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quaytheo quán tính

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor

1.1.4Ω Phương pháp kích từ của động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều ngư

ời ta phân loạitheo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗi cách ta cócác loại động cơ điện:

Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng

 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, dây

quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp

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 nối tiếp

d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.2 Mô hình toán động cơ điện một chiều

Động cơ điện 1 chiều có cấu tạo gồm 2 phần là roto và stato Stato được làm bằng sắt hay thép có các cực từ để quấn các cuộn dây Rôt (còn gọi là phần ứng) quay quanh trục và được cấp điện từ bên ngoài thông qua chổi than và cổ góp

Mô hình cấu tạo động cơ có thể được minh họa như hình vẽ

Hình1.3: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều

Xét 1 động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp với 2 cuộn dây CKĐ và CKN khi đó động cơ 1 chiều được mô tả bằng 3 phương trình toán sau

E: suất điện động động cơ E k

N

N : số cuộn dây cuộn CKN

Dấu “ ” mô tả cuộn kích từ nối tiếp cuốn cùng hay ngược chiều với cuộn kích từ độc lập

Trong đó Me k I  u (momen điện của động cơ)

Mc : Momen cản đặt vào động cơ

N s

N c

N N

Hình 1.4: Mô hình toán động cơ

Trong mô hình này quan hệ giữa  và I k là quan hệ phi tuyến, mặt khác trong nhiều trường hợp quan hệ giữa Mc và  cũng là 1 quan hệ phi tuyến nên

việc thiết kế các bộ điều khiển gặp nhiều khó khăn Vì vậy người ta phải tuyến tínhhóa mô hình động cơ quanh điểm làm việc

1.2.1: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi

(φ=const)

Với các động cơ kích từ độc lập với từ thông không đổi thì ta không cần viếtphương trình mạch kích từ, mô hình động cơ chỉ còn 2 phương trình

 Pt mạch phần ứng

Do chỉ có 1 giá trị của mạch phần ứng mà không có giá trị mạch kích từ nên

ta bỏ các chỉ số u của I u và U u và hiểu rằng các giá trị U, I bây giờ là mạch phần

T s



1

J s

uC

Ch ư ng 2: Xây d ng mô hình đi u khi n bám t c đ và tính ch n các b ựng mô hình điều khiển bám tốc độ và tính chọn các bộ ều khiển bám tốc độ và tính chọn các bộ ển bám tốc độ và tính chọn các bộ ốc độ và tính chọn các bộ ộ và tính chọn các bộ ọn các bộ ộ và tính chọn các bộ

đi u khi n ều khiển bám tốc độ và tính chọn các bộ ển bám tốc độ và tính chọn các bộ

2.1.Xây dựng mô hình điều khiển bám tốc độ

Hình 2.1Mô hình điều khiển bám tốc độ

2.2.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul

Vậy khâu R w làkhâu tỷ lệ (P)

Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống đã mang tải , lúc đó ta không coi Ic là nhiễu nữa

2.3.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng

Vậy R w làkhâu tỷ lệ ,tích phân(PI )

Đây là khâu vô sai bậc 2 đối với đại lương đặt và vô sai bậc 1 với đại lượng nhiễu Ic

2.4.Tính chọn các bộ điều khiển

p= 1+ 0.04 p1.37∗10 −4p=292+ 1

1.37∗10 −4p

Đối tượng điều khiển:(Ki (1+2Tsi))1 =0.0092 s+10.95

Chương 3 : Mụ phỏng trờn Simulink

3.1 Tổng hợp theo tiờu chuẩn tối ưu modul

- Tớn hiệu đặt bậc 1

+Tải dạng bước nhảy

Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng

Hình 3.2: Đặc tính +Tải dạng ngẫu nhiờn

Hình 3.3: : Sơ đồ mô phỏng

H×nh 3.4: §Æc tÝnh

-Tín hịêu đặt dạng bậc 2

+ Tải dạng ngẫu nhiên

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng

Hình 3.6: Đặc tính +Tải dạng bước nhảy

Hình 3.7: Đặc tính

3.2 Tổng hợp theo tiờu chuẩn tối ưu modul đối xứng

- Tớn hiệu đặt bậc 1

+ Với tải ngẫu nhiờn

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏngTrong đú khõu PID cú thông số:

Hình 3.9

Hình 3.10: Đặc tính+ Với tải bước nhảy

Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng

Hình 3.12: Đặc tính

- Tớn hiệu đặt bậc 2

+Với tải bước nhảy

Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng

H×nh 3.14: §Æc tÝnh+Với tải ngẫu nhiên

H×nh 3.15: §Æc tÝnh

Nhận xét:

- Tốc độ bám theo tốc độ đặt

- Với tín hiệu đặt là hàm bậc 1 và hàm bậc 2 thì tốc độ đều là 314Ω

- Với các nhiễu tải khác nhau thì tốc độ không đổi

- Tốc độ động cơ giữa 2 tiêu chuẩn tối ưu modul và tối ưu modul đối xứng đều là 314Ω

- Với tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng thì có độ quá chỉnh nhưng tương đối nhỏ , tiêu chuẩn tối ưu modul thì không có độ quá chỉnh

Tài liệu tham khảo

[1] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi,"Điềuchỉnh tự động truyền động điện",1998

[2] Nguyễn Phùng Quang,"Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều bapha",1998

[3] Bài giảng tổng hợp hệ điện cơ của Trường Đại Học Hàng Hải