CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1. Nguyên lý cấu tạo động cơ điện một chiều Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện một chiều cũng gồm có stato và rôto. Hình 1.1 Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều Stato: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung trên các cực từ stato. Các cực từ stato được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuật điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, và được gắn trên gông từ bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy. Rôto: còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần ứng. lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau. Dây qấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh trên lõi thép rôto. Các phần tử dây quấn rôto đượ nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rôto. Cổ góp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng. 1 1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại sau: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ được tạo ra bằng nam châm vĩnh cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu. Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song song với mạch phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong đó, cuộn kích từ song song thường là cuộn chủ đạo. Hình 1.2 trình bày các loại động cơ điện một chiều Hình 1.2 Các loại động cơ điện một chiều a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập b) Động cơ điện một chiều kích từ song song c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 2 1.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơb giản, dễ chế tạo. Do đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều. Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong phạm vi luận văn này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có từ thông kích thích bằng định mức. 1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.2.1. Động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập Để xét các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta xuất phát từ sơ đồ nguyên lý động cơ như hình 1.3 Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập Trong chế độ làm việc xác lập (Điều chỉnh tự đông truyền động điện), dòng kích từ i f đi qua dây quấn kích từ sẽ tạo ra từ thông kích thích Φ trong động cơ. Phần ứng được đặt vào nguồn cung cấp một chiều có điện áp U A , _ + u A i A ω e A 3 trong dây quấn phần ứng có dòng điện I A . Tương tác điện từ giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo ra mômen quay làm quay trục động cơ. Giá trị của mômen điện từ được xác định: AMAm IkI a pN M Φ=Φ= π 2 (1.1) trong đó: a Np k M π 2 . = - hằng số mômen, phụ thuộc vào kết cấu động cơ. p - số đôi cực từ của động cơ; N - tổng số thanh dẫn của dây quấn phần ứng; a - số đôi mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng; Khi phần ứng quay, dây quấn phần ứng quét qua từ thông trong máy, làm cảm ứng trên dây quấn phần ứng một sức điện động E A có giá trị được xác định: ω π Φ= a pN E A 2 (1.2) trong đó: ω - tốc độ góc của rôto. Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: AAAA IREU += (1.3) trong đó: R A – điện trở mạch phần ứng động cơ. Trong chế độ xác lập, tốc độ góc của rô to có thể được xác định thông qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng (1.3): Φ − = M AAA k IRU ω (1.4) 1.2.2. Động cơ điện một chiều trong chế độ quá độ: Khi từ thông kích thích là không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng châm vĩnh cửu, dựa vào sơ đồ thay thế động cơ trên hình 1.3, ta rút ra được các phương trình sau: 4 Điện áp phần ứng: dt di LiReu A AAAAA ++= trong đó: L A - điện cảm phần ứng; A A A R L T = - hằng số thời gian phần ứng. Sức điện động cảm ứng: ω Φ= MA ke (1.5) Tốc độ quay: )( 1 TM mm Jdt d −= ω (1.6) Mômen quay: AMM ikm Φ= (1.7) Từ các phương trình động học cơ bản của động cơ ở trên, ta xây dựng được cấu trúc điều khiển của động cơ điện một chiều như trên hình 1.4. Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập sT R A A + 1 /1 Js 1 u A e A _ k M Φ m M m T _ ω i A k M Φ 5 1.3. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH VÒNG HỞ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Dựa vào cấu trúc điều khiển của động cơ điện một chiều như trên hình 1.4, ta xây dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều trên nền Simulink như sau: Hình 1.5 Mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu trên nền simulink Tiến hành khảo sát mô hình ở chế độ không tải, với từ thông kích từ bằng định mức. Điện áp ban đầu đặt vào phần ứng của động cơ bằng điện áp định mức. Để điều chỉnh tốc độ động cơ ta thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ. Đáp ứng dòng phần ứng và tốc độ của động cơ như trên hình 1.6. Ta thấy sau thời gian khoảng 1,5 giây hệ thống đi vào ổn định. Khi điều chỉnh tốc độ động cơ, hệ thống sau 2 giây cũng ổn định. Để xét ảnh hưởng của phụ tải đối với động cơ, ta đặt trị mômen tải vào mô hình với giá trị định mức. Hình 1.7 thể hiện đáp ứng dòng điện và tốc độ động cơ khi có tải định mức. Từ đáp ứng tốc độ trên hình 1.6 và hình 1.7 ta thấy rằng cùng với một giá trị điện áp đặt, khi phụ tải thay đổi tốc độ động cơ thay đổi theo. 6 Hình 1.6 Đáp ứng dòng điện phần ứng và tốc độ của động cơ khi không tải. Hình 1.7 Đáp ứng dòng điện phần ứng và tốc độ của động cơ khi tải thay đổi. 7 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trên cơ sở khảo sát các đặc tính vòng hở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta rút ra được các kết luận sau: - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập là một đối tượng phi tuyến; - Khi khởi động trực tiếp động cơ, trong thời gian quá độ, dòng điện phần ứng tăng lên rất lớn so với dòng điện định mức; - Việc điều chỉnh tốc độ động cơ tương đối dễ dàng bằng cách sử dụng các bộ nguồn điều chỉnh được như hệ thống máy phát – động cơ, hệ thống chỉnh lưu điều khiển – động cơ…Tuy nhiên tốc độ của động cơ thay đổi mạnh theo phụ tải, do đó không có khả năng ổn định tốc độ tại điểm tốc độ chọn. Để ổn định được tốc độ động cơ cần thiết lập các mạch vòng điều khiển, tín hiệu vào cho các bộ điều khiển chính là các tín hiệu phản hồi dòng điện, tốc độ của hệ thống. 8 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG PID 2.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển truyền động điện được chia thành hai phần: mạch động lực và mạch điều khiển. Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền động điện Mạch động lực gồm động cơ truyền động và bộ biến đổi làm nhiệm vụ cung cấp nguồn cho động cơ làm việc. Bộ biến đổi sẽ nhận nguồn không đổi từ lưới, đầu ra của nó là nguồn đã thay đổi về dòng điện, điện áp, tần số theo yêu cầu của điều khiển. Trên thực tế, các bộ biến đổi tương đối đa dạng, có thể là các máy phát điện, bộ biến đổi điện từ, bộ biến đổi điện tử công suất. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện bán dẫn, các van bán dẫn có dòng áp cao, chuyển mạch nhanh, hiệu suất và độ tin cậy cao đã được sử dụng để chế tạo các bộ biến đổi, làm cho trong hầu hết các hệ thống truyền động sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất. Mạch điều khiển gồm có các bộ điều khiển và các bộ cảm biến. Các bộ điều khiển làm nhiệm vụ nhận tín hiệu đặt ở đầu vào và các tín hiệu phản hồi từ các bộ cảm biến, tạo ra tín hiệu điều khiển cho các bộ biến đổi để duy trì các giá trị dòng điện, tốc độ, mô men quay cho động cơ theo yêu cầu điều khiển. Các bộ cảm biến làm nhiệm vụ thu thập các thông số trạng thái của hệ 9 thống như dòng điện, tốc độ, vị trí làm tín hiệu vào cho các bộ điều khiển. Các bộ cảm biến dòng điện có thể dùng máy biến dòng; cảm biến tốc độ dùng máy phát tốc, bộ chuyển mạch quang và đĩa mã hóa; cảm biến vị trí dùng chuyển mạch quang và đĩa mã hóa [4]. 2.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Với đối tượng điều khiển là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có từ thông là định mức, ta xây dựng hệ thống điều khiển cho động cơ gồm hai vòng điều khiển: vòng điều khiển dòng điện và vòng điều khiển tốc độ. Các bộ điều khiển sử dụng trong các vòng điều khiển là các bộ điều khiển PID. 2.2.1. Khái quát về bộ điều khiển PID Cấu trúc của bộ điều khiển PID (hình 2.2) gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn. Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID. Hình 2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình 2.3). 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 cầu cơ bản về chất lượng: 10 [...]... kh i của một hệ i u khiển số như trên hình 3.1 Hình 3.1 Sơ đồ kh i hệ thống i u khiển số Hệ thống i u khiển số bao gồm hai lo i khâu cơ bản: - Khâu có bản chất gián đoạn: các giá trị vào-ra trạng th i đều gi i hạn về th i gian và mức Khâu này mô tả các thiết bị i u khiển số [3] - Khâu có bản chất liên tục: mô tả đ i tượng i u khiển việc gián đoạn hóa xuất phát từ mô hình trạng th i liên tục của. .. Việc thiết kế hệ thống i u khiển động cơ i n một chiều dùng PID tương đ i dễ dàng, do đó trong các hệ thống truyền động i n có yêu cầu cao về i u chỉnh tốc độ ngư i ta thường sử dụng động cơ i n một chiều; - Hệ thống i u khiển động cơ có hai vòng i u chỉnh có khả năng ổn định được tốc độ khi t i thay đ i Do đó ta thấy các bộ i u khiển đã chọn đáp ứng được yêu cầu khi thiết kế 27 CHƯƠNG 3: I U... v i hai vòng i u chỉnh trên nền Simulink như trên hình 2.12 25 Hình 2.12 Mô hình hệ thống hai vòng i u chỉnh trên nền Simulink Khảo sát mô hình ở chế độ không t i Sau 6 giây i u chỉnh mômen t i của động cơ Đáp ứng dòng phần ứng và tốc độ của động cơ thu được như trên hình 2.13 Hình 2.13 Đáp ứng dòng i n phần ứng và tốc độ động cơ của hệ thống có hai vòng i u chỉnh 26 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 - Việc... i m q=jΩ cũng nằm trên trục ảo của mặt phẳng Q ký hiệu Ω là tần số đã được biến vị Ω l : T T  Ω = tg  ω  2 2  (3.6) 3.3 XÂY DỰNG BỘ I U KHIỂN PID SỐ CHO ĐỘNG CƠ I N MỘT CHIỀU Từ mô hình i u khiển liên tục hình 2.11 ta chuyển sang sơ đồ i u khiển dạng số như sau: Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý i u khiển số cho động cơ i n một chiều 32 Khi chưa xét tác động của t i ta có sơ đồ tương đương sau:... chống nhiễu và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ 3.2 BỘ I U KHIỂN PID SỐ 3.2.1 Cấu trúc bộ i u khiển số Hình 3.2 Hệ thống i u khiển sử dụng PID số Hình 3.2 biểu diễn hệ thống i u khiển sử dụng PID số Tín hiệu ra của PID số được dùng để i u khiển cho đ i tượng liên tục Do đó dãy {uk} đầu ra của PID số cần được liên tục hóa trước khi đưa đến i u khiển đ i tượng bằng bộ chuyển đ i số - tương tự ZOH v i hàm... G i A là diện tích bao b i đường cong h(t) và k = lim h(t ) (hình 2.8) Giữa t →∞ m t diện tích A và các hằng số th i gian Ti , T j , T có m i quan hệ(lý thuyết i u khiển tuyến tính ): n m j =1 i =1 A = kTΣ = k (∑ T jm − ∑ Ti t + T ) (2.5) Hình 2.8 Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số th i gian Để xác định được các tham số của bộ i u khiển, trước tiên cần xác định các giá trị k và T∑ Các giá... I U KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ I N MỘT CHIỀU DÙNG PID SỐ 3.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG I N I U KHIỂN SỐ Hệ thống i u khiển số là hệ thống có ít nhất một tín hiệu truyền trong hệ thống là tín hiệu số Trong hệ thống i u khiển như hình 3.1, tín hiệu vào ra của bộ PID số là tín hiệu dạng số Hệ i u khiển số bao gồm hệ thu nhập xử lý tín hiệu vi xử lý, vi i u khiển, các hệ thống lớn có máy tính số…... độ của đ i tượng i u khiển Tùy theo đặc i m của từng đ i tượng, Ziegler và Nicols đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ i u khiển: Phương pháp Ziegler-Nicols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các đ i tượng có đáp ứng đ i v i tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.4) như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ Hình 2.4 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S Thông số của các bộ i u khiển... lưu và tín hiệu phản h i dòng được lấy từ cảm biến dòng Hàm truyền của khâu chỉnh lưu: Wr ( s ) = kr Tr s + 1 trong đ : kr, Tr là hệ số khuếch đ i và hằng số th i gian của chỉnh lưu Hàm truyền của khâu cảm biến dòng : Wi ( s ) = ki Ti s + 1 V i: ki, Ti là hệ số khuếch đ i và hằng số th i gian của khâu cảm biến dòng Từ sơ đồ cấu trúc trên hình 2.10, ta xác định được hàm truyền của đ i tượng i u khiển:... tục của đ i tượng Khi ghép n i khâu i u chỉnh số vào hệ thống cần sử dụng các bộ biến đ i A/D và D/A Bộ biến đ i A/D làm nhiệm vụ biến đ i tín hiệu từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, làm tín hiệu đầu vào cho khâu i u khiển số Việc biến đ i từ tín hiệu liên tục thành tín hiệu r i rạc g i là quá trình trích mẫu, v i chu kỳ trích mẫu thường là không đ i Phần tử lưu giữ sẽ chuyển đ i tín hiệu đã được . trình bày các lo i động cơ i n một chiều Hình 1.2 Các lo i động cơ i n một chiều a) Động cơ i n một chiều kích từ độc lập b) Động cơ i n một chiều kích từ song song c) Động cơ i n một chiều kích. CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ I N MỘT CHIỀU 1.1. KH I QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ I N MỘT CHIỀU 1.1.1. Nguyên lý cấu tạo động cơ i n một chiều Giống như các lo i động cơ. n i tiếp d) Động cơ i n một chiều kích từ hỗn hợp 2 1.1.3. i u chỉnh tốc độ động cơ i n một chiều Ưu i m cơ bản của động cơ i n một chiều so v i các lo i động cơ i n khác là khả năng i u