đồ án ứng dụng matlab simulink mô phỏng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều KTĐL

Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chứng kiến sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại. Mặc dù, so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn, do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại. Công cụ matlab & simulink được sử dụng trong thiết kế vừa giúp chúng ta nhanh chóng tìm ra được mô hình cần thiết nhờ các hàm toán học mạnh mẽ của matlab vừa minh họa cho các lệnh của MATLAB thông qua control system toolbox. Với mục tiêu là không những có thể giải quyết một cách thấu đáo bài toán điều khiển tốc độ động cơ một chiều trên không gian trạng thái mà còn thông qua đó làm sáng tỏ thêm phần lý thuyết cơ bản trong một ứng dụng cụ thể. Chính vì lý do đó mà em được nhận đề tài "Ứng dụng matlab & simulink để mô phỏng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập "

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chứng kiến sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại Mặc dù, so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn, do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng

bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại

Công cụ matlab & simulink được sử dụng trong thiết kế vừa giúp chúng ta nhanh chóng tìm ra được mô hình cần thiết nhờ các hàm toán học mạnh mẽ của matlab vừa minh họa cho các lệnh của MATLAB thông qua control system toolbox Với mục tiêu là không những có thể giải quyết một cách thấu đáo bài toán điều khiển tốc độ động cơ một chiều trên không gian trạng thái mà còn thông qua đó làm sáng tỏ thêm phần lý thuyết cơ bản

trong một ứng dụng cụ thể Chính vì lý do đó mà em được nhận đề tài "Ứng dụng matlab

& simulink để mô phỏng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập "

trong đồ án của mình Trong khi làm đồ án không thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận được

sự góp ý của thầy cô Em xin cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Sinh viên thực hiện

Đoàn Thị Nga

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ MATLAB SIMULINK 1

1.1 Khái quát chung 1

1.1.1 Giới thiệu về matlab simulink 1

1.1.2 Tổng quan về Simulink 1

1.1.2.1 Khởi tạo Simulink 1

1.1.2.2 Đặc điểm của Simulink 2

1.1.2.3 Thư viện các khối Continuous 2

1.1.2.4 Các bước thực hiện mô phỏng Simulink 2

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 6

2.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc và ứng dụng 6

2.1.1 Cấu tạo 6

2.1.1.1 Phần tĩnh (stator) 6

2.1.1.2 phần động (rotor) 7

2.1.2 Nguyên lý làm việc 7

2.1.3 Ứng dụng 8

2.2 Mô hình toán học động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 8

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 11

3.1 Biểu diễn hàm truyền trong matlab 11

3.1.1 Hàm quá độ h(t) 11

3.1.2 Hàm trọng lượng impulse g(t) 12

3.1.3 Đặc tính tần biên pha của hệ thống nyquist 13

3.1.4 Đồ thị bode 13

3.1.5 Thực hiện mô phỏng trên simulink 14

3.2 Bộ điều khiển PID 15

3.2.1 Bộ điều khiển P 15

3.2.2 Bộ điều khiển PI 17

3.2.3 Xác định Hệ số Kp,Ki,Kd bằng phương pháp Ziegler-Nichols (Ziegler Nichols Tuning Method) 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ MATLAB SIMULINK 1.1 Khái quát chung

1.1.1 Giới thiệu về matlab simulink

Simulink là một công cụ trong MATLAB dùng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa Việc xây dựng mô hình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả

Simulink bao gồm một bộ thư viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến Simulink là một phần quan trọng của MATLAB và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong quá trình phân tích, và vì vậy người dùng có thể tận

dụng được ưu thế của cả hai môi trường

1.1.2 Tổng quan về Simulink

1.1.2.1 Khởi tạo Simulink

Có thể mở Simulink bằng 2 cách:

 Cách 1: Click vào biểu tượng “Simulink Library” ở hình 1.1

 Cách 2: Từ cửa sổ lệnh, đánh lệnh simulink và Enter

Cửa sổ thư viện Simulink bao gồm:

- Thư viện

- Khung tìm kiếm

- Các khối chức năng

1.1.2.2 Đặc điểm của Simulink

Simulink phân biệt (không phụ thuộc vào thư viện con) hai loại khối chức năng gồm: khối ảo (virtual) và khối thực (notvirtual) Các khối thực đóng vai trò quyết định trong việc chạy mô phỏng mô hình Simulink Việc thêm hay bớt một khối thực sẽ làm thay đổi đặc tính động học của hệ thống đang được mô hình Simulink mô tả Có thể nêu nhiều ví dụ về khối thực như: khối tích phân Integrator hay khối hàm truyền đạt Tranfer Fcn của thư viên Continuous, khối sum hay khối Product của thư viện con Math Ngược lai các khối ảo không có khả năng thay dổi đặc tính của hệ thống, chúng chỉ có nhiệm vụ thay đổi diện mạo đồ họa của thư viện Simulink Đó chính là các khối như Mux, Demuxc hay Enable của thư viện con Signal và System Một số chức năng mang đặc tính thức hay ảo tùy thuộc theo

vị trí và cách thức sử dụng chúng trong mô hình Simulink, các mô hình đó được sắp xếp vào loại ảo có điều kiện

1.1.2.3 Thư viện các khối Continuous

Trong thư viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễn các hàm tuyến tính chuẩn Thư viện Linear gồm các khối sau:

Derivative Tính vi phân theo thời gian của lượng vào (d/dt)

Integrator Tích phân tín hiệu

State – Space Biểu diễn hệ thống trong gian tuyến tính

Transfer –Fen Hàm truyền đạt của các khâu hoặc hệ thống

Transpost Delay Giữ chậm lượng vào theo giá trị thời gian cho trước

Variable Transpot Delay Giữ chậm lượng vào với khoảng thời gian biến đổi

Bảng 1.1: Thư viện các khối continuous

1.1.2.4 Các bước thực hiện mô phỏng Simulink

Ta xét ví dụ sau: - Scope: Thuộc thư viện Sink

- Sine wave: Thuộc thư viện Sources

- Mux: Thuộc thư viện Signal Routing

- Integrator: Thuộc thư viên Continuous

Hình 1.2: Mô phỏng Simulink

Bước 1: Gọi phần ứng dụng Simulink và mở cửa sổ làm việc

Kích chuột vào biểu tượng Simulink Library Browser Vào File chọn New hoặc Ctrl + N

Hình 1.3: Cửa sổ làm việc mới của Simulink có tên là Untitled

Bước 2: Xây dựng mô hình Simulink

Các thao tác xây dựng mô hình như sau:

Kích chuột vào mô hình Simulink

Kích chuột vào thư viện Sources

Kích và kéo thư viện Sine Wave sang cửa sổ làm việc(untitled)

Hình 1.4: Sử dụng các khối trong thư viện Simulink

Bước 3: Nối tín hiệu:

Đưa con chuột tới ngõ ra của khối (dấu “>”), khi đó con chuột sẽ có dạng “+” Kéo rê chuột tới ngõ vào của một khối khác và thả ra để kết nối tín hiệu

Trước khi mô phỏng mô hình Simulink, chúng ta cần đặt các thông số mô phỏng bằng cách chọn menu Simulation Configuration Parameters

Ở cửa sổ Configuration Parameters, chúng ta có thể đặt một số thông số như Start time, Stop time(second – giây), và phương pháp giải Solver, Solver options, sau đó nhấn nút

OK

Bước 4: Mở các khối

Nháy đúp chuột vào khối cần mở, lúc đó xuất hiện cửa sổ Block Parameters… và tại đây ta

có thể thay đổi dữ liệu theo mong muốn

Hình 1.5: Cửa sổ Block Parameters

Bước 5: Thực hiện quá trình mô phỏng

Thực hiện quá trình mô phỏng bằng cách sau: chọn các công việc cửa sổ cần làm việc

simulation/start

Bước 6: Ta có thể thay đổi thong số của quá trình mô phỏng

Simulation/configuration Parameters

Bước 7: Ghi lại mô hình mô phỏng vừa được tạo bằng cách chọn save á trong menu file

Kết quả mô phỏng của ví dụ như sau:

Hình 1.6: Kết quả mô phỏng Simulink

Với những ưu điểm và khả năng trên của Matlab so với các phần mềm khac, chúng ta có thể sử dụng phần mềm Matlab trong việc khảo sát và đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển tuyến tính

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc và ứng dụng

2.1.1 Cấu tạo

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động

2.1.1.1 Phần tĩnh (stator)

Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:

- Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng 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 dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được 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 dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

- Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

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

- Các bộ phận khác:

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

+ Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh

vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

2.1.1.2 phần động (rotor)

Bao gồm những bộ phận chính sau:

- Phần sinh ra sức 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 các rãnh để lồng dây quấn phần ứng Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi 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

- 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 ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép 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 những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm 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 ép trực tiếp vào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

- 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 điện nhỏ 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 rãnh của lõi thép

- Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép 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 dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

2.1.2 Nguyên lý làm việc

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư

ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động Khi đó ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư

2.1.3 Ứng dụng

Động cơ điện hiện đang được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau Những sản phẩm này được ứng dụng trong những vật dụng, thiết bị sinh hoạt hàng ngày chẳng hạn như động cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng giúp chuyển động đĩa quay hay trong các máy lọc đĩa, Trong lĩnh vực xây dựng, người ta cũng trang bị loại động cơ này cho các máy móc quan trọng Thậm chí, tại nhiều nước, động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt trong các đầu máy xe lửa

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy vi tính,

cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,

2.2 Mô hình toán học động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Trong điều khiển tự động, người ta thường biểu diễn một hệ thống vật lý bằng hàm truyền (transfer function) hay phương trình trạng thái (state-space equation) của nó (đối với các hệ phi tuyến, để đạt được điều này, người ta phải dùng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn)

Giả sử có hệ thống điều khiển tốc độ motor DC như hình 2.1

i :là dòng điện chạy trong cuộn dây của motor

V :là điện áp trên hai đầu cuộn dây motor – ngõ vào

𝛳: là vị trí trục – ngõ ra

Hình 2.1: Mô hình toán học của hệ thống điều khiển tốc độ một chiều

Phương trình vi phân mô tả hệ thống như sau:

Hàm truyền của hệ lúc này là:

Theo tiêu chuẩn Hurwitz ta có:

Phương trình đặc trưng của hệ là:

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 3.1 Biểu diễn hàm truyền trong matlab

Hình 3.1: đồ thị đáp ứng quá độ

Nhận xét: Hàm quá độ có các chỉ tiêu ở trạng thái quá độ là:

+ Thời gian xác lập: 0.655s

+ Biên độ định: 0.702

+ Độ vọt lố: 18,2 tại thời điểm 0,284s

+ Thời gian tăng tốc Tr: 0,127s

+ Trạng thái ổn định của hệ thống final value = 0.594

3.1.2 Hàm trọng lượng impulse g(t)

>>impulse(T)

Hình 3.2: Đồ thị đáp ứng hàm trọng lượng

+ Đặc tính biên độ tần số logarit (tần biên): - 2.99dB

+ Đặc tính pha tần số (tần pha): 9.28 rad/s

3.1.4 Đồ thị bode

>>bode(T)

3.1.5 Thực hiện mô phỏng trên simulink

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng trên simulink

3.2 Bộ điều khiển PID

Hình 3.7: Bộ điều khiển PID

Giá trị đầu ra U(t)= K.e(t) + KI.∫ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 + 𝐾𝑑.𝑑𝑒

K – hệ số tỷ lệ

Td – hằng số thời gian vi phân

TI - hằng số thời gian tích phân

3.2.1 Bộ điều khiển P

Hình 3.8: Bộ điều khiển P

Khai báo trong matlab:

Hình 3.10: Đáp ứng hệ thống khi dùng bộ điều khiển PI

3.2.3 Xác định Hệ số Kp,Ki,Kd bằng phương pháp Ziegler-Nichols (Ziegler Nichols Tuning Method)

Khi thêm bộ điều khiển PID, hàm truyền hở của hệ thốnglà:

0

Các bước chỉnh định như sau:

Bước 1:Chỉ điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển tỉ lệ KP (đặt KI = KD = 0)

Bước 2:Tăng KP đến giá trị KC mà ở đó hệ thống bắt đầu bất ổn (bắt đầu xuất hiện sự giao động - điểm cực của hàm truyền kín nằm trên trục ảo jω) Xác định tần số ωC của giao động vừa đạt

Từ 2 giá trị KC và ωc vừa đạt, các thông số số KP, KI và Kd được xác định như bảng sau:

Ta thực hiện như sau:

Bước 1: Điều khiển hệ thống chỉ với bộ điều khiển tỉ lệ: