Xem mẫu

  1. LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động c ơ đi ện 1 chiều được ứng d ụng r ất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot ; để thực hiện các nhi ệm v ụ trong công nghi ệp hi ện đ ại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xu ất, yêu c ầu có b ộ đi ều khi ển t ốc độ. Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) đ ược dùng ph ổ bi ến trong các h ệ điều khiển công nghiệp. Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ th ống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng đi ều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó c ần phải ti ến hành nghiên c ứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện ngày càng đạt đ ược ch ất l ượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu c ầu t ự động hóa truyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất. Trong học kì này em đã nhận được đề tài : “Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng đi ều khi ển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2 trường hợp”. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã dành nhi ều c ố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong đ ược s ự góp ý, ch ỉ b ảo thêm của thầy, cô. Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Giang CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các h ệ th ống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động c ơ đi ện m ột chiều t ừ vài W đ ến MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có th ể đáp ứng yêu c ầu momen, tăng t ốc,
  2. và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng v ới các truy ền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhi ều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ. 1.1.1 Nguyên lí cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều gồm có stator , rotor, cổ góp và chổi điện. Stator ( phần cảm ) : gồm các cuộc dây được quấn tập trung trên các cực từ của rotor. Các cực từ của stator được ghép cách điện với các lá thép kỹ thuật điện được dập hình sẵn có bề dày từ 0.5 đến 1mm và được gắn trên gông từ làm bằng thép đúc, cũng chính là v ỏ máy. Rotor ( phần ứng ) : gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép phần ứng đ ược ghép từ các là thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhi ều phần tử được đặt vào cách rãnh trên lõi thép rotor. Các ph ần t ử dây qu ấn rotor đ ược n ối ti ếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp đ ược c ố đ ịnh trên tr ục rotor. Cổ gớp và chổi điện : làm nhiện vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng. 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.  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.
  3.  Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp : Dây quấn kích t ừ có hai cu ộn dây, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. 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 đơn gi ản, d ễ ch ế t ạo. Dó 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 d ụng đ ộng c ơ điện một chiều. Có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều cơ bản như : - Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng - Thay đổi từ thông - Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu đi ều ch ỉnh t ốc đ ộ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong phạm vi đ ồ án này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 1.2 Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập 1.2.1 Mô tả chung. Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện 1 chiều được biểu diễn như sau:
  4. Trong đó: + CKĐ: dây quấn kích từ độc lập + CKN: dây quấn kích từ nối tiếp + CB: dây quấn bù + CF: dây quấn cực từ phụ + UK : điện áp kích thích + U: điện áp phần ứng + N, p’,a, Lư, Rư :số thanh dẫn td, số đôi cực, số đôi mạch nhánh, hệ số tự cảm, điện trở phần ứng. + RK, LK : điện trở và điện cảm cuộn kích từ độc lập + iK : dòng điện phần kích từ. + I : dòng điện phần ứng. + ω , M, MC là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ 1.2.2 Chế độ xác lập của động cơ 1 chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp U K nào đó, thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ . Tiếp đó lại đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thôngm ạch kích từ sẽ t ạo ra mômen điện từ có giá trị:
  5. Trong đó : p’ _ số đôi cực của động cơ; N _ số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ ; a _ số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng ; k = p’N/2a hệ số kết cấu của máy. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục. Các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức từ động : Trong đó _ tốc độ góc của roto. Trong chế độ xác lập ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U = I.Rư + E Trong đó : E = kΦω _ sức điện động. Rư : điện trở mạch phần ứng của động cơ. => 1.2.3 Chế độ quá độ của động cơ 1 chiều a) Mô tả chung. Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1 như sau : - Mạch kích từ có 2 biến : + ik _ dòng điện kích từ. + _ từ thông máy phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt. Nk: số vòng dây cuộn kích từ Rk: điện trở cuộn dây kích từ ⇒ biến đổi Laplap ta được : - Mạch phần ứng : NN: số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp => Hoặc dạng dòng điện:
  6. Lư _ điện cảm mạch phần ứng ; NN _ số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp Tư = Lư /Rư _ hằng số thời gian mạch phần ứng - Phương trình chuyển động của hệ thống : M(p) – Mc(p) = Jp Trong đó J là momen quán tính của 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 c ơ một chiều như sau : Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hóa đoạn đăc tính từ hóa và đặ tính mômen tải như sau :
  7. Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính cơ momen tải tương ứng là : Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0; dòng phần ứng I0, tốc đ ộ , đi ện áp kích từ Uko, từ thông Φo dòng kích từ Iko và mômen tải Mcb. Biến thiên nhỏ của đại lượng trên tương ứng là: * Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập thì NN = 0 => các phương trình sau: - Mạch phần ứng : Từ PT : Ta có : - Mạch kích từ : - Phương trình chuyển động cơ học : Từ các phương trình trên nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các ph ương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số: -> phần ứng : =Rư.∆I(p).(1+pTư) -> phần kích từ :
  8. ∆Uk(p) = Rk.∆Ik(p)(1+pTk) -> phương trình chuyển động cơ học : K.Io.∆Φ(p) +K.Φo.∆I(p) - ∆Mc(p) = J.p∆ω(p) b) Trường hợp từ thông kích từ không đổi. Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động c ơ được kích thích b ằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số : Ta có các phương trình cho động cơ như sau : KΦ = const = Cu -> phần ứng : U(p) = RưI(p)(1 + pTư) + Cu.ω(p) -> phương trình động học : Cu.I(p) – Mc(p) = Jpω(p)
  9. Nhận thấy rằng các quan hệ của động cơ một chiều với từ thông không đổi đều tuyến tính hay mô hình động cơ một chiều khi = const là mô hình tuyến tính. T ừ mô hình này hoặc từ các phương trình mô tả động c ơ ta có thể bi ến đ ổi đ ể tìm đ ược các mô hình rút gọn với đầu ra là dòng điện hay tốc độ theo giá trị đầu vào là Uu và Mc. CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Khái quát về bộ điều khiển PID Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có 3 thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID phải nhất thi ết l ựa ch ọn ch ế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số cho các chế đ ộ đã ch ọn. M ột cách t ổng quát, có 3 thuật toán được sử dụng là P, PI và 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 ti ếp ( h ỉnh 2.2 ). B ộ PID có nhi ệm
  10. vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá đ ộ th ỏa mãn các yêu c ầu c ơ bản về chất lượng : - Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần , tín hi ệu đi ều ch ỉnh u(t) càng lớn. - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần , PID v ẫn còn t ạo tín hi ệu điều chỉnh. - Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần , phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh. Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào – ra : Trong đó : e(t) : tín hiệu đầu vào u(t) : tín hiệu đầu ra : hệ số khuếch đại : hằng số tích phân : hằng số vi phân Từ mô hình vào – ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID : 2.2 Giới thiệu cấu trúc điều khiển - Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền đ ộng điện tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ đi ều ch ỉnh dòng đi ện, là bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng đ ược t ổng h ợp t ừ đ ối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng Để thực hiện hai loại phản hồi âm là tốc độ quay và dòng điện gây tác dụng riêng rẽ, trong hệ thống bố trí hai bộ điều chỉnh, một dùng cho tốc độ quay và một dùng cho dòng điện. Hai bộ này ghép nối tiếp nhau tức là lấy đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ quay để làm đầu vào của bộ điều chỉnh dòng điện, sau đó đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện đi khống chế thiết bị phát xung của bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristo.
  11. Trong đó R là bộ điều chỉnh tốc độ quay ω R là bộ điều chỉnh dòng điện I FX - thiết bị phát xung FT - máy phát xung đo tốc độ CL – chỉnh lưu GHD – khâu giới hạn dòng - khâu giới hạn tốc độ tăng của tín hiệu - Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng điều khiển dòng
  12. 2.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện 2.3.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thì m ạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng c ơ bản c ủa mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là tr ực ti ếp (ho ặc gián ti ếp) xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, đi ều ch ỉnh gia t ốc v.v... Một phương án đơn giản nhất để điều chỉnh dòng đi ện là dùng b ộ đi ều ch ỉnh t ốc đ ộ hoặc điện áp R có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện phi tuyến R. Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến để ra vùng kém nhạy thì bộ điều ch ỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ ( hay điện áp ) mà không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện. Khi dòng điện đủ lớn, khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng hạn chế dòng của bộ điều chỉnh R. Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền động điện tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là b ộ đi ều ch ỉnh dòng đi ện, là bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng. • Cấu trúc cơ bản của mạch điều khiển dòng Mạch vòng điều khiển dòng có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện động cơ 1 chiều. Nó cũng hạn chế dòng của động cơ khi không vượt qua ngưỡng cho phép.. M ột m ặt khác
  13. nhiệm vụ của bộ điều khiển là tiết lập dòng phần ứng bằng giá tr ị đặt tr ước các s ự thay đổi của nhiễu. Đối với động cơ 1 chiều bộ điều khiển dòng có thể được tổng hợp theo 2 cách : + Tổng hợp bộ điều khiển RI khi bỏ qua sức điện động phần ứng. + Tổng hợp bộ điều khiển RI khi có tính đến sức điện động phần ứng. Trong những trường hợp quán tính cơ của động c ơ lớn h ơn nhi ều so v ới quán tính phần điện nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn h ơn nhi ều lần so với sự thay đỏi của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi. Khi cần điều khiển chính xác thì cần tính đến sức điện động của động cơ. 2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển dòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động c ủa động cơ Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như hình sau : Trong đó Tcl, Tv, Tư, Tbd - các hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển m ạch chỉnh lưu, phần ứng, biến dòng . Rư - điện trở mạch phần ứng. Để tổng hợp bộ RI ta đưa về mô hình dạng chuẩn : Trong đó làm mô hình đối tượng của bộ điều khiển dòng Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có bộ điều khiển dòng Ta thấy trong mô hình đối tượng , các hằng số th ời gian Tcl, Tv, Tbd là rất nhỏ so với thời gian điện từ Tư. Đặt TSI = Tcl + Tv + Tbd thì có thể viết lại (2.1) ở dạng gần đúng như sau :
  14. Thay giá trị của ta được Chọn Vậy bộ điều khiển dòng tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu là 1 bộ đi ều khiển PI. Theo tiêu chuẩn này hàm truyền kín của mạch vòng có dạng : 2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc n ối tầng v ới vòng trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng đi ều khi ển t ốc đ ộ. Tuy nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu c ầu ch ất l ượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện. 2.4.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng : Cấu trúc này khi triển khai cho động cơ 1 chiều có mô hình như sau: Khi tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta sẽ được hàm truyền của mạch vòng như sau : Do là giá trị nhỏ nên có thẻ lấy xấp xỉ hàm truyền kín của mạch vòng Khi đó sơ đồ điều khiển có thể rút gọn lại :
  15. Như vậy đối tượng cho bộ điều khiển tốc độ có thể tính được : với hàm truyền khâu đo có dạng xấp xỉ hàm truyền đối tượng ta được :  Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 khâu P Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có Chọn   Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 bộ PI Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng ta có Chọn 2.4.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng điều khiển dòng : Sơ đồ cấu trúc: Như vậy đối tượng cho bộ điều khiển tốc độ có thể tính được với hàm truyền khâu đo có dạng
  16.  Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 khâu P Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có Chọn  Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 bộ PI Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng ta có Chọn CHƯƠNG 3 : TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK 3.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển tốc độ  Cho tham số của động cơ như sau: Động cơ Л-11 - Công suất định mức : Pđm =0.7 [kW] - Điện áp định mức : Uđm= 220 [V] - Dòng điện định mức : Iđm = 4.3 [A] - Tốc độ định mức : nđm = 3000 [v/p] - Điện trở phần ứng : Rư = 5.340 [Ω] - Điện cảm phần ứng : Lư = 0.0972 [H] - Mô men quán tính : J = 0.012 [kg.m2]  Tính toán các giá trị của bộ điều khiển - Bộ chỉnh lưu : Hàm truyền đạt của khâu chỉnh lưu cầu 3 pha : trong đó : : là hệ số khuếch đại của khâu chỉnh lưu. Tcl = 0.002 - Máy phát tốc : Hàm truyền đạt của máy phát tốc :
  17. Trong đó ft T = 0.004 là hằng số thời gian của máy phát tốc. - Biến dòng : Hàm truyền đạt của biến dòng : trong đó : : là hệ số khuếch đại của biến dòng. bd T = 0.001 là hằng số thời gian của cảm biến dòng. Ta có : - Tốc độ định mức : - Tính Cu : - Tính momen định mức - Ta có bộ điều khiển dòng có dạng như sau Trong đó : TI = TU = 0.018, TSI = Tv + Tbd + Tcl = 0,004 Vậy hàm truyền của bộ điều khiển mạch vòng dòng điện là : - Tính bộ điều khiển tốc độ ( theo phương pháp modul tối ưu ) :  Khi có mạch vòng dòng điện : Ta có bộ điều khiển tốc độ có dạng như sau Trong đó :  Khi không có mạch vòng dòng điện :
  18. 3.2 Mô phỏng trên Simulink và kết quả mô phỏng 3.2.1 Mô phỏng động cơ điện 1 chiều - Sơ đồ mô phỏng: XY Graph Sum 1 0.18 1 0.63 0.018 s+1 0.012 s Step (1/Ru)/(1+Tup ) Cu 1/Jp 0 Mc 0.63 Cu1 Với giá trị của U nhảy từ 50 lên 100 vào giây thứ 10 - Kết quả mô phỏng
  19. c Khi M = 0 c Khi M = 2
  20. Nhận xét : Đặc tính cơ của động cơ khi mô phỏng giống như lý thuyết. 3.2.2 Mô phỏng mạch vòng dòng điện - Sơ đồ mô phỏng 0.018 s+1 1 22 0.18 5 0.55 0.018 s 0.001 s+1 0.002 s+1 0.018 s+1 Mach vong dong dien Isp Ri BBD 1 0.001 s+1 Bien dong - Kết quả mô phỏng Nhận xét : Dòng điện đầu ra bám sát vào giá trị đặt => BĐK hoạt động tốt 3.2.3 Mô phỏng mạch vòng điều chỉnh tốc độ
nguon tai.lieu . vn