xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ một chiều sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính

Hình 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 c

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu khoa học

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chương 1 Giới thiệu về động cơ một chiều

1.1 Tổng quan động cơ điện một chiều

1.2.Điều khiển động cơ môt chiều

Chương 2 Xây dựng mô hình động cơ môt chiều kích từ độc lập

2.1.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.2.Mô hình điều khiển vị trí cho tuyến tính cho động cơ điện một chiều

Chương 3 Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng

3.1.Tổng hợp các bộ điều khiển

3.2.Kết quả mô phỏng

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hải Phòng, Ngày 10 Tháng 5 Năm 2016 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều 4

1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều 5

1.2.Điều khiển động cơ điện một chiều 6

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 7

2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 7

2.1.1 Thiết bị đo lường 12

2.2 Mô hình điều chỉnh vị trí tuyến tính 13

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 15

3.1.TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 15

3.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 15

3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 17

3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí 20

3.2.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 21

3.2.1.Tính toán thông số 21

3.2.2 Kết quả mô phỏng 24

2

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưalại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoácủa mỗi đất nước Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lýthuyết về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xâydựng các nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong côngnghiệp Là một nước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệphiện đại với nhiệm vụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình công nghiệphoá hiện đại hoá, đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụngmạnh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lạinăng suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thếgiới .Tự động hoá trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệmới nhằm nâng cao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm không những là yêu cầubắt buộc mà hơn nữa còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xínghiệp cũng như toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia

Từ yêu cầu thực tiễn đó thì em đã thực hiện một đồ án môn học môn tổng hợp

hệ điện cơ với đề tài là: “xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ một chiều

sử dụng điều khiển vị trí tuyến tính”.

Trong một thời gian ngắn do vậy đồ án này chắc chắn không khỏi nhữngthiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến đóng gópcủa các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn !

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các

hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều

từ vài W đến hàng MW Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đápứng yêu cầu momen, tăng tốc và hãm với tải trọng nặng Động cơ điện mộtchiều cũng dễ dàng đáp ứng các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độrộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ

Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnhlưu điều khiển Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng.Chỉnh lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha

1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện

Hình 1: Mặt cắt ngang động cơ điện một chiều

Stator : còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tậptrungtrên các cực từ stator Các cực từ stator 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 từbằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy

Rotor : còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấnphần ứng Lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện

ghép cách điện với nhau Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vàocác rãnh trên lõi thép rotor Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhauthông qua các lá góp trên cổ góp Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố địnhtrên trục rotor.

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

1.2.Điều khiển 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 đơn giản,

dễ chế tạo Do đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có yêu cầuchất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người tathường sử dụng động cơ điện một chiều

Đối với các hệ thống truyền động điện có yêu cầu điều chỉnh tốc độthường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ

ĐỘC LẬP

2.1 Động cơ điện một chiều kíchtừ 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 15: 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

 : Tốc độ góc của động cơ

 Mô hình toán ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập

+ Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:







 Mô hình toán ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:

+ Với mạch kích từ: UKT(p) = RKT.IKT + NKT.p(p)

+ Với mạch phần ứng: Uu(p) = Ru.Iu(p) + Lu.p.Iu(p) ± NN.p(p) + E(p)Trong biểu thức trên (-) khi khử từ, dấu (+) khi tham gia từ hóa

+ Phương trình cân bằng momen: M p e( ) M p c( )Jp( )p

Từ phương trình phần ứng ta có:

L T R



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

Hình 16: 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:

- Mạch phần ứng:

U0 + ∆U(p) = Rư [.I0+∆I(p) ] +pL[I0 + ∆I(p)] + K[0 + ∆(p)][ωB +∆ω(p)]B +∆ωB +∆ω(p)](p)]

- Mạch kích từ:

Uk0 + ∆Uk(p) = Rk.[Ik0+∆Ik(p)] +pLk[Ik0 + ∆Ik(p)]

Một cách gần đúng ta có phương trình gia số:

∆U(p) - [k ωB +∆ω(p)]B ∆(p) +k.0 ∆ωB +∆ω(p)](p)] = Rư ∆I(p)(1+ Tư p)

∆Uk(p) = Rk ∆Ik(p)(1+ Tk.p)

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

 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

để chỉ 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:

o Phương trình cân bằng mạch phần ứng:

L T R



o Phương trình chuyển động cơ học:

Jp

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

Hình 18: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không đổi

2.1.1 Thiết bị đo lường

a) Hàm truyền của máy phát tốc

Trong mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỉ lệ vớitốc độ động cơ Để làm được điều đó người ta thường dùng máy phát tốc, nóđược nối cứng trục với động cơ.

Hàm truyền của máy phát tốc :

( )1

Trong đó : T - hằng số thời gian của máy phát tốc

K - hệ số phản hồi của máy phát tốc

b) Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện

Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vàokhống chế hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tín hiệu dòngđiện

Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện nhưng đơn giản nhất có thể dùng làmáy biến dòng

Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:

( )1

I I

c)Hàm truyền của khâu đo vị trí

Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu vị trí:

2.2 Mô hình điều chỉnh vị trí tuyến tính

Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính mà ta nghiên cứu ở đây có bộ điều chỉnh vị trí

Rφ là tuyến tính: giả sử các mạch vòng trong đã được tổng hợp theo phươngpháp modul tối ưu dạng chuẩn, hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ là:

Fkw(p)= k ω

1+2 τ ωp+2 τ ω2 p2

Hàm truyền của xenxo vị trí là khâu tích phân

Tiến trình tông hợp tham số bộ điều chỉnh vị trí Rφ cũng tương tự như cácmạch vòng khá Tất nhiên ở đây với cấu trúc trên thì hàm truyền bộ điều chỉnh

vị trí sẽ không có thành phần tích phân tức là chỉ có P hoặc PD

Bộ điều chỉnh vị trí ở đây được tính chonhj theo ddieuf kiện với gia tôc hãmcực đại εhhmax đỗi với quãng đường hãm cực đại Δφhmax sao cho thời gian hãmkhông vượt quá thời gian tmax Tại thời điểm hãm, tương ứng với ddieuf kiện là

tín hiệu sai lệch tốc độ ΔωB +∆ω(p)] ở đầu vào bộ điều chỉnh tốc độ bằng không Ta cábiểu thức gắn đúng là

Δφh.FRφ = ωB +∆ω(p)]h

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ

MÔ PHỎNG

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

3.1.1 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 làthiết lập dòng phần ứng bằng giá trị đặt trước sự tác động của nhiễu

Hình 19: 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 độngcơ

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

Hình 20: 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:

K K S

I

u I

I BD

S u

T p R

K K

T p R

I BD S u

R T R

Hình 21: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 22: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn

Hàm truyền của khâu đo tốc độ có dạng: 1

K K

Theo tiêu chuẩn này, hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ có dạng:

2 2

1( )

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

Vậy bộ điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn module tối ưu là bộ điều khiển PD.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 23: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích

u u u

( )

1 1 0,066 1 0, 066

u D

dm bd

dat

U k

U

22( )

bd BBD

10 0,076 132

dat I

R T R

0,35

L

rad R

10

0,1100

I I

- Khâu đo tốc độ:

0,064( )

3.2.2 Kết quả mô phỏng

Từ các thông số đã tính toán được, ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí và kết quả mô phỏng với các nhiễu tải khác nhau trên Simulink:

Mc 4.444

s Transfer Fcn4

1 1.2s Transfer Fcn3

10.35 0.066s+1 Transfer Fcn2

1 0.0015s+1 Transfer Fcn1

22 0.003s+1 Transfer Fcn

Scope3 Scope2 Scope1

Scope

1 10s Khuech dai TD

0.1 0.3s+1

Do vi tri

0.064 0.001s+1

Do toc do

0.076 0.002s+1

PD(s)

BDK vi tri

P(s) BDK toc do

PI(s) BDK dong

Kết quả mô phỏng với các nhiễu tải khác nhau:

 Với M C = 0

o Dòng điện:

Hình 24: Kết quả mô phỏng dòng điện với M c = 0

o Tốc độ:

Hình 25: Kết quả mô phỏng tốc độ với M c = 0

o Vị trí:

Hình 26: Kết quả mô phỏng vị trí với M c = 0

 Với M C = 80

o Dòng điện:

Hình 27: Kết quả mô phỏng dòng điện với M c = 80

o Tốc độ:

Hình 28: Kết quả mô phỏng tốc độ với M c = 80

o Vị trí:

Hình 29: Kết quả mô phỏng vị trí với M c = 80

 Với M C = 172

o Dòng điện:

Hình 30: Kết quả mô phỏng dòng điện với M c = 172

Em xin trân thành cảm ơn!

Phòng, ngày …tháng… năm…