Điều khiển momen trên trục động cơ

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo
ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành tự động hóa cũng góp phần khơng
nhỏ vào thành cơng đó. Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền
tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh momen động cơ. Từ trước đến nay,
động cơ một chiều vẫn luôn là loại động cơ được sử dụng rộng rãi kể cả trong
những hệ thống yêu cầu cao


1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều
a. Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Về cấu tạo gồm các phần cơ bản: phần tĩnh; phần quay; bộ phận chổi than, cổ góp
•

Phần cảm ln ln là phần tĩnh: Là phần nhận năng lượng điện một chiều
để tạo ra từ trường kích từ trong máy

Mạch từ:
1. Vỏ máy : là mạch từ, dùng để dẫn từ và gá lắp các cực từ, ngồi ra vỏ máy cịn
làm nhiệm vụ bảo vệ máy và được làm bằng thép đúc.
2. Cực từ chính gồm 2 phần: thân cực và mặt cực: Thân cực làm bằng thép đúc,
mặt cực làm bằng thép lá KTĐ. Cực từ chính có nhiệm vụ dùng để quấn cuộn dây
kích từ để tạo ra từ trường phần cảm gọi là từ trường kích từ. Trên thân cực từ
chính quấn cuộn dây kích từ WKT. 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: Làm bằng thép đúc, khe khí từ mặt cực đến rơto rộng hơn so với cực
từ chính. Trên cực từ phụ được quấn cuộn dây kích từ phụ WP để tạo ra từ trường

phụ và đặt xen kẽ giữa các cực từ chính.
•

Phần quay của máy điện một chiều ln ln là phần ứng, là phần cảm ứng
ra các sức điện động xoay chiều nó bao gồm: Lõi thép; dây quấn; trục máy;
các bộ phận còn lại khác

Lõi thép phần ứng là mạch từ của rôto, được cấu tạo từ các lá thép KTĐ có độ dày
(0,35 0,5) mm ghép lại với nhau. Chu vi mặt ngồi của rơto được xẻ thành răng
và rãnh đều đặn để đặt dây
Trục rôto được làm bằng thép tốt, dùng để đỡ rơto và đặt vịng bi ở hai đầu. Ngồi
ra phần quay cịn có cổ góp, cánh quạt làm mát
Dây quấn phần ứng) là mạch điện của rôto, dây quấn là dây đồng bọc cách điện
hay dây êmay. Kiểu quấn là quấn rải đều trong các rãnh trên chu vi mặt ngồi của
rơto. Dây quấn phần ứng có cấu tạo bao gồm nhiều phần tử dây (mơ - bin dây) nối
tiếp nhau tạo thành vịng khép kín. Hai đầu của các phần tử dây được nối đến 2
phiến góp của cổ góp


1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
a. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi đặt điện áp một chiều vào cuộn dây kích từ của phần cảm (stato) thì trong phần
cảm xuất hiện từ thơng kích từ ΦKT(BKT) đồng thời đặt điện áp một chiều vào
cuộn dây phần ứng (rơto) thì trong dây quấn phần ứng xuất hiện dịng điện Iư. Khi
đó thanh dẫn nằm trong rãnh của dây quấn phần ứng mang dòng điện lại nằm trong
từ thơng nên nó chịu một lực điện từ tác động Fđt = Bkt. l. Iư; lực điện từ sẽ tạo ra
mômen điện từ kéo phần ứng quay
Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có
phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không 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 dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có
phương trình: U = Eư + Rư.Iư

b. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Từ phương trình cân bằng điện áp: U = Eư + Rư I = n + RưI

n=
 Phương trình được gọi là phương trình đặc tính cơ - điện

Với động cơ kích từ độc lập hay song song:


Từ phương trình đặc tính cơ - điện: n =

Từ biểu thức mơ men: M = km.Φ.Iư
Thay vào đặc tính cơ điện và rút ra ta có:

n=
Được gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ song song
Dạng đặc tính cơ được biểu diễn như sau:

Với động cơ kích từ nối tiếp:

Nếu mạch từ chưa bão hồ từ thì Φ = C.Ikt = CI; (với C là hệ số), thay φ vào
phương trình đặc tính cơ - điện sẽ nhận được

n=

gọi là phương trình đặc tính cơ điện

Từ biểu thức mô men: M = kM. Φ.I = kM.C.I2
Thay vào phương trình trên, ta có:

n=
Được gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp

Dạng đặc tính cơ và cơ điện như hình sau:

Với động cơ kích từ hỗn hợp:
Do động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có hai cuộn dây kích từ song song và nối
tiếp, nên động cơ một chiều kích từ hỗn hợp mang đặc điểm của cả hai động cơ
kích từ song song (khi tải nhỏ) và động cơ kích từ nối tiếp (khi tải lớn), do đó đặc
tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp vừa mang dạng đặc tính của động cơ kích từ
song song (khi tải nhỏ) vừa mang dạng đặc tính của động cơ kích từ nối tiếp (khi
tải lớn).
Dạng phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp

n = - đặc tính cơ điện


n = - đặc tính cơ
Với: Φ = Φss + Φnt
Dạng đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp như trên hình sau:

1.3. Lựa chọn cấu trúc điều khiển
Hệ điện cơ là một hệ thống biến điện năng thành cơ năng
Điều khiển hệ điện cơ: là một hệ thống áp dụng các kỹ thuật điều khiển tự động để
biến điện năng thành cơ năng và điều khiển được cơ năng đó.

Cốt lõi của một hệ điện cơ là một hệ tự động điều chỉnh truyền động điện.
Cấu trúc điều khiển một hệ điện cơ:


THĐ: tín hiệu đặt

BĐ: bộ biến đổi

NL: nhiễu loạn

MX: máy sản xuất

R: bộ điều khiển

ĐL: đo lường

Nguyên lý làm việc:
Cấu trúc điều khiển vịng kín dùng bộ điều khiển R, bộ điều khiển R sẽ so sánh tín
hiệu đặt và tín hiệu phản hồi qua thiết bị đo trên cơ sở sai lệch giữa 2 tín hiệu sẽ
đưa ra các tác động điều khiển và gửi đến bộ biến đổi. Bộ biến đổi thực hiện biến
đổi điện năng thành năng lượng phù hợp với động cơ truyền động và mang thông
tin điều khiển. Thông tin điều khiển gửi đến động cơ và thay đổi máy sản xuất theo
mong muốn
Hệ thống tự động điều chỉnh đòi hỏi đại lượng điều chỉnh phải bám theo chính xác
tín hiệu điều khiển trong chế độ xác lập, tựa xác lập và quá độ. Độ ổn định và độ
chính xác là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan
trọng của một hệ thống tự động. Độ chính xác đánh giá trên cơ sở phân tích các sai
lệch điều chỉnh

•

Thời gian điều chỉnh Tđc

•

σmax:độ quá điều chỉnh lượng q điều chỉnh khơng q 10%

•

Sai lệch tĩnh của hệ thống: Sai lệch khi hệ đã đi vào ổn định


•

Số lần dao động trước khi ổn định

Đề tài là: Điều khiển momen trên trục động cơ nên cấu trúc điều khiển có thể
được chọn là:

Trong đó:
•

RI: dùng bộ PID

Bộ điều khiển PID hay chỉ đơn giản là PID là một kỹ thuật điều khiển quá trình
tham gia vào các hành động xử lý về “ tỉ lệ, tích phân và vi phân ”. Nghĩa là các
tín hiệu sai số xảy ra sẽ được làm giảm đến mức tối thiểu nhất bởi ảnh hưởng của
tác động tỉ lệ, ảnh hưởng của tác động tích phân và được làm rõ bởi một tốc độ đạt
được với tác động vi phân số liệu trước đó.
Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp vịng kín được sử dụng rộng rải

trong hệ thống điện, tự động hóa, điện tử,…
•
•

•

P: là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với
sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
I: là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là
phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch
giảm về 0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích
lũy trong quá khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích
phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ.
D: là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao
cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi


điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với
thay đổi đầu vào càng nhanh.

Về tốn học, có thể mơ tả bộ PID: TI
Trên miền thời gian:
u(t) = kP.e + kI +kD
U(t) = kP.(e + + TD)
Trên miền Laplace:
GPID = kP + kI. + kD.s
GPID = kP(1 + + TD.s)

•

Bộ biến đổi: dùng L298

L298 là IC điều khiển cầu kép tồn kì có dải điện áp hoạt động rộng và có thể xử
lý dịng tải lên đến 3A. IC cũng có điện áp bão hịa thấp và bảo vệ quá nhiệt. Không kết nối động cơ tiêu thụ quá dòng điện 2,5A . - Nguồn điện cấp cho mạch
nằm trong khoảng từ 3 đến 40VDC
Mạch điều khiển tốc độ L298 có khả năng điều khiển động cơ dc cùng lúc. IC
L298 có cấu tạo gồm hai mạch cầu H transitor


– Điện áp đầu vào từ 5 – 30V
– Dòng điện tối đa cho mỗi động cơ là 2A
– Điện áp của tín hiệu điều khiển: 5 – 7V
– Dịng của yêu cầu của tín hiệu điều khiển 0 – 36 mA
Sơ đồ chân module L298:

– Chân12V Power cấp nguồn cho mạch L298 và là nguồn động lực cho động cơ.
– Chân5V Power có thể dùng cấp nguồn cho Arduino
– Chân GND là chân cấp MASS cho mạch, khi sử dụng khi vi điều khiển thì cần
nối GND mạch với GND của vi điều khiển.
– Chân Enable là chân cho phép ngỏ ra động cơ hoạt động hoặc dừng
– Chân IN1, IN2 điều khiển chiều và tốc độ động cơ 1 thông qua ngõ ra output A.
– Chân IN3, IN4 điều khiển chiều và tốc độ động cơ 2 thông qua ngõ ra output B.


– Chân output A, output B chân ngõ ra động cơ 1,2


•

Đo I: dùng acs 712

Cảm biến dòng điện ACS712 là một IC cảm biến dịng tuyến tính dựa trên hiệu
ứng Hall. ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi
của dịng điện được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), trong phạm vi đã cho
Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp
Thời gian chuyển đổi

5µs

Điện trở trong

1.2mΩ


Sử dụng nguồn điện

5V

Độ nhạy đầu ra

63 – 190 mV/A

Nhiệt độ hoạt động

-40 – 85 0C

Điện áp cách ly tối đa

2100V (RMS)

Độ nhạy đối với các loại module
•

ACS 712-05B (5Ampe): 180 – 190 mV/A

•

ACS 712-20A (20Ampe): 96 – 104 mV/A

•

ACS 712-30A (30Ampe): 64 – 68 mV/A

Sơ đồ chân ACS712


•

M: dùng động cơ mini V2

- Đường kính trục: 2mm
- Độ dài trục: 10mm
- Kích thước Động cơ: 25x21mm
- Động cơ chạy ổn định ở 3V


- Tốc độ: 3V 12.000r/min
- Dòng tiêu thụ: 0.3-0.4A