›
›

Đồ án Xây dựng hệ truyền động điện động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID - Lưu Đức Trường

pdf 63 trang huongle 2860
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Xây dựng hệ truyền động điện động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID - Lưu Đức Trường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_xay_dung_he_truyen_dong_dien_dong_co_mot_chieu_su_dung.pdf

Nội dung text: Đồ án Xây dựng hệ truyền động điện động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID - Lưu Đức Trường

  1. LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay với sự phát triển khơng ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn, trong đĩ ngành tự động hĩa cũng gĩp phần khơng nhỏ vào thành cơng đĩ. Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hố sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ. Từ trước đến nay, động cơ một chiều vẫn luơn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong những hệ thống yêu cầu cao. Vì vậy em đã được giao đề tài tốt nghiệp là: “Xây dựng hệ truyền động điện động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID”. Nội dung đề tài được chia làm 3 chương: Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động điện một chiều Chương 2. Xây dựng mơ hình hệ truyền động điện một chiều trên Matlab và Simulink Chương 3. Xây dựng mơ hình vật lý bộ điều khiển PID điều khiển động cơ điện một chiều Trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp, em luơn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo GS TSKH Thân Ngọc Hồn. Em xin gửi tới hai thầy lời cảm ơn chân thành. Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của đồ án cùng với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức cịn hạn chế nên bản đồ án này khơng tránh khỏi những thiếu sĩt rất mong sự đĩng gĩp ý kiến của thầy cơ để bản đồ án của em được hồn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Lưu Đức Trưởng 1
  2. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1. Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều a. Cấu tạo của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều cĩ thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động. - Phần tĩnh hay stato hay cịn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nĩ gồm cĩ: +) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn kích thích hay cịn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau. +) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm cĩ lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ cĩ thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulơng. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau +) Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ cĩ đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulơng. +) Gơng từ: Gơng từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Cĩ khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. +) Các bộ phận khác: 2
  3. Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngồi rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an tồn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy cịn cĩ tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than bao gồm cĩ chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên cổ gĩp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than cĩ thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. - Phần quay hay rơto: Bao gồm những bộ phận chính sau. +) Phần sinh ra sức điện động gồm cĩ: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ cĩ các rãnh để lồng dây quấn phần ứng. Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vịng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến gĩp, các phiến gĩp đĩ được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ gĩp hay vành gĩp. Tỳ trên cổ gĩp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ gĩp nhờ lị xo. +) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy gây nên. Trên lá thép cĩ dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta cịn dập những lỗ thơng giĩ để khi ép lại thành lõi sắt cĩ thể tạo được những lỗ thơng giĩ dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy cĩ để một khe hở gọi là khe hở thơng giĩ. Khi máy làm việc giĩ thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt cĩ đặt giá rơto. Dùng giá rơto cĩ thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rơto. 3
  4. +) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và cĩ dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng cĩ bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ cĩ cơng suất dưới vài Kw thường dùng dây cĩ tiết diện trịn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh cĩ dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm cĩ thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit. +) Cổ gĩp: Cổ gĩp gồm nhiều phiến đồng cĩ được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục trịn. Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ trịn cũng cách điện bằng mica. Đuơi vành gĩp cĩ cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến gĩp được dễ dàng. b. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều - Phân loại động cơ điện một chiều Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đĩ ta cĩ 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng: +) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ. +) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng. +) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng. +) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm cĩ 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng. - Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều cĩ cấu tạo đơn giản và cơng suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí 4
  5. nhất định trong cơng nghiệp giao thơng vận tải, và nĩi chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy cơng cụ lớn, đầu máy điện ). Mặc dù so với động cơ khơng đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ gĩp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm của nĩ mà máy điện một chiều vẫn khơng thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. +) Ưu điểm của động cơ điện một chiều là cĩ thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ khơng đồng bộ khơng thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều khơng những cĩ thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao. +) Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là cĩ hệ thống cổ gĩp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và khơng an tồn trong các mơi trường rung chấn, dễ cháy nổ. 1.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều a. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng cĩ điện. Các thanh dẫn cĩ dịng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rơto quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do cĩ phiếu gĩp chiều dịng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng khơng thay đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dịng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động. Khi đĩ ta cĩ phương trình: U = Eư + Rư.Iư 5
  6. b. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi nguồn một chiều cĩ cơng suất khơng đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập[2]. Hình 1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta cĩ phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư (1.1) Trong đĩ: Uư: Điện áp phần ứng, V Eư: Sức điện động phần ứng, V Rư: Điện trở mạch phần ứng, Iư: Dịng điện của mạch phần ứng, A Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ rct: Điện trở tiếp xúc cuộn bù Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: PN. E ФKФ (1.2) 2лa Trong đĩ: P: Số đơi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng 6
  7. a: Số đơi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng : Từ thơng kích từ dưới một cực từ : Tốc độ gĩc (rad/s) PN. K = : Hệ số cấu tạo của động cơ 2лa Từ (1.1) và (1.2) ta cĩ: U R R uf.I (1.3) K ФKФ Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ Mặt khác, mơ men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi Mđt = K. .Iư (1.4) M Với I đt : thay giá trị I vào (1.3) ta cĩ K.Ф U R R uf.M (1.5) K.(.)ФKФ 2 đt Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mơmen cơ trên trục động cơ bằng mơ men điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M U R R u uf.M (1.6) K.ФФ (K. )2 Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thơng = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (1.3) và phương trình đặc tính cơ (1.6) là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 1.2 là những đường thẳng. U Theo các đồ thị, khi I = 0 hoặc M = 0 ta cĩ: ư K.Ф 0 0 được gọi là tốc độ khơng tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 7
  8. Hình 1.2: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi = 0 ta cĩ: U I I nm (1.7) Ruf R M = K. .Inm = Mnm (1.8) Inm và Mnm được gọi là dịng điện ngắn mạch và mơ men ngắn mạch. Ngồi ra phương trình đặc tính (1.3) và (1.6) cũng cĩ thể được viết dưới dạng: UR .I (1.9) K ФKФ 0 UR .M (1.10) K.(.)ФKФ 2 0 Trong đĩ: R = Rư + Rf, U 0 K.Ф RR IM K.(.)ФKФ 2 được gọi là độ sút tốc độ ứng với giá trị của M. Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy cĩ 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thơng động cơ , điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động cơ. 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU - Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 8
  9. - Phương pháp thay đổi từ thơng Ф - Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 1.2.1. Phƣơng 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, = đm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng[3]. Độ cứng của đường đặc tính cơ: M (kФ )2 (1.11) Ruf R +) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đĩ càng mềm hơn. Hình 1.3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ Ứng với Rf = 0 ta cĩ độ cứng tự nhiên TN cĩ giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên cĩ độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ cĩ 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). +) Chỉ áp dụng cho động cơ điện cĩ cơng 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. 9
  10. +) Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này khơng thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mơmen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = max / min càng nhỏ. Phương pháp này cĩ thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 +) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng khơng kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng khơng cao dù điều khiển rất đơn giản. 1.2.2. Phƣơng pháp thay đổi từ thơng Ф - Nguyên lý điều khiển: Giả thiết U= Uđm, Rư = const. Muốn thay đổi từ thơng động cơ ta thay đổi dịng điện kích từ, thay đổi dịng 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 ( = max) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ cĩ thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thơng tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. Nên khi giảm thì tốc độ khơng tải lý tưởng 2 U dm k o tăng, cịn độ cứng đặc tính cơ giảm, ta thu được họ đặc k Ru tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên[3]. o 2 o 1 đ o m 1 2 M 0 M M c1 c2 Hình 1.4: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thơng - Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thơng thì dịng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mơmen khơng đổi. Vì vậy muốn giữ cho dịng điện khơng vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thơng thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ. - Đặc điểm của phương pháp: 10
  11. +) Phương pháp này cĩ thể thay đổi tốc độ về phía tăng. +) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải khơng quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thơng khơng làm thay đổi dịng điện ngắn mạch. +) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng là phương pháp điều khiển với cơng suất khơng đổi. +) Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Cĩ thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1. Vì cơng suất của cuộn dây kích từ bé, dịng điện kích từ nhỏ nên ta cĩ thể điều khiển liên tục với 1. +) Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, cĩ thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dịng kích từ (1 ÷ 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp). Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển. 1.2.3. Phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng - Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần cĩ thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển Các thiết bị nguồn này cĩ chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều cĩ sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn cĩ cơng suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này cĩ điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác khơng. Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa[3]. ~ R I Rưđ LK b U Uđk BBĐ Đ Eb(Uđk) Eư Hình 1.5: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng Ở chế độ xác lập cĩ thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: 11
  12. Eb - Eư = Iư(Rb +Rưđ) (1.12) ERRb b ud .Iu (1.13) KK dm dm M oU dk (1.14) - Vì từ thơng của động cơ được giữ khơng đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng khơng đổi, cịn tốc độ khơng tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đĩ cĩ thể nĩi 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 thơng 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 mơmen khởi động. Khi mơmen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: M dm max o max (1.15) M dm min o min (1.16) Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải cĩ mơmen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Trong đĩ KM là hệ số quá tải về mơmen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ cĩ thể viết: 1 M dm minMMKnm min dm M 1 (1.17) M dm o max. 1 o max M D dm 1 (1.18) K M 1 K M 1 M dm 12
  13. 0 max max U đk1 U đk2 0min min M,I Mđm Mnm Hình 1.6: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp - Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đĩ cĩ 1 thể tính sơ bộ được: omax . 10 M dm Vì thế tải cĩ đặc tính mơmen khơng đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng khơng vượt quá 10. Đối với các máy cĩ yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là khơng thoả mãn được. - Trong phạm vi phụ tải cho phép cĩ thể coi đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng cĩ đặc tính cơ trong tồn dải là như nhau, do đĩ độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nĩi cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ khơng vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luơn nhỏ hơn sai số cho phép trong tồn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: 13
  14. omin min s (1.19) oomin min M dm sscp (1.20) . omin Vì các giá trị Mđm, 0min, scp là xác định nên cĩ thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số khơng vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vịng kín. - Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ cĩ phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nĩ thu được đặc tính cơ cĩ độ cứng khơng đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và khơng bị tổn hao. 1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều (F - Đ) - Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA - ĐC - Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ (CL - ĐC) 1.3.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ) - Cấu trúc hệ F - Đ và đặc tính cơ bản: Hệ thống máy phát - động cơ (F - Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điên một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp khơng đồng bộ ba pha kéo quay[3]. Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: Đặc tính từ hố là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dịng điện kích từ và đặc tính tải là sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dịng điện tải. Các đặc tính này nĩi chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các phản ứng của dịng điện phần ứng trong tính tốn gần đúng cĩ thể tuyến tính hố các đặc tính này: EF =KF. F. F =KF. F.C.iKF (1.21) Trong đĩ: 14
  15. KF: là hệ số kết cấu của máy phát C = F/ iKF là hệ số gĩc của đặc tính từ hố. Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng UKF thì: IKF =UKF/rKF Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng KF như vậy cĩ thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính: EF = KF.UKF ~ ~ ĐK Uđk F UKĐ iKĐ UF=UĐ Đ iKF F M Uđk U KF MS Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động máy phát động cơ Nếu đặt R = RưF + RưD thì cĩ thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F - Đ như sau: K RI F .U (1.22) KKФФKF KF R UMKF (1.23) KФ KФ 2 M oUU KF, KD (1.24) U KD Các biểu thức trên chứng tỏ rằng, khi điều chỉnh dịng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh được tốc độ khơng tải của hệ thống cịn độ cứng đặc tính cơ thì giữ nguyên. Cũng cĩ thể điều chỉnh kích từ của động cơ để cĩ dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn. 15
  16. - Các chế độ làm việc của hệ F- Đ (II) (I) o M U = 0 ktf (III) (IV) Hình 1.8: Các trạng thái làm việc của hệ F - Đ Trong hệ F - Đ khơng cĩ phần tử phi tuyến nào nên hệ cĩ những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ cơ bản như hình 1.7 động cơ chấp hành Đ cĩ thể làm việc ở chế độ điều chỉnh được cả hai phía: Kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dịng kích thích máy phát, hãm động năng khi dịng kích thích máy phát bằng khơng, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dịng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mơmen tải cĩ tính chất thế năng hệ F - Đ cĩ đặc tính cơ ở cả bốn gĩc phần tư của mặt phẳng toạ độ [ ,M]. +) Ở gĩc phần tư thứ I và thứ III tốc độ quay và mơmen quay của động cơ luơn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ cĩ chiều đối nhau và EEF , c . Cơng suất điện từ của máy phát và động cơ là: PF = EF.I > 0 PĐ = E.I 0 Các biểu thức này nĩi lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn máy phát động cơ tải. +) Vùng hãm tái sinh nằm ở gĩc phần tư thứ II và thứ IV, lúc này do o nên E EF , mặc dù E, EF mắc ngược nhau, nhưng dịng điện phần ứng lại chạy ngược từ động cơ về máy phát làm cho mơmen quay ngược chiều tốc độ quay. 16
  17. Cơng suất điện từ của máy phát, cơng suất điện từ và cơng suất cơ học của động cơ là: PF = EF.I 0 Pcơ = M. < 0 Chỉ do dịng điện đổi chiều mà các bất đẳng thức trên cho ta thấy năng lượng được chuyển vận theo chiều từ tải động cơ máy phát nguồn, máy phát F và động cơ Đ đổi chức năng cho nhau. Hãm tái sinh trong hệ F - Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, khi hãm để đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải cĩ tính chất thế năng. - Đặc điểm của hệ F - Đ: +) Các chỉ tiêu chất lượng của hệ F - Đ về cơ bản tương tự các chỉ tiêu của hệ điều áp dùng bộ biến đổi nĩi chung. Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng chịu quá tải lớn, do vậy thường sử dụng hệ truyền đơng F - Đ ở các máy khai thác trong cơng ngiệp mỏ. +) Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đĩ ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, cơng suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần cơng suất động cơ chấp hành. Ngồi ra do các máy phát một chiều cĩ từ dư, đặc tính từ hố cĩ trễ nên khĩ điều chỉnh sâu tốc độ. 1.3.2. Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA - ĐC) Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều[3]. Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung 17
  18. Để cải thiện dạng sĩng của dịng điện phần ứng ta thêm vào mạch một van đếm V0. Cĩ thể sử dụng thyristor hoặc transistor cơng suất để thay cho khĩa K ở trên. Khi đĩng cắt khĩa K, trên phần ứng động cơ sẽ cĩ điện áp biến đổi theo dạng xung vuơng. Khi ở trạng thái dịng liên tục thì giá trị trung bình của điện áp ra sẽ là: t1 1 t1 U d Udt U .U (1.25) TCK 0 TCK Trong đĩ: t1 : Là thời gian khĩa ở trạng thái đĩng t2 : Là thời gian khĩa ở trạng thái mở Tck : Thời gian thực hiện một chu kỳ đĩng mở khĩa t 1 : Là độ rộng của xung áp TCK Vậy ta cĩ thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục cĩ điện áp ra Ud và Ud cĩ thể thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung . Mặt khác, thời gian một chu kỳ đĩng cắt của khĩa K rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ khơng thay đổi trong thời gian Tck. - Đặc tính điều chỉnh của hệ XA - ĐC .U R R b bđ .I (1.26) K. đm K. đm .U Rư Rbđ 2 .M (1.27) K. đm (K. đm ) Khi thay đổi ta được họ đường thẳng song song cĩ độ cứng = const và tốc độ khơng tải lí tưởng o thay đổi theo . Nếu nguồn vơ cùng lớn thì ta cĩ thể bỏ qua Rbđ, khi đĩ độ cứng của đặc tính cơ của hệ cĩ độ cứng là: 2 (K. đm ) TN const (1.28) Rb 18
  19. Tốc độ khơng tải lí tưởng o phụ thuộc vào chỉ là giá trị giả định. Nĩ cĩ thể tồn tại nếu như dịng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dịng tiến đến 0. Vì vậy hai biểu thức trên chỉ đúng với trạng thái dịng liên tục. Khi dịng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dịng liên tục sang trạng thái dịng gián đoạn. Khi đĩ các phương trình đặc tính điều chỉnh nĩi trên khơng cịn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc. Hình 1.10: Đặc tính cơ của hệ - Nhận xét: +) Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC khi dịng điện gián đoạn đều cĩ chung một giá trị khơng tải lí tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp = 0. +) Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít, hệ đơn giản chắc chắn. +) Độ cứng của đặc tính cơ lớn. +) Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ. Khi làm việc ở trạng thái dịng điện gián đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều. 1.3.3. Hệ truyền động chỉnh lƣu - động cơ điện một chiều (CL - ĐC) - Sơ đồ nguyên lý: ĐK + ĐC KT - CL Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lýL của hệ chỉnh lưu - động cơ điện một chiều 19
  20. Hệ truyền động chỉnh lưu cĩ điều khiển - động cơ điện một chiều (CL - ĐC) cĩ bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu cĩ điều khiển, cĩ sức điện động Ed phụ thuộc vào giá trị của xung điều khiển ( tức là phụ thuộc vào gĩc điều khiển hay gĩc mở Tiristor )[3]. Điện áp chỉnh lưu Ud ( hay Ed ) là điện áp khơng tải ở đầu ra, cĩ dạng đập mạch với số lần đập mạch là n trong một chu kì 2 của điện áp thứ cấp máy biến áp. +) Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia: n = m, trong đĩ m là số pha +) Với sơ đồ hình cầu: n = 2.m, trong đĩ m là số pha Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp cĩ dạng hình sin với biểu thức là: u2 = U2m.sin t = U2m.sin , ( với = t ) (1.29) Trong khoảng = ( 0 2 ) thì dạng điện áp và dịng điện lặp lại như chu kì ban đầu nên ta chỉ cần xét trong một chu kì T = 2 . - Sơ đồ thay thế của hệ CL – ĐC. Tiristor ~ Ud E R L Hình 1.12: Sơ đồ thay thế của hệ chỉnh lưu - động cơ điện một chiều Khi van dẫn thì ta cĩ phương trình cân bằng điện áp như sau: di u E I .R L . d (1.30) 2 d dt di Suy ra: U .sin E i .R L . d (1.31) 2m d dt Trong đĩ: R = Rba + Rư + Rk L = Lba + Lư + Lk W2 2 Với: R ba R 2 R1.( ) (1.32) W1 20
  21. W2 2 Lba L2 L1.( ) (1.33) W1 - Trạng thái dịng liên tục Ở trạng thái dịng liên tục, khi van này chưa khĩa thì van kế tiếp đã mở, việc mở van kế tiếp là điều kiện cần để khĩa van đang dẫn. Do vậy, điện áp của chỉnh lưu sẽ cĩ dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp. Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu: 2 2 n n n n U . u .dt . U .sin .d (1.34) d 2 2 2 2m n .sin .U .cos U .cos n 2m do Trong đĩ: .t ( ) : Là gĩc mở của van o 2 n n U .U .sin : Là điện áp một chiều lớn nhất ở đầu ra chỉnh do 2m n lưu ứng với α = 0 U2m: Là trị biên độ của điện áp thứ cấp máy biến áp n: Là số lần đập mạch trong một chu kì +) Bỏ qua sụt áp trên van, ta cĩ phương trình đặc tính cơ như sau : U do .cos R 2 M (1.35) K. đm (K. đm ) Trong đĩ: n RRRRXR. u kh ba2 ba v Rư: Là điện trở của phần ứng động cơ Rkh: Là điện trở của cuộn kháng lọc W2 2 Rba: Là điện trở của máy biến áp, với R ba R 2 R1.( ) W1 21
  22. W2 2 Xba: Là điện kháng máy biến áp, với Xba X2 X1.( ) W1 Rv: Là điện trở của các van ( Rv rất nhỏ cĩ thể bỏ qua ) n .X : Là điện trở đẳng trị do quá trình chuyển mạch 2 ba +) Độ cứng của đặc tính cơ: dM M (K. ) 2 đm (1.36) d R o o1 Udo o2 Ud1 o3 Ud2 Ud3 M( I ) Hình 1.13: Đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu - động cơ một chiều khi dịng liên tục - Trạng thái dịng gián đọan Khi điện kháng trong mạch khơng đủ lớn, nếu sức điện động của động cơ đủ lớn thì dịng điện tải sẽ trở thành gián đoạn. Ở trạng thái này thì dịng qua van bất kì sẽ bằng 0 trước khi van kế tiếp mở. Do vậy trong một khoảng dẫn của van thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động nguồn: ed = U2 , với 0 , trong đĩ là khoảng dẫn. Khi dịng điện bằng 0 thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động 2 của động cơ: e = E , với < d n Vậy ta cĩ điện áp trung bình của chỉnh lưu là : 2 2 n n n n U . u .d E.d . U .sin .d E.d (1.37) d 2 2 2 2m 0 0 n 2 .U .(1 cos ) E.( ) 2 2m n 22
  23. n 2 Vậy : U .U .(1 cos ) E.( ) (1.38) d 2 2m n Đặc tính cơ của hệ CL - ĐC khi dịng điện gián đọan: Hình 1.14: Đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu - động cơ khi dịng gián đoạn - Nhận xét: +) Ưu điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ cĩ độ tác động nhanh cao, khơng gây ồn và dễ tự động hĩa, do các van bán dẫn cĩ hệ số khuếch đại cơng suất rất cao, vì vậy rất thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Mặt khác, việc dùng hệ chỉnh lưu - động cơ cĩ kích thước và trọng lượng nhỏ gọn. +) Nhược điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ cĩ các van bán dẫn là các phần tử phi tuyến tính, do đĩ dạng điện áp chỉnh lưu ra cĩ biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thất phụ trong máy điện một chiều. 23
  24. CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK 2.1. MƠ HÌNH TỐN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp nào đĩ thì trong dây quấn kích từ sẽ cĩ dịng điện và mạch từ của máy sẽ cĩ từ thơng Ф. Tiếp đĩ đặt một giá trị điện áp Uư lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ cĩ dịng điện Iư chạy qua, tương tác giữa dịng điện phần ứng và từ thơng kích từ tạo thành mơmen điện từ. Vậy ta cĩ các phương trình cơ bản của động cơ một chiều. - Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Uư = Eư + Iư(Rư + Rf) (2.1) - Sức điện động phần ứng Eư được tính theo biểu thức: Eư = k.Φ.ω (2.2) - Mơmen điện từ của động cơ được xác định: Mdt = k.Φ.Iư (2.3) - Phương trình cân bằng mơ men của động cơ: d M(t) – MC(t) = J (2.4) dt Trong đĩ: Rư: Là điện trở cuộn dây phần ứng Eư: Là sức điện động phần ứng động cơ Rf: Là điện trở phụ Iư: Là dịng phần ứng K: Là hệ số cấu tạo của máy điện M: Là mơ men động cơ Uư: Là điện áp đặt vào phần ứng động cơ ω: Là tốc độ gĩc động cơ Φ: Là từ thơng động cơ Chuyển các phương trình trên sang dạng tốn tử Laplace: U(p) = Rư.I(p) + Lư.I(p).p + E(p) (2.5) M(p) - MC(p) = J(p). ω (p).p (2.6) 24
  25. E(p) = K. ω (p) (2.7) M(p) = k.Φ.I(p) (2.8) - Ta thành lập được phương trình đặc tính cơ như sau: U L .p.I R R ω = u u p .M (2.9) k (k. )2 - Hàm truyền của động cơ như sau: 1 1/ R I (U E) U (U E) (2.10) RU LU .p 1 TU .p Từ các phương trình trên ta được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như sau: Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều - Lựa chọn thơng số mơ phỏng Động cơ sử dụng là động cơ một chiều B1T20E của hãng YASKAWA. Thơng số động cơ: +) Cơng suất định mức: Pđm = 20 (W) +) Điện áp định mức phần ứng: Uđm = 21,3 (V) +) Tốc độ quay định mức: n đm = 2200 (vịng/phút) +) Dịng điện định mức: Iđm = 0,59 (A) +) Điện cảm phần ứng: Lu = 9,1 (mH) +) Điện trở phần ứng: Ru = 15,7 ( ) -6 2 +) Mơmen quán tính của động cơ: J = 1,18.10 (kg.m ) +) Hằng số momen Km = 0,037 (N.m/A) +) Hằng số thời gian điều khiển Tđk = 0,0001 (s) +) Hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu: Tv = 0,001 (s) 25
  26. +) Hằng số thời gian của máy biến dịng: Ti = 0,001 (s) +) Hằng số thời gian của máy phát tốc: Tω = 0,01 (s) Ta cĩ: Hằng số thời gian phần ứng: L -3 T u 9,1.10 -4 u = = 5,796.10 (s) Ru 15,7 Tốc độ gĩc của rơto: n 2200 = = 230,37 (rad/s) 9,55 9,55 Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi: Chọn Uđk = 5 (V) Uđm 21,4 Vậy Kbd = = = 4,28 Uđk 5 Hàm truyền của bộ biến đổi: Kbd Wbđ = (2.11) (1TPTPdk )(1 v ) 4,28 4,28 (1 0,0001.s )(1 0,001. s ) 1 1,1.103 . s 10 7 . s 2 - Mơ hình động cơ điện một chiều Hình 2.2: Mơ hình động cơ điện một chiều 26
  27. 2.2. TỔNG HỢP MẠCH VỊNG DỊNG ĐIỆN Khi bỏ qua sức điện động E ta cĩ sơ đồ sau: Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của mạch vịng dịng điện Trong đĩ: K bd : Hàm truyền của bộ biến đổi (1TPTPdk )(1 v ) Kbd : Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi Tdk : Hằng số thời gian mạch điều khiển Tv : Hằng số thời gian của sự chuyển mạch của van bán dẫn K i :Hàm truyền của cảm biến dịng điện 1 Ti p K i : Hệ số khuếch đại của cảm biến dịng điện Ti : Hằng số thời gian của cảm biến dịng điện Thu gọn ta được sơ đồ như hình vẽ: Trong đĩ S 0i là hàm truyền của đối tượng U id I Ri S 0i - Hình 2.4: Sơ đồ thu gọn của mạch vịng điện KKRbd i.1/ u S0i (2.12) (1Tdk p )(1 T v p )(1 T i p )(1 T u p ) Vì Tdk ;Tv ;Ti số thời gian rất nhỏ nên bỏ qua thành phần bậc cao là các hằng số 27
  28. KKRbd i.1/ u S0i (2.13) 1 (Tdk T v T i ) p (1 T u p ) Đặt: Tsi Ti Tdk Tv KKR.1/ bd i u (2.14) (1Tsi p )(1 T u p ) Áp dụng tiêu chuẩn mơdul tối ưu ta cĩ hàm truyền của hệ thống: 1 F (2.15) MC 1 2 p 2 2 p 2 Ri S0i 1 Mà FK FMC Ri 1 1 Ri S0i S0i (FMi 1) Thay vào ta cĩ: Ru(1 pT si )(1 pT u ) Ri (2.16) Kbd K i .2 p (1 p ) Chọn =Tsi ta cĩ bộ điều chỉnh dịng: RT 1 uu 1 (2.17) 2Kbd K i T si pT u Ri là khâu tỉ lệ tích phân PI - Hệ số khuếch đại dịng: Chọn Uid = 5(V) 5 Uid Ki = = 8,47 Ikđm 0,59 -3 Tsi = Ti + Tđk + Tv = 0,001 + 0,0001 + 0,001 = 2,1.10 (s) - Hàm truyền của bộ điều chỉnh dịng điện là: RT 1 4 uu 1 15,7.5,796.10 1 = 341 2Kbd K i T si pT u 2.4,28.8,47.2,1.10 5,796.10 0,06.s 103,52 = s K i 8,47 - Khâu phản hồi dịng điện: = (2.18) 1 Ti p 1 0,001.s 28
  29. 2.3. TỔNG HỢP MẠCH VỊNG TỐC ĐỘ Ta cĩ sơ đồ mạch vịng tốc độ: Hình 2.5: Sơ đồ mạch vịng tốc độ động cơ điện một chiều Trong đĩ: Ru : Hàm truyền của đối tượng điều khiển Kmc T p RJu . Tc 2 : Hằng số thời gian cơ học của động cơ ()Km K : Hàm truyền của máy phát tốc 1 T p K : Hệ số khuếch đại của máy phát tốc T : Hằng số thời gian của máy phát tốc Sơ đồ thu gọn: Hình 2.6: Sơ đồ thu gọn của mạch vịng tốc độ Trong đĩ: K. Ru S0 = (2.19) Ki. K m T c p .(1 2 T si p )(1 T p ) Vì Tsi và T rất nhỏ nên ta bỏ qua các thành phần bậc cao: K. Ru S0 (2.20) Ki. K m T c p . 1 (2 T si T ) p ) 29
  30. RKu . Đặt: Ts =2Tsi + T và K KKim. K Ta cĩ: Soω = (2.21) Tc.p(1+Tsω.p) Áp dụng tiêu chuẩn mơdul đối xứng ta cĩ hàm truyền của hệ thống: 1 4 p F = (2.22) MC 1 4 p 8 2 p 2 8 3 p3 R S0 1 Mà FK FMC R 1 (2.23) 1 R S0 S0 (FMC 1) Tc 1+4.Tsω.p Vậy Rω = . (2.24) 2.K.Tsω 4.Tsω.p - Hệ số khuếch đại của máy phát tốc: Chọn U d = 5 (V) U d 5 K = = = 0,022 ω ω 230 -3 Tsω = 2.Tsi+ Tω = 2.2,1.10 + 0,01 = 0,0142 (s) - Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ: Tc 1+4.Tsω.p Rω = . (2.25) 2.K.Tsω 4.Tsω.p RK. 15,7.0,022 Với : K u 1,1 KKim. 8,47.0,037 RJ. 15,7.1,18.10 6 T u 0,021 c K 220,037 m 0,021 1 0,672.s 11,83 Vậy : R 1 2.1,1.0,0142 4.0,0142.ss - Khâu phản hồi tốc độ: K 0,022 = (2.26) 1 T p 0,01.s 1 30
  31. 2.3.1. Mơ hình mạch vịng tốc độ khi cĩ mạch vịng dịng điện Hình 2.7: Mơ hình mạch vịng tốc độ khi cĩ mạch vịng dịng điện +) Đáp ứng dịng điện: Hình 2.8: Đáp ứng dịng điện của động cơ khi cĩ 2 bộ điều khiển 31
  32. +) Đáp ứng tốc độ Hình 2.9: Đáp ứng tốc độ của động cơ khi cĩ 2 bộ điều khiển Nhận xét: Khi cĩ 2 bộ điều khiển là mạch vịng dịng điện và mạch vịng tốc độ thì sau khi khởi động khoảng 0,6s thì dịng điện và tốc độ động cơ dần ổn đinh. Sau khi động cơ nhận tải thì khoảng 0,3s tốc độ của động cơ và dịng điện của động cơ cùng đạt giá trị định mức. 2.3.2. Mơ hình mạch vịng tốc độ khi bỏ qua mạch vịng dịng điện Sơ đồ thu gọn của mơ hình mạch vịng tốc độ khi bỏ qua mạch vịng dịng điện: Hình 2.10: Sơ đồ thu gọn của mạch vịng tốc độ khi bỏ qua mạch vịng dịng Khi bỏ qua mạch vịng dịng điện thì hàm truyền của đồi tượng: KKKbd m S0 (2.27) RJsu. . .(1 pT . u )(1 Ts dk . )(1 Tp v . )(1 Tp . ) Vì Tdk ;Tv ;Ti số thời gian rất nhỏ nên bỏ qua thành phần bậc cao là các hằng số KKKbd m Vậy: S0 (2.28) Ru. J . s .(1 p . T u ) 1 ( T dk T v T ). p 32
  33. Đặt: TTTTdk v Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta cĩ hàm truyền của hệ thống: 1 F MC 1 2pp 2 22 (2.29) RS. 1 0 R Mà FK FMC 1 (2.30) 1.RS0 SF0 (MC 1) Chọn = = 0,0001 + 0,001 + 0,01 = 0,0111 (s) - Vậy hàm truyền của bộ điều khiển tốc độ: Ruu T J s 1 R 1 (2.31) 2.Kbd . K m . K . T pT . u 15,9.5,796.1046 .1,18.10 .s 1 1 2.4,28.0,037.0,022.0,011s .5,796.10 4 3 9,354 9,12.10 s - Hệ số khuếch đại của máy phát tốc: Chọn U d = 5 (V) U d 5 K = = = 0,022 ω ω 230 K 0,022 - Khâu phản hồi tốc độ: (2.32) 1T . p 1 0,01 s Hình 2.11: Mơ hình mạch vịng tốc độ khi bỏ qua mạch vịng dịng điện 33
  34. +) Đáp ứng dịng điện: Hình 2.12: Đáp ứng dịng điện của động cơ khi cĩ mạch vịng tốc độ +) Đáp ứng tốc độ: Hình 2.13: Đáp ứng tốc độ của động cơ khi cĩ mạch vịng tốc độ Nhận xét: Lúc đầu giá trị dịng điện và tốc độ của động cơ tăng lên và dần ổn định, sau khi nhận tải khoảng 0,6s thì thì tốc độ và dịng điện của động cơ gần như khơng cịn dao động nữa và đạt giá trị định mức. Khi cĩ bộ điều khiển tốc độ thì thời gian để tốc độ động cơ ổn định đã đươc rút ngắn đi rất nhiều so với khi chưa cĩ bộ điều khiển. 34
  35. CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3.1. NGUYÊN LÝ XÂY DƢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID - Luật điều khiển tỷ lệ P Tín hiệu điều khiển U(t) tỷ lệ với tín hiệu vào e(t). Phương trình vi phân mơ tả động học: U(t) = Km.e(t) (3.1) Trong đĩ: U(t): Tín hiệu ra của bộ điều khiển e(t): Tín hiệu vào Km: Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển Xây dựng bằng sơ đồ thuật tốn: Hình 3.1: Sơ đồ khuếch đại thuật tốn biểu diễn luật điều khiển tỷ lệ +) Ưu điểm: Bộ điều khiển cĩ tính tác động nhanh khi đầu vào cĩ tín hiệu sai lệch thì tác động ngay tín hiệu đầu ra. +) Nhược điểm: Hệ thống luơn tồn tại sai lệch dư, khi tín hiệu sai lệch đầu vào của bộ điều khiển bé thì khơng gây tín hiệu tác động điều khiển, muốn khắc phục nhược điểm này thì ta phải tăng hệ số khuếch đại Km. Như vậy hệ thống sẽ kém ổn định. - Luật điều khiển tích phân I Tín hiệu điều khiển U(t) tỷ lệ với tích phân của tín hiệu đầu vào e(t). Phương trình vi phân mơ tả động học: tt1 U(t) = e( t ). dt e ( t ). dt (3.2) 00Ti 35
  36. Trong đĩ: U(t): Tín hiệu điều khiển e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển Ti: Hằng số thời gian tích phân +) Xậy dựng sơ đồ mạch khuếch đại thuật tốn Hình 3.2: Sơ đồ mạch khuếch đại thuật tốn biểu diễn luật điều khiển tích phân Ur 1 Ta cĩ: (3.3) Uv R C p +) Ưu điểm: Bộ điều khiển tích phân loại bỏ được sại lệch dư của hệ thống, ít chịu ảnh hưởng tác động của nhiễu cao tần. +) Nhược điểm: Bộ điều khiển tác động chậm nên tính ổn định của hệ thống. - Luật điều khiển vi phân D Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỷ lệ với vi phân tín hiệu vào. Phương trình vi phân mơ tả tốn học: de() t U() t Td (3.4) dt Trong đĩ: e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển U(t): Tín hiệu điều khiển Td: Hằng số thời gian vi phân +) Xây dựng sơ đồ bằng khuếch đại thuật tốn 36
  37. Hình 3.3: Sơ đồ khuếch đại thuật tốn biểu diễn luật điều khiển vi phân Ta cĩ: dU() t U RC. r dt U (3.5) r RC. p Uv +) Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân đáp tính tác động nhanh đây là một đặc tính mà trong điều khiển tự động thường rất mong muốn. +) Nhược điểm: Khi trong hệ thống dùng bộ điều khiển cĩ luật vi phân thì hệ thống dễ bị tác động bởi nhiễu cao tần. Đây là loại nhiễu thường tồn tại trong cơng nghiệp. Các luật tỷ lệ, vi phân, tích phân thường tồn tại những nhược điểm riêng. Do vậy để khắc phục các nhược điểm trên người ta thường kết hợp các luật đĩ lại để cĩ bộ điều khiển loại bỏ các nhược điểm đĩ, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của các hệ thống trong cơng nghiệp. - Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PI Phương trình vi phân mơ tả quan hệ tín hiệu vào, ra của bộ điều khiển. t U().().() t K12 e t K e t dt 0 1 t (3.6) U()()() t Km e t e t dt Ti 0 Trong đĩ: e(t): Là tín hiệu vào của bộ điều khiển U(t): Là tín hiệu ra của bộ điều khiển Km = K1: Là hệ số khuếch đại 37
  38. K1 Ti : Là hằng số thời gian tích phân K2 +) Xây dựng bằng sơ đồ khuếch đại thuật tốn Hình 3.4: Sơ đồ khuếch đại thuật tốn biểu diễn bộ điều khiển PI Ta cĩ: t R1 1 Ur.() U v U v t dt RRC2 3. 3 0 URR (3.7) r 12(1 ) Uv R2 R 3 C 3 R 1 p - Bộ điều khiển tỷ lệ vi phân PD Phương trình vi phân mơ tả quan hệ vào ra của bộ điều khiển de() t U().(). t K e t K 12dt de() t (3.8) U()() t K e t T mddt Trong đĩ: e(t): Là tín hiệu vào của bộ điều khiển U(t): Là tín hiệu ra của bộ điều khiển Km = K1: Là hệ số khuếch đại 38
  39. K2 Td : Là hằng số thời gian vi phân K1 +) Xây dựng bằng sơ đồ khuếch đại thuật tốn Hình 3.5: Sơ đồ khuếch đại thuật tốn biểu diễn bộ điều khiển PD Trong đĩ: R1 dUv UURCr v d d R2 dt UR RRC (3.9) r 1 1.2 ddp URRv 21 Tín hiệu ra của bộ điều khiển lệch pha so với tín hiệu vào một gĩc α, đây là đặc điểm tác động nhanh của hệ thống. Khi hệ thống sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ vi phân dễ bị tác động bởi nhiễu cao tần, tồn tại sai lệch dư, nhưng lại đáp ứng được tính tác động nhanh. Nên bộ điều khiển này thường được sử dụng trong hệ thống ít cĩ nhiễu cao tần và cần tính tác động nhanh. Bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết ta xác định các tham số Td, Km để bộ điều khiển đáp ứng đặc tính hệ thống. - Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID Để cải thiện chất luợng của các bộ điều khiển PI, PD nguời ta kết hợp ba luật điều khiển tỷ lệ, vi phân, tích phân để tổng hợp thành bộ điều khiển tỷ lệ vi 39
  40. tích phân (PID). Cĩ đặc tính mềm dẻo phù hợp cho hầu hết các đối tượng trong cơng nghiệp[5]. Phương trình vi phân mơ tả quan hệ tín hiệu vào ra của bộ điều khiển: t de() t Ut().().(). Ket1 K 2 etdt K 3 0 dt 1t de ( t ) (3.10) U()()() t Kmd e t e t dt T Ti 0 dt Trong đĩ: e(t): Là tín hiệu vào của bộ điều khiển U(t): Là tín hiệu ra của bộ điều khiển Km = K1: Hệ số khuếch đại K3 Td : Hằng số thời gian vi phân K1 K1 Ti : Hằng số thời gian tích phân K2 +) Xậy dựng bằng khuếch đại thuật tốn Hình 3.6: Sơ đồ khuếch đại thuật tốn bộ điều khiển PID 40
  41. Ta cĩ: t R1 dUv 1 Ur. U v R d . C d . U v ( t ). dt R2 dt R 3. C 3 0 URRRRC (3.11) r 121.2 ddp Uv R2 R 1 R 1 R 3 C 3 p +) Đặc tính làm việc của bộ điều khiển PID rất linh hoạt, mềm dẻo. Ở giải tần số thấp thì bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỷ lệ tích phân. Ở giải tần số cao thì 1 bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỷ lệ vi phân khi bộ điều khiển TTid. làm việc theo quy luật tỷ lệ. +) Bộ điều khiển cĩ ba tham số Km, Ti và Td. Khi ta cho Ti = ∞, Td = 0 thì bộ điều khiển làm việc theo luật tỷ lệ Khi Ti = ∞ bộ điều khiển làm việc theo luật tỷ lệ - vi phân Khi Td = 0 bộ điều khiển làm việc theo luật tỷ lệ - tích phân Tín hiệu ra của bộ lệch pha so với tín hiệu vào một gĩc α, đây là đặc tính mềm dẻo của bộ điều khiển. Nếu ta chọn được bộ tham số phù hợp cho bộ điều khiển PID thì hệ thống cho ta đặc tính như mong muốn, đáp ứng cho các hệ thống trong cơng nghiệp. Đặc biệt nếu ta chọn bộ tham số tốt bộ điều khiển sẽ đáp ứng được tính tác động nhanh, đây là đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển. Trong bộ điều khiển cĩ thành phần tích phân nên hệ thống triệt tiêu được sai lệch dư. Bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết ta xác định các tham số Km, Ti ,Td để bộ điều khiển đáp ứng đặc tính hệ thống. 3.2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ 3.2.1. Sơ đồ khối của hệ thống Hình 3.7: Sơ đồ khối của bộ điều khiển động cơ một chiều 41
  42. Mạch điều khiển tiếp nhận giá trị điện áp đặt và giá trị điện áp phản hồi từ máy phát tốc, sau đĩ xử lý tín hiệu và cấp tín hiệu xung PWM và tín hiệu nhận biết chiều của động cơ vào mạch cơng suất để điều khiển động cơ. 3.2.2. Xây dựng mạch cơng suất - Giới thiệu IC MC33883 MC33883 là một IC kích FET chuyên dùng để điều khiển cầu H. +) Điện áp nguồn VCC2 cung cấp cho IC từ 5,5V đến 28V +) Điện áp nguồn VCC từ 5,5V đến 55V o o +) Hoạt động ở nhiệt độ từ -40 C đến 125 C +) Cĩ thể đáp ứng tần số băm xung PWM lên đến 100Khz +) Sơ đồ chân của MC33883 Hình 3.8: Sơ đồ chân của MC33883 Bảng 3.1: Mơ tả các chân chức năng của MC33883 Chân Ký hiệu Chức năng 1, 11 VCC, VCC2 Chân cấp nguồn cho thiết bị 2, 13 C2, C1 Hai chân này nối với một tụ điện 4, 19 SRC_HS1, SRC_HS2 Nguồn đầu ra của MOSFET 5, 18 GATE_HS, GATE_HS2 Hai chân này nối với chân điều khiển của MOSFET 6, 17 IN_HS1, IN_HS2 Đầu vào tín hiệu logic, tác động lên chân điều khiển của MOSFET 7, 16 IN_LS1, IN_LS2 Hai chân đầu vào tín hiệu logic, dùng điều khiển cực cổng của MOSFET 42
  43. 8, 15 GATE_LS1, GATE_LS2 Đầu vào chân điều khiển của MOSFET 9, 12, 14 GND1, GND_A, GND2 Chân nối đất của thiết bị 20 G_EN Chân chung cho phép Hình 3.9: Sơ đồ dùng MC33883 điều khiển 4 MOSFET - MOSFET IRF540 IRF540 là MOSFET kênh dẫn loại N cĩ thơng số như sau: +) Điện áp định mức 100 V o +) Dịng điện định mức ở 25 C là 33 A +) Dịng điện đỉnh là 100 A +) Điện áp điều khiển VGS là ± 20 V +) Điện áp ngưỡng điều khiển VGS từ 2 đến 4 V +) Điện áp rơi trên van khi dẫn hồn tồn là 1,2 V +) Dịng rị ở trạng thái khĩa ID look là 25 µA +) Diện trở khi dẫn RDS on là 44 mΩ +) Dịng rị cực G ở trạng thái khĩa IG look là ±100 nA du +) Tốc độ tăng trưởng điện áp là 7 V/ns dt o +) Nhiệt độ làm việc 175 C 43
  44. 3.2.3. Khâu phản hồi tốc độ - Hồi tiếp tốc độ là một phần khơng thể thiếu trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ. Để điều khiển được tốc độ của động cơ người ta phải biết được giá trị đầu ra của hệ thống để cĩ những điều chỉnh thích hợp đầu vào để đạt được tốc độ mong muốn. Để phản hồi tốc độ người ta thưởng hay dùng máy phát tốc và các bộ đo tốc độ xung số. - Máy phát tốc là máy điện nhỏ, làm việc ở chế độ máy phát và thực hiện chức năng biến đổi chuyển động của trục thành tín hiệu điện áp ra. Phương trình đặc tính của máy phát tốc: d U = K.n = K . (3.12) F 1 dt Trong đĩ: UF: Là điện áp ra của máy phát tốc K, K1: Là hệ số khuếch đại n: Là vận tốc quay của roto (vịng/phút) : Là gĩc quay Các yêu cầu đối với máy phát tốc là: Độ tuyến tính của đặc tính cao, hệ số khuếch đại K = UF lớn, điện áp ra phải đối xứng. n Máy phát tốc một chiều cĩ cấu trúc và nguyên lý hoạt động như máy điện một chiều cơng suất nhỏ, kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hoặc kích thích độc lập. Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp một chiều cĩ chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, khơng bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo. Điện áp một chiều phát ra khơng phụ thuộc vào tải và nhiệt độ, để đảm bảo yêu cầu trên máy phát tốc một chiều phải cĩ từ thơng khơng đổi trong tồn vùng điều chỉnh tốc độ. Vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ cĩ từ trễ hẹp và sử dụng lá thép kĩ thuật điện mỏng (hạn chế tổn thất dịng điện xoay). Nhược điểm của máy phát tốc một chiều là độ chính xác phụ thuộc vào phụ tải. Mặt khác nhiệt độ cuộn dây thay đổi ảnh hưởng tới điện trở phần ứng 44
  45. máy phát làm điện áp ra của máy phát thay đổi (do điện áp rơi ở mạch phần ứng thay đổi). Điện áp đầu ra của máy phát cịn bị thay đổi do điện trở của chổi than. ảnh hưởng của phản ứng phần ứng tới hệ số tỷ lệ (nhất là khi ở vùng tốc độ cao). 3.2.4. Xây dựng mạch điều khiển Hình 3.11: Cấu trúc mạch điều khiển động cơ một chiều Tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi từ máy phát tốc được đưa qua một mạch trừ, điện áp đầu ra của mạch trừ sẽ được đưa vào bộ điều khiển. Điện áp điều khiển Udk sẽ được đưa đến khâu so sánh, khâu so sánh sẽ so sánh điện áp điều khiển và điện áp răng cưa để tạo ra tín hiệu xung, tác động vào van cơng suất. - Mạch điều khiển sử dụng khuếch đại thuật tốn (operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, cĩ đầu vào vi sai, và thơng thường cĩ đầu ra đơn. Trong những ứng dụng thơng thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho cĩ thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra. Các mạch khuếch đại thuật tốn cĩ những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, cơng nghiệp và khoa học. - Vi mạch khuếch đại thuật tốn LM358 để xây dựng bộ điều khiển PID Hình 3.12: Sơ đồ chân của vi mạch LM358 45
  46. LM358 là một vi mạch tích hợp sẵn 2 khuếch đại thuật tốn. Nguồn cung cấp cho LM358 tầm từ 3V~32V, áp tối đa ngõ vào từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 16V đối với nguồn đơi. Đây là mạch khuếch đại cĩ hồi tiếp và cĩ điện trở rất cao, cho nên khơng làm ảnh hưởng xấu đến tín hiệu cảm biến, cĩ khả năng chống nhiễu cao. +) Độ lợi khuếch đại điện áp DC của LM324 tối đa khoảng 100 dB. +) Tần số hoạt động của LM324 là 1MHz. - Khâu điện áp đặt Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khối điều chỉnh điện áp đặt Ta cĩ thể thay đổi giá trị điện áp đặt thơng qua biến trở R4. Điện áp đặt qua một mạch lọc RC, như vậy ta sẽ được đường đặc tính điện áp đặt mượt hơn. Ta chọn: Giá đị điện áp đặt U = 5V, R1 = 50 (KΩ) R4 = 50 (KΩ), C9 = 1(µF), R2 = R9 = 10 (KΩ) - Khâu mạch trừ 46
  47. Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch trừ Ta cĩ: Uph–Vn + ΔU-Vn = 0 R10 R12 Chọn R10 = R12 ta được: ΔU = 2.Vn - Uph Uset.R13 Uset Mà Vp = , chọn R13 = R11 ta được: Vp = R13+R11 2 Mà Vn = Vp vậy: ΔU = Uset - Uph Ta chọn: R10 = R11 = R12 = R13 = 10 (KΩ) - Mạch điều khiển PID 47
  48. Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mạch PID Khối PID gồm 3 khâu: Tỷ lệ, tích phân và vi phân. Giá trị điện áp ra từ mạch trừ được đưa vào khối này, đầu ra của khối PID qua một mạch cộng thì ta sẽ cĩ điện áp điều khiển. +) Khâu tỷ lệ: Ta sử dụng 2 biến trở R3 và R8 để thay đổi hệ số P của bộ điều khiển, sử dụng khĩa sw1 ta cĩ thể ngắt được bộ này ra khỏi mạch điều khiển Theo tính chất của khuếch đại thuật tốn hệ số khuếch đại của khâu tỷ lệ: Up R3 K = = - ΔU R8 Điện áp ra ngược pha so với điện áp vào, biến trở R3 gây ra hồi tiếp âm song song theo điện áp làm cho hệ số khuếch đại giảm xuống. 48
  49. R3 Vậy Up = - ΔU. (3.14) R8 Ta chọn R3 = 100 (KΩ) và R8 = 10 (KΩ) +) Khâu tích phân: Ta sử dụng biến trở R5 để thay đổi hệ số I của bộ điều khiển, sử dụng khĩa sw2 ta cĩ thể ngắt được bộ này ra khỏi mạch điều khiển. Theo tính chất của khuếch đại thuật tốn ta cĩ: 1 UI = ΔU.dt (3.15) R5.C7 Điện áp ra tỷ lệ với tích phân điện áp vào R5.C7 gọi là hằng số tích phân Ta chọn R5 = 100 (KΩ) và C7 = 10 (µF) +) Khâu vi phân: Ta sử dụng biến trở R6 để thay đổi hệ số D của bộ điều khiển, sử dụng khĩa sw3 ta cĩ thể ngắt được bộ này ra khỏi mạch điều khiển. Theo tính chất của khuếch đại thuật tốn ta cĩ: dΔU U = C .R . (3.16) D 8 6 dt Điện áp ra tỷ lệ với tích phân điện áp vào C8.R6 gọi là hằng số vi phân Ta chọn R6 = 50 (KΩ) và C8 = 100 (nF) - Mạch cộng điện áp Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mạch cộng điện áp 49
  50. Mạch cộng điện áp thực hiện nhiệm vụ cộng giá trị điện áp Up, UI, UD lại Nếu R15 = R16 = R17 = R18, theo tính chất của khuếch đại thuật tốn ta cĩ: Uđk = - (UP + UI + UD) (3.17) Ta chọn: R15 = R16 = R17 = R18 = 10 (KΩ) - Khâu nhận biết chiều của tín hiệu điều khiển Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khâu nhận biết chiều của tín hiệu điều khiển Ta chọn R23 = 4,7 (KΩ) và D1 là diode zener loại DZ5V1. - Mạch tách tín hiệu chiều và độ lớn tín hiệu điều khiển sử dụng IC CD4052 CD4052B là một bộ dồn kênh - phân kênh 4 kênh tương tự. Cĩ hai ngõ chọn đầu vào nhị phân là A và B, và một hạn chế đầu vào. Hai tín hiệu đầu vào lựa chọn 1 trong 4 cặp kênh phải được bật và kết nối các yếu tố đầu vào tương tự và ra sẽ được đầu ra. +) Sơ đồ chân của CD4052 Hình 3.18: Sơ đồ chân của CD4052 50
  51. +) Khi tách kênh dữ liệu vào chân COM OUT/IN, ra ở 4 kênh CHANNEL I/O. Ngược lại, khi dồn kênh thì dữ liệu song song vào các chân CHANNEL OUT/IN và ra ở chân COM OUT/IN. +) 2 ngõ chọn là A, B +) Chân INH (inhibit) cho phép dữ liệu được phép truyền ra Hình 3.19. Cấu trúc mạch của CD4052 Bảng 3.2. Hoạt động của CD4052 51
  52. Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý mạch tách tín hiệu điều khiển dùng CD4052 Điện áp điều khiển được đưa vào chân 13 của CD4052, thực hiện tách kênh dữ liệu. Điện áp điều khiển được tách xang 2 kênh X0 và X1. Nếu khơng cĩ tín hiệu bít điều khiển, chân X0 sẽ được nối với Y0 và ta cĩ đầu ra Y. Nếu cĩ tín hiệu bit điều khiển thì chân X1 sẽ được nối với Y1, điện áp điều khiển cĩ thể âm lên từ chân X1 điện áp điều khiển sẽ được qua một mạch khuếch đại thuật tốn đảo, như vậy ta sẽ cĩ đầu ra Y. Chọn R21 = R22 = 10 (K ) - Mạch tạo xung dao động dùng IC NE555 +) 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuơng và cĩ thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung. Nĩ được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đĩng cắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất[1]. Điện áp đầu vào: 2 - 18V (Tùy từng loại LM555, NE555, NE7555) 52
  53. Dịng điện cung cấp: 6mA - 15mA Điện áp logic ở mức cao: 0,5 - 15V Điện áp logic ở mức thấp: 0,03 - 0,06V Cơng suất lớn nhất là: 600mW +) Sơ đồ chân của NE555 Hình 3.21: Sơ đồ chân của NE555 IC NE 555 gồm cĩ 8 chân +) Chấn số 1 (GND): Cho nối GND để lấy dịng cấp cho IC hay cịn gọi là chân chung. +) Chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so áp dùng các transistor PNP, mức áp chuẩn là 2.Vcc/3. +) Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1, 1 ở đây là mức cao nĩ tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nĩ trong khoảng từ (0.35 ->0.75V). +) Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Cịn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC. +) Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC555 theo các mức điện áp ngồi hay dùng các điện trở ngồi cho nối GND. Chân này cĩ thể khơng nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thơng qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định. 53
  54. +) Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt. +) Chân số 7(DISCHAGER) : cĩ thể xem chân này như 1 khĩa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khĩa này đĩng lại.ngược lại thì nĩ mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch RC lúc IC555 dùng như một mạch dao động. +) Chân số 8 (Vcc): Đĩ là chân cung cấp áp và dịng cho IC hoạt động. Khơng cĩ chân này coi như IC chết. Nĩ được cấp điện áp từ 2V ->18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là NE7555). Hình. 3.22: Mạch tạo dao động dùng NE555 Khi tụ C4 nạp điện ta cĩ: T1 = 0,693.C4.(R7 + R27) Khi tụ C4 phĩng điện ta cĩ: T2 = 0,693.C4.R27 Vậy chu lỳ xung là: T = T1 + T2 = 0,693.C4.(R7 + 2.R27) 1 1 -4 Để tạo dao động cĩ tần số 10Khz, tức là chu kỳ dao động T = = 4 = 10 s f 10 Ta chọn: R7 = 50 (K ), R27 = 100 (K ), C4 = 1 (nF) 54
  55. -9 -4 Vậy: T1 = 0,639.10 .(50000 + 100000) = 1,04.10 (s) -9 -5 T2 = 6,93.10 .100000 = 6,93.10 (s) - Mạch tạo xung răng cưa dùng khĩa Transistor Hình 3.23: Mạch tạo xung răng cưa dùng Transistor Khi transistor mở, tụ C3 phĩng điện qua transistor, Uc = 0. Khi transistor khĩa tụ C3 nạp điện từ +12V qua R29, điện áp trên tụ thay đổi theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian ι = R29.C3 [1]. t Uc = 12.(1 - e ι ) (3.18) 1 để lấy đoạn tuyến tính của điện áp trên tụ cĩ thể chọn T = .ι 3 +) Chọn transistor là loại A1015 cĩ các thơng số sau: Ic = 150 mA = 0,15 (A) VCB0 = -50 (V) VCE0 = -50 (V) Pcmax = 400 (mW) Tần số hoạt động 1 kHz IC 0,15 +) Dịng điện cực đại qua Bazơ là IB = = .1,2 = 2 (mA) HFE 90 55
  56. 12-0,7 Mà IB = Vậy R28 + R29 = 5650 ( ) R28+R29 -4 -4 Ta cĩ Un = 12V, T = 10 s, vậy R29.C3 = 3.10 Chọn R 28 = 3 (K ), R29 = 3 (K ), tụ C3 = 0,1 (µF) - Mạch so sánh Hình 3.24: Mạch so sánh điện áp Đây là mạch so sánh hai điện áp vào đĩ là: Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển Uđk (lấy từ bên ngồi vào)[1] Tại thời điểm bằng nhau về giá trị tuyệt đối của 2 điện áp này, trong phần sườn sử dụng của điện răng cưa thì mạch phát ra một xung điện áp, xung này được đưa qua khối tạo xung nĩ cĩ thể thay đổi được độ dài cơng suất, độ dốc sườn trước. Cĩ nghĩa là khối so sánh là nơi quyết định giá trị gĩc điều khiển Đồ thị so sánh điện áp: 56
  57. Hình 3.25: Đồ thị so sánh điện áp Muốn xác định được thời điểm mở van cơng suất ( gĩc mở ) thì ta tiến hành so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của khâu khuếch đại thuật tốn qua R25 để so sánh với điện áp điều khiển được đưa vào cửa khơng đảo, điện áp điều khiển được đưa vào cửa khơng đảo của khuếch đại thuật tốn qua R24. +) Nếu Uc 0. +) Nếu Uc > Uđk thì tín hiệu ra là âm Ur < 0. +) Nếu Uc = Uđk thì đĩ là thời điểm phát xung để mở van cơng suất. Vậy ở đầu ra của khuếch đại thuật tốn là một chuỗi xung âm dương liên tiếp. Muốn thay đổi gĩc mở của van cơng suất thì ta thay đổi giá trị độ lớn của điện áp điều khiển Uđk. +) Điốt D2 dùng để loại bỏ phần xung âm. Vì vậy điện áp ra chỉ cịn phần xung dương. +) Tính tốn khâu so sánh Chọn điện trở R24 = R25 = R26 = 4,7 (k ) Điốt D2 dùng để giới hạn điện áp đầu ra chọn loại DZ5V1 57
  58. - Xây dựng mạch điều khiển Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lý khâu điện áp đặt và mạch trừ 58
  59. Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển PID 59
  60. Hình 3.28: Sơ đồ nguyên lý khâu nhận biết chiều và tách điện áp điều khiển Hình 3.29: Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa và khâu so sánh điện áp 60
  61. 3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau hơn ba tháng nghiên cứu em đã hồn thành đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu tổng quan về hệ truyền động điện một chiều, đi sâu xây dựng bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều” với các kết quả đạt được như sau: - Tìm hiểu tổng quan về động cơ một chiều - Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều - Xây dựng mơ hình hệ truyền động điện một chiều trên Matlab & Simulink - Xây dựng bộ điều khiển PID ứng dụng cho động cơ một chiều. Hình 3.31: Mơ vật lý điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 61
  62. KẾT LUẬN Đề tài điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID tuy khơng phải là một đề tài mới, nhưng qua đĩ 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 ba tháng nghiên cứu em đã hồn thành đề tài với các kết quả đạt được như sau: Tìm hiểu tổng quan về động cơ một chiều, các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều, xây dựng mơ hình hệ truyền động điện một chiều trên Matlab & Simulink và lý thuyết điều khiển tự động từ đĩ làm cơ sở cho việc xây dựng bộ điều khiển PID ứng dụng cho động cơ một chiều. Tuy nhiên bản đồ án vẫn cịn một số vấn đề tồn tại, hạn chế cần giải quyết: +) Việc kiểm sốt các tham số của bộ điều khiển PID là khá khĩ khăn. +) Chưa quan sát được một cách trực quan tốc độ động cơ trên máy tính. Do vậy, hướng phát triển tiếp theo của đề tài sẽ là: +) Ứng dụng cảm biến đo dịng điện ACS712 xây dựng hệ thơng điều khiển gồm 2 mạch vịng tốc độ và dịng điện cho động cơ điện một chiều. +) Thiết kế giao diện trên máy tính cho phép quan sát được đáp ứng tốc độ. +) Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ thống điều khiển vị trí. 62
  63. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Bính (1996), Điện tử cơng suất. NXB Khoa Học Kỹ Thuật 2.Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2008), Điều chỉnh tự động truyền động điện. NXB Khoa học và kỹ thuật 3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ Sở Truyền Động Điện. NXB Khoa học và kỹ thuật 4. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động. NXB Khoa học và kỹ thuật 5. Design PID circuit - 63