3.3.1. Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
+) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm,
Ф = Фđmvà nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng của đường đặc tính cơ:’
β = ∆M
∆ω =
(𝑘Ф)2
R𝑢+R𝑓 (11)
+) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn.
Hình 3.4.Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ
Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.
- Đặc điểm của phương pháp:
+) Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+) Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
18 +) Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.
+) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
3.3.2. Phương pháp thay đổi từ thông Ф
- Nguyên lý điều khiển:
Giả thiết U = Uđm, Rư = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Ф = Фmax) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. Nên khi giảm
Ф thì tốc độ không tải lý tưởng ω = 𝑈đ𝑚
𝑘Ф tăng, còn độ cứng đặc tính cơ giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.
Hình 3.5.Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt
theo cùng tỉ lệ.
- Đặc điểm của phương pháp:
+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.
19
+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi.
+) Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ (1 ÷ 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
3.3.3. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
- Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa.
Hình 3.6.Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng
- Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động.
20 Hình 3.7.Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp
21
Chương 4
XÂY DỰNG MÔ HÌNH, MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG
4.1. Mô hình hóa hệ thống DC Motor
- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển DC Motor
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển DC Motor - Thông số đầu vào DC Motor
22 - Tiến hành mô hình hóa DC Motor với công thức (3) và (4) trong phần cơ sở lý thuyết. Ta được mô hình bên dưới:
Hình 4.2. Sơ đồ khối của DC Motor
- Sau khi đã có mô hình DC Motor, ta thay các thông số trên bảng 4.1 vào mô hình. Đồng thời tại thời điểm 2,2 giây cấp vào motor điện áp 12V, thời điểm 12 giây tác dụng vào motor một momen xoắn có độ lớn là 0,5 Nm.
23 - Đưa các thông số bảng 4.1 vào mô hình DC Motor mô phỏng bên trên.
Hình 4.4. Bảng thông số của DC Motor trên Simulink
- Tại thời điểm 2,2 giây, cấp vào cho DC Motor một điện áp là 12V.
Hình 4.5. Thông số điện áp đầu vào của DC Motor trên Simulink
24
- Tại thời điểm 12 giây, đưa vào DC Motor moment tải có giá trị là 0.5 N.m
Hình 4.6. Thông số của tải tác dụng lên DC Motor trên Simulink
- Kết quả mô phỏng: Khi cấp vào motor điện áp 12 V thì góc quay của motor sẽ tăng liên tục đến dương vô cùng, tốc độ của motor sẽ đạt cực đại tại giá trị 4420 rpm.
25
4.2. Thiết kế bộ điều khiển
4.2.1. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
- Sơ đồ khối: Giá trị tốc độ mong muốn sẽ được so sánh với giá trị tốc độ thực tế thông qua bộ so sánh âm, kết quả sai số tốc độ sẽ được đưa vào Speed controller và bộ điều khiển này sẽ cho ra giá trị momen xoắn của động cơ, lấy momen xoắn chia cho hệ số momen xoắn ta được giá trị cường độ dòng điện tham chiếu. Giá trị cường độ này tiếp tục được so sánh với giá trị cường độ thực tế của động cơ thông qua bộ so sánh âm, kết quả sẽ đưa vào bộ điều khiển Current controller, bộ điều khiển này sẽ cho ra tín hiệu điện áp để đưa vào trong DC Motor.
Hình 4.8. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tốc độ
- Bộ điều khiển PI của dòng điện (Current Controller)
26 Hình 4.10. Thông số Kp, Ki của bộ điều khiển dòng điện (PI)
- Bộ điều khiển PI của tốc độ (Speed Controller)
Hình 4.11. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tốc độ (PI)
27
- Kết quả mô phỏng: Độ vọt lố gần như không có, sai số xác lập và thời gian xác lập tương đối ngắn.
Hình 4.13. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển tốc độ
4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển vị trí - Sơ đồ khối - Sơ đồ khối
28
- Bộ điều khiển PI của dòng điện (Current Controller)
Hình 4.15. Sơ đồ khối của bộ điều khiển dòng điện (PI)
Hình 4.16. Thông số Kp, Ki của bộ điều khiển tốc độ (PI)
- Bộ điều khiển PI của tốc độ (Speed Controller)
29
- Bộ điều khiển PI của tốc độ (Speed Controller)
Hình 4.18. Thông số Kp, Ki của bộ điều khiển tốc độ (PI)
- Bộ điều khiển PI của vị trí (Position Controller)
Hình 4.19. Sơ đồ khối của bộ điều khiển vị trí (PI)
30
- Kết quả mô phỏng: Độ vọt lố gần như không có, sai số xác lập và thời gian xác lập tương đối ngắn.
Hình 4.21. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển vị trí
4.2.3. So sánh kết quả giữa bộ điều khiển phân tầng và bộ điều khiển đơn - Bộ điều khiển tốc độ: tương tự như bài toán điều khiển tốc độ, tuy nhiên ở bài - Bộ điều khiển tốc độ: tương tự như bài toán điều khiển tốc độ, tuy nhiên ở bài toán điều khiển vị trí sẽ có thêm bộ điều khiển Position controller, bộ điều khiển này sẽ nhận kết quả sai số vị trí và đưa ra kết quả là tốc độ tham chiếu.
31 Hình 4.22. Sơ đồ khối so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (tốc độ).
Hình 4.23. Tốc độ đặt vào (rpm)
Hình 4.24. Momen xoắn đặt vào (Nm)
32 Hình 4.25. Kết quả mô phỏng so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (tốc độ)
33
- Bộ điều khiển vị trí
Hình 4.26. Sơ đồ khối so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (vị trí)
Hình 4.27. Vị trí đặt vào (deg)
34 Hình 4.29. Kết quả mô phỏng so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (vị trí)
35
CHƯƠNG 5
Case studies: Mô phỏng và điều khiển bướm ga điện tử BOSCH DV-E5
36
Kí hiệu Tên gọi
Ra Điện trở phần ứng (Ohm)
La Điện cảm phần ứng (H)
Kb Hằng số sức điện động (V.s/rad)
Kb’ Hằng số sức điện động của tải (V.s/rad)
Km Hằng số momen xoắn của motor (N.m/A)
Km' Hằng số momen xoắn của tải (N.m/A) (kg.𝐦𝟐)
Jm Momen quán tính của motor (kg.𝐦𝟐)
JL Momen quán tính của tải (kg.𝐦𝟐)
Jeq Momen quán tính tương đương của tải
Bm Hệ số giảm chấn nhớt của motor (N.m.s/rad)
BL Hệ số giảm chấn nhớt của tải (N.m.s/rad)
Beq Hệ số giảm chấn nhớt tương đương của tải (N.m.s/rad)
Ks Độ cứng trả về của lò xo (Nm/rad)
Tpl Momen ban đầu của lò xo (N.m)
Tf Momen ma sát sinh ra bởi sự di chuyển của bướm ga (N.m)
N Tỉ số truyền (N = ωm/ωL)
θ Góc quay của các bướm ga (rad)
37 Áp dụng định luật Kirchoff : Raia(t) + La dia(t) dt + Kbωm(t) = Va(t) (12) Với eb(t) = Kbωm(t), N = ωm ωL và K’b = KbN => eb(t) = K’b ωL , thay vào (12): Raia(t) + La dia(t) dt + K’bωL(t) = Va(t) (13) Áp dụng định luật II Newton: Jmω̇m(t) + Bmωm(t) + TL(t) N = Kmia(t) (14) Hệ thống ETC có momen tải TL(t) là:
TL(t) = JLω̇L(t) + BLωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) (15) Trong đó: sgn(ωL) là hàm tín hiệu được xác định bởi:
sgn(ωL) = { −1 𝑛ế𝑢 𝜔𝐿 < 0 0 𝑛ế𝑢 𝜔𝐿 = 0 1 𝑛ế𝑢 𝜔𝐿 > 0 } (16) Kết hợp (14) và (15) (14) Jmω̇m(t).N + Bmωm(t).N + JLω̇L(t) + bLωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) = Kmia(t).N => Jm[Nω̇L(t)].N + Jmω̇L(t) + Bm[NωL(t)].N + bLωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) = K’mia(t) => Jmω̇L(t).N2 + Jmω̇L(t) + BmωL(t).N2 + BLωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) = K’mia(t) => [JmN2 + JL] ω̇L(t) + [BmN2 + BL] ωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) = K’mia(t) => Jeqω̇L(t) + BeqωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf .sgn(ωL) = K’mia(t) (17)
38 - Từ công thức (13) và (17), cùng với sự kế thừa mô hình DC Motor đã được thiết kế bên trên, ta tiến hành thiết kế mô hình bướm ga điện tử:
Hình 5.3. Mô hình hóa bướm ga điện tử
- Đưa các thông số bướm ga BOSCH-DVE5 ở hình 5.2 vào mô hình:
39
- Điều khiển vị trí góc bướm ga
Hình 5.5. Sơ đồ khối điều khiển vị trí góc bướm ga
Hình 5.6. Thông số Kp , Ki bộ điều khiển vị trí
40
Hình 5.8. Thông số Kp , Ki bộ điều khiển dòng
- Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí góc bướm ga
41
Chương 6 KẾT LUẬN
Đề tài điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PI tuy không phải là một đề tài mới, nhưng qua đó đã phản ánh được tính nghiêm túc trong việc học hỏi và vận dụng các kiến thức vào việc thực hiện đề tài. Sau thời gian hai tháng nghiên cứu em đã hoàn thành đề tài với các kết quả đạt được như sau: Nắm vững tổng quan về động cơ một chiều, các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều, xây dựng được mô hình hệ truyền động điện một chiều trên Matlab & Simulink và lý thuyết điều khiển tự động từ đó làm cơ sở cho việc xây dựng bộ điều khiển PI ứng dụng cho động cơ một chiều. Mô hình hóa động cơ DC được hoàn thiện, khi cho thông số đầu vào cấp vào động cơ thì ta được kết quả mô phỏng gần đúng, thỏa mãn mong muốn ban đầu mà nhóm đã đặt ra. Sử dụng bộ điều khiển phân tầng sẽ giúp làm giảm đáng kể độ vọt lố, làm tăng tính hiệu quả hơn rất nhiều trong việc điều khiển so với bộ điều khiển đơn. Bên cạnh đó, đề tài vẫn còn một số hạn chế như: do không đủ điều kiện nên chưa thể làm mô hình thực nghiệm để hiểu rõ hơn về tính hiệu quả của bộ điều khiển mà nhóm thiết kế.
42
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] PGS.TS Đỗ Văn Dũng (2013), “Giáo trình Điện động cơ và điều khiển động cơ”, Nhà xuất bản ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, Tp. HCM, Việt Nam. [2] ThS. Nguyễn Long Khánh (2015), “Giáo trình Hệ thống điện và điện tử động
cơ ô tô”, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Tp. HCM, Việt Nam. [3] “Động cơ điện một chiều – Wikipedia tiếng Việt.” Wikipedia,
https://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90%E1%BB%99ng_c%C6%A1_%C4 %91i%E1%BB%87n_m%E1%BB%99t_chi%E1%BB%81u . Ngày truy cập 17/05/2022
Tiếng Anh
[4] Nian, X Peng, F & Zhang, H. (2014). Regenerative braking system of electric vehicles driven by brushless DC motors. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61(10), 5798-5808.
[5] “DC Motor Speed: Simulink Modeling.”, https://ctms-engin-umich-
edu.translate.goog/CTMS/index.php?example=MotorSpeed§ion=Simuli nkModeling&_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=vi&_x_tr_hl=vi&_x_tr_pto=op,sc. Accessed 17 May 2022.
43
ASSIGNMENT 1
CÂU HỎI
1. Sự khác biệt giữa bộ điều khiển mở và điều khiển vòng kín là gì ? 2. Nêu ưu điểm/ nhược điểm của bộ điều khiển vòng mở và vòng kín ?
44
BÀI LÀM
Câu 1 : Sự khác biệt giữa bộ điều khiển mở và điều khiển vòng kín là gì ?
*Sự khác biệt giữa bộ điều khiển mở và điều khiển vòng kín:
+ Cách vận hành của một hệ thống có thể được xác định bằng một phương trình vi phân được gọi là hệ thống điều khiển. Vì vậy, nó điều khiển các thiết bị khác nhau cũng như hệ thống với sự trợ giúp của các vòng điều khiển. Hệ thống điều khiển được phân thành hai loại như vòng mở và vòng kín. Sự khác biệt chính giữa hệ thống điều khiển vòng mở và vòng kín là đầu ra yêu cầu trong vòng lặp mở không phụ thuộc vào hành động được kiểm soát trong khi trong vòng kín, đầu ra yêu cầu chủ yếu phụ thuộc vào hành động được kiểm soát.
+ Hệ thống điều khiển vòng lặp mở là hệ thống đầu ra không thay đổi hoạt động của hệ thống điều khiển, ngược lại hoạt động của hệ thống phụ thuộc vào thời gian còn được gọi là hệ thống điều khiển vòng hở, nó không có bất kỳ phản hồi nào.
+ Hệ thống điều khiển vòng kín có thể được định nghĩa là đầu ra của hệ thống phụ thuộc vào đầu vào của hệ thống. Hệ thống điều khiển này có một hoặc nhiều vòng phản hồi giữa đầu vào và đầu ra của nó. Hệ thống này cung cấp đầu ra theo yêu cầu bằng cách đánh giá đầu vào của nó. Loại hệ thống này tạo ra tín hiệu lỗi và nó là sự chênh lệch giữa đầu ra và đầu vào của hệ thống
Câu 2 : Nêu ưu điểm/ nhược điểm của bộ điều khiển vòng mở và vòng kín ?
- Ưu điểm của hệ thống điều khiển vòng mở:
+ Nó rất đơn giản, chi phí bảo trì thấp, vận hành nhanh chóng và tiết kiệm