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 = Фđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng
Độ cứng của đường đặc tinh cơ:’
β = = (11)
+) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tinh cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn.
Hình 3.4.Đặc tinh 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 tinh cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tinh cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tinh cơ thấp hơn đặc tinh cơ tự nhiên.
- Đặc điểm của phương pháp:
+) Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tinh càng lớn, đặc tinh 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
+) 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
- Nguyên lý điều khiển:
Giả thiết U = Uđm, Rư = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kich từ, thay đổi dòng điện trong mạch kich từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kich từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kich từ. Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kich thich tối đa ( = max) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kich 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 thì tốc độ không tải lý tưởng tăng, còn độ cứng đặc tinh cơ giảm, ta thu được họ đặc tinh cơ nằm trên đặc tinh cơ tự nhiên.
Hình 3.5.Đặc tinh 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 phia 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.
+) 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 kich từ với dòng kich 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 kich 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 tin 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 tinh 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 tinh cơ cơ bản, là đặc tinh 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.
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
- 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.
- 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.
- 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.
Hình 4.7. Kết quả mô phỏng tốc độ và vị tri của DC Motor
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 tin 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)
Hình 4.9. Sơ đồ khối của bộ điều khiển dòng điện (PI)
Hình 4.10. Thông số Kp, Ki của bộ điều khiển dòng điện (PI)
Hình 4.11. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tốc độ (PI)
- 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
- 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)
- 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 tri (Position Controller)
Hình 4.19. Sơ đồ khối của bộ điều khiển vị tri (PI)
- 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 tri
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 tri sẽ có thêm bộ điều khiển Position controller, bộ điều khiển này sẽ nhận kết quả sai số vị tri và đưa ra kết quả là tốc độ tham chiếu.
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)
- Bộ điều khiển vị tri
Hình 4.26. Sơ đồ khối so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (vị tri)
Hình 4.27. Vị tri đặt vào (deg)
CHƯƠNG 5
Case studies: Mô phỏng và điều khiển bướm ga điện tử BOSCH DV-E5
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.)
Jm Momen quán tính của motor (kg.)
JL Momen quán tính của tải (kg.)
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)
Bảng 5.2. Các thông số cơ sở li thuyết
Raia(t) + La + Kbm(t) = Va(t) (12)
Với eb(t) = Kbm(t), N = và K’b = KbN => eb(t) = K’b L , thay vào (12): Raia(t) + La + K’bL(t) = Va(t) (13)
Áp dụng định luật II Newton:
Jmm(t) + Bmm(t) + = Kmia(t) (14) Hệ thống ETC có momen tải L(t) là:
TL(t) = JLL(t) + BLL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(L) (15) Trong đó: sgn(L) là hàm tin hiệu được xác định bởi:
sgn(L) = (16) Kết hợp (14) và (15) (14) Jmm(t).N + Bmm(t).N + JLL(t) + bLL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(L) = Kmia(t).N => Jm[NL(t)].N + JmL(t) + Bm[NL(t)].N + bLL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(L) = K’mia(t) => JmL(t).N2 + JmL(t) + BmL(t).N2 + BLL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(L) = K’mia(t) => [JmN2 + JL] L(t) + [BmN2 + BL]L(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(L) = K’mia(t) => JeqL(t) + BeqL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf .sgn(L) = K’mia(t) (17)
- 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:
Hình 5.4. Thông số của bướm ga BOSCH DV-E5
Hình 5.5. Sơ đồ khối điều khiển vị tri góc bướm ga
Hình 5.6. Thông số Kp , Ki bộ điều khiển vị tri
Hình 5.8. Thông số Kp , Ki bộ điều khiển dòng
- Kết quả mô phỏng điều khiển vị tri góc bướm ga