Mạch điện thay thế của động cơ một chiều:
Hình 3.2. Mạch điện thay thế của động cơ một chiều.
Hệ thống mô tả động cơ ĐC thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mơmen quay M, dịng điện phần ứng I hoặc vị trí của rotor ϕ. Mơmen tải MC là mơmen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải MC là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện tự động.
3.2.1. Mơ hình tốn ở chế độ q độ của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng tốn tử Laplace:
Mạch kích từ có hai biến là dịng điện kích từ Ik và từ thơng Φ phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:
UKT(p) = RKT.IKT + NKT.pφ(p) Trong đó: Nk là số vịng dây cuộn kích từ.
Với mạch phần ứng:
Uu(p) = Ru.Iu(p) + Lu.p.Iu(p) + E(p) Từ phương trình phần ứng ta có: [ ] 1/ ( ) ( ) ( ) 1 u u u R I p U p E p T p = − + Trong đó:
+ u u u L T R =
: Hằng số thời gian mạch phần ứng Phương trình cân bằng momen:
( ) ( ) ( )
e c
M p −M p =Jpω p
Trong đó: J là mơmen qn tính c ủa các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều:
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều.
Ta thấy rằng sơ đồ này là phi tuyến mạch. Như vậy ta có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương trình tuyến tính hóa được viết như sau:
Mạch phần ứng:
U0 + ∆U(p) = Rư [.I0+∆I(p) ] +pLư[I0 + ∆I(p)] + K[φ0 + ∆φ(p)][ωB +∆ω(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 . ∆φ(p) +k.φ0. ∆ω(p)] = Rư. ∆I(p)(1+ Tư .p) ∆Uk(p) = Rk. ∆Ik(p)(1+ Tk.p)
K.I0. ∆φ(p) + K.φ0. ∆I(p) - ∆M0(p) = Jp.∆ω(p)
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc mơ tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nhìn vào sơ đồ ta thấy rằng để điều chỉnh tốc độ ω ta có thể thực hiện theo 2 cách: + Giữ nguyên điện áp mạch kích từ Ub và điều chỉnh điện áp mạch phần ứng Ua. + Giữ nguyên điện áp mạch phần ứng và điều chỉnh điện áp Ub: điều chỉnh từ thơng.
3.2.2. Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thơng khơng đổi.
Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và khơng điều khiển từ thơng thì có thể xem từ thơng là một hằng số. Khi đó, ta khơng cịn mạch kích từ mà chỉ cịn 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 mơ hình tốn của động cơ chỉ có hai phương trình là phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học:
Phương trình cân bằng mạch phần ứng:
( ) . ( ).(1 ) ( ) u u u u U p =R I p +T p +E p Với : ( ) . ( ) E p =Kφ ω p u u u L T R = ,
Phương trình chuyển động cơ học:
( ) ( ) ( )
e c
M p −M p =Jpω p
( ) . ( ) e u M p =K I pφ . Do ons C t φ = , ta có: ( ) . ( ) ( ) . ( ) e M p K I p E p K p φ φ ω = =
Từ các phương trình này ta xây dựng được mơ hình của động cơ một chiều kích từ độc lập từ thơng khơng đổi như sau:
1 ( ) .( . ( )) 1 1 ( ) .( . ) u u u c R I p U K p T p p K I M Jp φ ω ω φ = − + = −
Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thơng khơng đổi:
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập có từ thơng khơng đổi.
Chương IV. Tính tốn và mơ phỏng trên Simulink. 4.1. Lựa chọn các thơng số cho q trình mơ phỏng.
Chọn các thơng số cho động cơ điện một chiều: - Công suất định mức: Pdm = 10(kW)
- Điện áp định mức: Udm = 220 (V) - Tốc độ định mức ndm = 1150 (v/ph) - Hiệu suất định mức: ηdm = 90% - Điện cảm phần ứng: L = 0,3(H) - Mơmen qn tính: J =2 (kg/m)2
- Độ dốc của đặc tính từ hố và mơmen tải: Kk = 5
B = 1 KI0 = 4 KωB = 10
Chọn các thông số của các bộ biến đổi, xenxơ dòng điện và máy phát tốc: - Hằng số thời gian của cảm biến dòng điện: Ti = 0,002(s)
- Hằng số thời gian của chuyển mạch chỉnh lưu: Tv = 0,001(s) - Mạch điều khiển chỉnh lưu: Tdk = 0,001(s)
- Máy phát tốc: Tω = 0,002(s)
Từ các thơng số đã chọn ta tính được các thơng số khác theo các công thức sau: Ωdm = = = 120,43 (rad/s) Mdm = = = 83,04 (N.m) Idm = = = 45,45 (A) Kф = = = 1,83 Rư = 0,5.(1- ηdm).= = 0,24 (Ώ) Tu = = = 1,25 (s) Tsi = Tdk + Tv + Ti = 0,001+0,001+0,002 = 0.004 (s) Ta có: Udm = Kcl.Udk
Uid = Ki.Idm
Chọn Udk = Uid = 10 (V), suy ra: Kcl = = = 22 Ki = = = 0.22 Tu = = = 1,25 (s) Tc = = = 0,14 (s) Tsω = 2.Tsi + Tω = 2.0,004+0,002 = 0,01 (s) = = 0,94 U = ω.K U = 10 (V) K = = = 0,083
Từ đây ta suy ra hàm truyền của bộ điều khiển dịng điện và tốc độ có dạng: Ri= = 6,2 +
4.2. Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng Simulink.4.2.1. Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const. 4.2.1. Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const.
Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình 1.26.
Hình 4.1. Sơ đồ mơ phỏng trong simulink khi từ thơng khơng đổi.
Đặc tính tốc độ, đặc tính dịng điện, điện áp phản hồi của động cơ thu được khi mô phỏng trong chế độ quá độ lần lượt như hình dưới đây:
- Đặc tính tốc độ:
4.2.2. Mơ phỏng động cơ điện một chiều trong trường hợp Uư không đổi (∆Up = 0).
Sơ đồ mơ phỏng trong simulink như hình 3.2.
Hình 4.2 Sơ đồ mơ phỏng khi điện áp phần ứng khơng đổi.
- Đặc tính tốc độ:
-Điện áp phản hồi:
4.2.3. Mạch vòng dòng điện của động cơ một chiều trong Simulink.
Sơ đồ mơ phỏng trong simulink như hình 1.27..
Hình 4.3. Mạch vịng điều chỉnh dòng điện động cơ trong Simulink.
Với điện áp là dạng step, mô phỏng ta thu được kết quả dạng tín hiệu dịng điện ra và điện áp phản hồi có dạng:
- Tín hiệu dịng điện:
4.2.4. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ (có mạch vịng điều chỉnh dịng điện) mơ phỏng trong Simulink.
Sơ đồ mơ phỏng trong simulink như hình 1.28.
Hình 4.4. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ.
Các đường đặc tính thu được: - Dịng điện:
- Tốc độ:
4.2.5. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chế dịng sau bộ điều khiểntốc độ (hình 3.5). tốc độ (hình 3.5).
Hình 4.5. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chể dịng.
- Tín hiệu tốc độ:
4.3. Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được.
-Trong hai trường hợp điện áp phần ứng không đổi và từ thơng khơng đổi ta thấy thời gian q độ của dịng điện, điện áp phản hồi, tốc độ ở trường hợp điện áp phần ứng không đổi là lớn hơn (do Tk>>Tu), tuy nhiên độ quá điều chỉnh lại nhỏ hơn.
-Khi có thêm bộ điều chỉnh dịng điện và bộ điều chỉnh tốc độ thì điện áp phản hồi bám theo điện áp đặt hơn.
-Khâu hạn chế dịng lắp sau bộ điều chỉnh tốc độ có tác dụng làm giảm tín hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện.
KẾT LUẬN
Máy tiện là cơng cụ điều khiển số CNC đóng vai trị rất quan trọng. Sử dụng máy tiện cho phép giảm khối lượng gia cơng chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất nên ngày nay trên thế giới rất nhiều nước đã áp dụng rộng rãi máy cơng cụ số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Bên cạnh đó, sự phát triển về cơng nghệ thơng tin đã gặt hái được rất nhiều thành tựu to lớn, các máy tính số ngày càng được sản xuất nhiều với những tính năng tốc độ xử lý dữ liệu cao, sử dụng dễ dàng, kết cấu nhỏ gọn, giá thành thấp. Chính vì thế, việc thiết kế bộ điều khiển nhỏ gọn, độ chính xác và tin cậy cao trong q trình gia cơng chi tiết máy, nâng cao hiệu quả kinh tế trên cơ sở máy tính cá nhân PC là xu hướng phát triển của bộ điều khiển cho máy công cụ. Với những kết quả thực tế hoạt động cho thấy sự phù hợp của những thơng số tính tốn và thơng số làm việc thực tế. Vậy máy tiện ñược thiết kế ứng dụng trong gia công chi tiết đạt kết quả rất tốt, đáp ứng được nhu cầu thay thế sức lao động chân tay của các doanh nghiệp.
Tài liệu tham khảo
Điều chỉnh tự động truyền động điện (Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn - Phạm Quốc Hải - Dương Văn Nghi).
Matlap và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động (Nguyễn Phùng Quang).