Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều bằng Matlab simulink

I : Giới thiệu động cơ điện 1 chiều – DCMotor 1 : Cấu tạo Những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực từ, rôto với dây quấn, cổ góp và chổi than... Dây quấn cực từ phụ đượ

BÁO CÁO CHUYÊN ĐÊ CHUYÊN ĐÊ I: TRUYÊN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIÊU

Giảng viên: Th.s: An Hoài Thu Anh

Lớp: Trang Bị Điện K56

Nhóm: 4

Thành viên: 1 Nguyễn Xuân Hùng

2 Nguyễn Tiến Hưng

3 Nguyễn Văn Khôi

4 Mai Vũ Long

5 Lê Văn Long

Nội dung báo cáo gồm có:

I Giới thiệu về động cơ một chiều

II Xây dựng hệ truyền động động cơ một chiều

III Mô phỏng trên Matlab Simulink

IV Kết luận

I : Giới thiệu động cơ điện 1 chiều – DC

Motor

1 : Cấu tạo

Những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực

từ, rôto với dây quấn, cổ góp và chổi than

Sơ đồ mặt cắt ngang trục động cơ một chiều

Stato còn gọi là phần cảm, lõi thép bằng thép đúc, mặt trong

có gắn cực từ chính và cực từ phụ Dây quấn cực từ chính được đặt trên các cực từ chính Dây quấn cực từ phụ được đặt trên các cực từ phụ (giữa các cực từ chính)

Rôto của máy điện một chiều được gọi là phần ứng gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Lá thép dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện phủ sơn cách điện, ghép lại Dây quấn rôto gọi là dây quấn phần ứng, thường làm bằng dây đồng, có cách điện với nhau và với lõi thép

Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện,

có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục Chổi than làm bằng than graphit Các chổi tì chặt lên cổ góp nhờ lò so và giá chổi điện gắn trên nắp máy

2 : Phân loại động cơ một chiều

Dựa vào hình thức kích từ , ta chia động cơ thành loại :

- Động cơ một chiều kích từ độc lập : Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng

của máy

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp ; Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với phần ứng

Động cơ một chiều kích từ song song : Dây quấn kích từ nối song song với phần ứng

Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp : Gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song thường là chủ yếu

3 : Nguyên lý hoạt động

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp Uk trong dây sẽ xuất hiện dòng Ik.Dòng kích từ này sẽ sinh ra từ thông chạy trong mạch từ của động cơ Ta đặt lên mạch phần ứng của động

cơ điện một điện áp Uư thông qua hệ thống cổ góp - chổi than thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện Iư chạy

qua.Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ sinh

ra Momen điện từ

4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DCM

Ưu điểm của động cơ một chiều so với các loại động cơ khác là dễ dàng điều chỉnh tốc độ, các bộ điều chỉnh tốc độ cũng đơn giản, dễ chế tạo các phương pháp cơ bản :

- Thay đổi điện áp phần ứng

- Thay đổi điện trở mạch phần ứng

- Thay đổi từ thông kích từ

5 : Các phương trình đặc trưng động cơ một chiều

a) Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

=

b) Sức điện động phần ứng Eư được tính theo biểu thức:

= Ke.Φ.ω c) Mômen điện từ của động cơ được xác định:

m = Km.Φ

d) Phương trình cân bằng mô men của động cơ:

J = 2πJ e)

Trong đó:

Ua: điện áp đặt vào phần ứng động cơ (V)

Ra: điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)

Ea: sức điện động phần ứng động cơ (V)

Ia: dòng phần ứng (A)

m: mô men động cơ (Nm)

: Mô men tải

J : Momen quán tính của động cơ

ω: tốc độ góc động cơ (rad/s)

Φ: từ thông động cơ (Wb)

II : Xây dựng hệ truyền động điện động cơ một chiều

Để mô hình hóa trạng thái động cơ thì ta phải chuyển hệ phương trình động

cơ điện một chiều kích từ độc lập về miền toán tử Laplace.Ta được hệ phương trình động cơ điện một chiều kích từ độc lập trên miền Laplace:

+ Ua(s) =Ea(s) + Ra.Ia(s) +La.Ia(s).s (1)

+ Ea(s) = KΦ ω (s) + M(s) =KΦ.Ia(s) + M(s) = Mt(s) + J(s) ω (s).s (2)

Từ 1 suy ra :

với

Từ 2 suy ra:

Bằng các phép biến đổi toán học ta được sơ đồ cấu trúc động cơ trên Matlab như sau :

1, Xây dựng hệ truyền động điện cho động cơ

Ta có

- : Mạch vòng trong là mạch vòng dòng điện RI với quán tính nhỏ, động lực học nhanh

- Mạch vòng ngoài là mạch vòng tốc độ RW : tín hiệu cơ động học chậm, quán tính lớn

2, Tính toán các bộ điều khiển PID

a, Khái quát về bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm 3 phần là khâu khuếch đại ( P ) , khâu tích phân ( I ) và khâu vi phân ( D) khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết ta

sẽ phải chọn P I hoặc D sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn

Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ PID có cấu trúc đơn giản, đuộc sử dụng rộng dãi trong điều khiển các đối tượng sử dụng nguyên lý hồi tiếp Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cấu cơ bản về chất lượng :

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần Up(t) , tín hiều điều chỉnh U(t) càng lớn

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần Ui(t) , PID vẫn còn tạo ra tín hiệu điều chỉnh

- Nếusự thay đổi của sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần Ud(t) , phản ứng thích hợp của U(t) càng nhanh

b, Bộ điều khiển dòng điện

Để thiết kế khâu điều chỉnh dòng điện, ta sử dụng hàm truyền đạt của mạch điện phần ứng

Bộ điều khiển dòng điện được sử dụng là PI gồm khâu khuyếch đại Kp-tác động nhanh và khâu tích phân Ki- triệt tiêu sai lệch tĩnh Hàm truyền của PI:

1 (s) (1 )

I

I

T s

Động cơ DCM được cấp nguồn điều khiển bởi bộ chỉnh lưu với hàm truyền gần đúng: 1

W (s)

1

cl cl

K

T s





Phần ứng động cơ DCM là khâu quán tính bậc nhất với hàm truyền

2

1/

W (s)

1

A A

R

T s



 với

A A A

L T R



là hằng số thời gian roto

Theo lý thuyết điều khiển hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển RI là:

/ P(s) W ( )W ( )

( 1)(T 1) ( 1)(T 1)

cl A

Với T cl T T1, A T T T2, 2  1

Với đối tượng là khâu quán tính bậc 2, sử dụng phương pháp tối ưu độ lớn để xác định thông số bộ điều khiển PI :

Ta có: T cl T A

Khi đó T T T I   ; 1 A 2 1 2 2 2 2 2

p

K

Từ đó ta có hàm truyền hệ kín bộ điều khiển động cơ DCM

( )

1 W 1 ( ) ( ) 1 2 ( 1) 1 2

H

H

R s

G s

     (bỏ qua thành phần bậc cao)

c ,Bộ điều khiển tốc độ

Mạch vòng điều khiển tốc độ là mạch vòng ngoài, kết hợp với mạch vòng trong (dòng điện)

Hàm truyền mạch vòng trong (dòng điện)

1 ( )

G s

Ts





Khi đó hàm truyền của đối tượng mạch vòng ngoài

Với T2 2T s

Đối tượng là khâu tích phân-quán tính bậc nhất ,sử dụng bộ điều khiển PI có hàm truyền:

1 (s) (1 )

I

I

T s

Áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng xác định tham số như sau:

2

2 1

I p

a





Với a xác định từ độ quá điều chỉnh hoặc có thể chọn:

+ Nếu a> 1, a càng lớn thì độ quá điều chỉnh càng nhỏ + Nếu a=< 1 thì hệ kín không ổn định

III Mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink

Xây dựng mô hình bằng Matlab Simulink

Chọn động cơ 1 chiều Penta7MA với các thông số như hình :

Tiếp đến ta nhập giá trị các thông số của động cơ và các biến trong mô phỏng vào mfile của Matlab như sau :

- Các thông số động cơ :

Pdm = 1100; % Cong suat dinh muc

Udm = 180; % Dien ap dinh muc

Idm = 7.3; % Dong dien dinh muc

n = 3000; % Toc do dinh muc [vong/phut]

w = (2*pi*n)/60; % Toc do goc [rad/s]

Mdm = Pdm / w; % Momen dinh muc [N.m]

Ra = 0.85 ; % Dien tro phan ung [ohm]

La = 0.00315 ; % Dien cam phan ung [H]

Ta = La/Ra ; % Thoi gian dap ung phan ung [s]

Udk=5;

J = 0.0028; % Momen quan tinh tai

Kcl = Udm/Udk;

Tcl = 0.001;

Kephi = (60*Pdm)/(2*pi*n*Idm); % Tu thong khong doi

%Tinh bo dieu khien dong dien Ri

Ti1 = Ta;

Kp1 = La/(2*Kcl*Tcl);

%Tinh bo dieu khien toc do Rw

k = (Kephi)/(J);

T2 = 2*Tcl;

Ti2 = 4*T2;

Kp2 = 1/(k*T2*2);

Kết quả mô phỏng :

Cài đặt khối Step : step time =1 ; initial value = 300

; final value = -200 Ban đầu động cơ chạy với tốc độ 300rad/s, sau khoảng thời gian là 1s , động cơ đảo

chiều quay với tốc độ 200rad/s Ta được kết quả mô phỏng

Đáp ứng tốc độ

Nhận xét : qua đồ thị ta thấy động cơ lúc khởi động tăng tốc lên hơn 400rad/s , sau đó tụt xuống còn 300rad/s

,đúng với giá trị tốc độ đặt và luôn bám sát tốc độ đặt, quá trình này chỉ mất 0.03s Quá trình đảo chiều quay cũng chỉ mất 0.03s để đảo chiều động cơ và đúng giá trị đặt

Như vậy bộ điều khiển tốc độ PI đã đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển nhanh và chính xác

 Đáp ứng dòng điện ( đường màu xanh là dòng điện đặt, đường màu đỏ là dòng điện phản hồi )

Nhận xét lúc khởi động , dòng điện của động cơ đạt tới gần 500A trong khoảng thời gian khoảng 0.06s sau đó trở

về lam việc với dòng khoảng 2A ta thấy dòng điện đặt và dòng điện phản hồi luôn bám sát nhau thời gian đáp ứng rất nhanh

IV Kết luận

 Qua các nội dung tìm hiểu , nhóm chúng em đã hiểu rõ hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều và cách điều khiển tốc độ động cơ

 Biết cách xây dựng hệ truyền động điện cho động cơ một chiều

 Biết sử dụng phần mềm Mathlab mô phỏng được động cơ một chiều ,

… và nhiều điều thú vị khác

~~Cảm ơn cô đã giúp đỡ chúng em môn học này !!~~