Báo cáo 2 mạch vòng dạng step

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT
NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÀI TẬP LỚN
Mã: 13311H
Học kỳ: 2 – Năm học: 2023 – 2024

Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển hai
mạch vịng
SINH VIÊN

MSV

LỚP

NHIỆM VỤ

90742

ĐTĐ62CL

Nhóm trưởng

94084
NGUYỄN QUANG HUY 94071

ĐTĐ62CL

ĐTĐ62CL

Thành viên
Thành viên

CAO HUY TRƯỜNG
TỰ BÁ QUYỀN

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Chun ngành Điện tự động cơng nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

Cao Đức Thanh


HẢI PHÒNG - 12/ 2023

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN 1(2)
Thiết kế bộ điều khiển hai mạch vịng và xây dựng mơ hình thực nghiệm
điều khiển tốc độ cho động cơ một chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay
với tín hiệu đặt dạng bước nhảy step.
• Thơng số kỹ thuật: Động cơ Л-82

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên


Lời cảm ơn

Để hoàn thành báo cáo với đề tài: Thiết kế bộ điều khiển hai mạch
vòng và xây dựng mơ hình thực nghiệm điều khiển tốc độ cho động cơ một
chiều kích từ độc lập khơng đảo chiều quay với tín hiệu đặt dạng bước
nhảy step. Thơng số kỹ thuật: Động cơ Л-82
Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy Cao Đức Thanh đã tận tình giảng
dạy và truyền đạt cho chúng em những kiến thức vê chuyên ngành để từ đó
chúng em đã có thêm những kiến thức để vận dụng vào thực tiễn
Do trình độ cịn hạn chế và những nguyên nhân khác,...Nếu dù đã rất cố
gắng song bài báo cáo của nhóm chúng em khơng tránh khỏi những hạn
chế, thiếu sót. Vì thế nhóm chúng em rất mong nhận được sự quan tâm
đóng góp của thầy để bài báo cáo của chúng em được hoàn chỉnh hơn.
Những ý kiến đóng góp của thầy giúp nhóm em có thể nhận ra được những
hạn chế và qua đó có thêm nhiều kiến thức mới trên con đường học tập
cũng như những nghiên cứu sau này.
Sinh viên thực hiện (Tất cả các SV)
Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU..............1
1.1. Khái quát về động cơ điện 1 chiều.........................................................1
1.1.1. Nguyên lý cấu tạo động cơ điện một chiều..................................1
1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều................................................2
1.1.3. Điều chỉnh tốc độ ñộng cơ điện một chiều..................................3
1.1

Cách điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều....................................4

1.2

Tham số của động cơ (Л-82)............................................................4

CHƯƠNG 2 : MƠ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. .6
2.1. Mơ tả tốn học động cơ điện 1 chiều..............................................6
CHƯƠNG 3 :TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ
PHỎNG TỒN HỆ THỐNG...................................................................15
3.1.Tổng Hợp Mạch Vịng Dịng Điện................................................15
3.4. Tính tốn các thơng sơ của hệ truyền động động cơ một chiều
kích từ độc lập và tiến hành mơ phỏng trên máy tính bằng phần
mềm Matlab.........................................................................................18
3.2. Tổng hợp mạch vịng tốc độ..........................................................19
3.5. Tính tốn các thơng số của hệ truyền động động cơ một chiều
kích từ độc lập và tiến hành mô phỏng trên máy tính bằng phần
mềm Matlab.........................................................................................23
3.6. Mơ phỏng.......................................................................................24


Hình 1 Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều............................................2
Hình 2 Các loại động cơ điện một chiều.......................................................4
Hình 3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều..............................................8
Hình 4 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa động cơ điện một chiều.....................9
Hình 5 Sơ đồ cấu trúc khi từ thơng khơng đổi............................................10
Hình 6 Sơ đồ cấu trúc gọn theo tốc độ và dịng điện..................................10
Hình 7 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ động lập với từ thơng
khơng đổi.....................................................................................................11
Hình 8 Mơ hình DCMC KTDC Φ= const trên Matlab...............................12

Hình 9 Cấu trúc BĐK PID..........................................................................13
Hình 10 Điều khiển hồi tiếp với BĐK PID.................................................13
Hình 11 Sơ đồ cấu trúc điều khiển..............................................................14
Hình 12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo dạng hàm truyền ........................15
Hình 13 Cấu Trúc Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ.......................................16
Hình 14 mạch vịng dịng điện khi chưa bỏ qua sdđ...................................16
Hình 15 Sơ đồ mạch vòng dòng điện dưới dạng hàm truyền......................17
Hình 16 mơ hình tổng hợp bộ điều khiển dịng điện khi bỏ qua sức điện
động.............................................................................................................17
Hình 17 Hàm truyền đối tượng điều khiển mạch vịng dịng điện..............18
Hình 18 Cấu trúc điều khiển tốc độ khi thay mơ hình DCMC KTDC
Φ=const.......................................................................................................21
Hình 19 Cấu trúc điều khiển tốc độ khi thay mô hình DCMC KTDC
Φ=const ,khi bỏ qua E.................................................................................21
Hình 20 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chirh tốc độ...............................................22
Hình 21. Hàm truyền đối tượng điều khiển mạch vòng tốc độ...................22

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU
1.1. Khái quát về động cơ điện 1 chiều
Hiện nay động cơ Điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong
các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một
chiều từ vài W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có
thể đáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ
diện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng


điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều dặc tuyến quan hệ
mômen – tốc độ.
Trong Động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh

lưu điều khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn diều chỉnh điện áp phần
ứng động cơ. Chỉnh lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha.
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 stator và rotor….Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ
góp và chổi điện.

Hình 1 Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều
Stator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập
trung trên các cực từ stator. Các cực từ stator 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 gơng từ bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy.
Rotor: cịn ñược 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
diện ghép cách điện với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử,
được đặt vào các rãnh trên lõi thép rotor. Các phần tử dây quấn rotor được
nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ
góp được cố định trên trục rotor. Cổ góp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo
chiều dịng 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: Dịng điện kích từ được lấy từ
nguồn riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp đặc biệt, khi từ thơng 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. trình bày các loại động cơ điện
một chiều.

Hình 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

1.1.3. Điều chỉnh tốc độ ñộng 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
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 đề tài này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
kích từ độc lập.


1.1


Cách điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều

Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng phương pháp sử
dụng điện trở.

 Đây là phương pháp đơn giản nhất được nhiều người áp dụng vì chỉ
cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính
sẽ giảm, do đó số vịng quay giảm và tốc độ sẽ chậm lại tương ứng.


Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng phương pháp điều
khiển từ thông.

 Phương pháp điều chỉnh từ thông hay còn được gọi là điều chỉnh
sức điện động của động cơ và momen điện từ. Khi từ thơng giảm thì
tốc độ quay của động cơ theo đó sẽ tăng lên. Tuy nhiên, trên thực tế,
thì phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện.


Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng phương pháp điều
khiển điện áp phần ứng.

 Điều khiển động cơ điện 1 chiều chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh
điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ hoặc lựa chọn điều
chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ. Theo đó, khi thực
hiện thay đổi điện áp của phần ứng thì tốc độ quay của động cơ cũng
sẽ bị thay đổi tương ứng

 Nhóm chúng em lựa chọn phương pháp điều khiển Uw

bằng PWM
PWM hay phương pháp thay đổi độ rộng xung là 1 kỹ thuật giúp cho
chúng ta điều chỉnh giá trị trung bình hiện tại của điện áp chạy đến thiết bị
điện tử bằng cách bật tắt nguồn với một tốc độ nhanh. Điện áp trung bình
cịn phụ thuộc vào chu kỳ của xung hoặc là lượng thời gian tín hiệu BẬT
trong tương quan với lượng thời gian tín hiệu TẮT trong cùng một khoảng
thời gian được quy định.
Vì vậy, cịn tùy thuộc vào kích thước cụ thể của động cơ, chúng ta có
thể chỉ cần kết nối đầu ra của Arduino vào chân của điện trở hoặc Mosfet
và tiến hành điều khiển tốc độ của motor bằng cách điều khiển đầu ra của
PWM. Tín hiệu Arduino có cơng suất thấp được bật tắt chân tại Mosfet,
qua đó động cơ cơng suất cao sẽ được điều khiển.

1.2

Tham số của động cơ (Л-82)


Công suất định mức:

Pdm = 42 [KW];

Điện áp phần ứng:

Uưđm = 220[V];

Dòng điện định mức :

IĐM

Tốc độ định mức

ndm = 1500[vòng/phút];

Điện trở phần ứng:

Rư = 0.0508 [Ω]; ];

Điện cảm phần ứng:

Lư = 0.0038 [H];

Mơ mem qn tính:

J =3.2 (kg.m2)

=

217 (A)


CHƯƠNG 2 : MƠ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU
2.1. Mơ tả tốn học động cơ điện 1 chiều
2.1.1 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
Mô tả chung


Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được
phương trình mơ tả sơ đồ thay thế như sau:

Mạch kích từ có hai biến dịng điện kích từ i k và từ thơng máy Φ là
phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(p) = RkIk(p) +Nk.P.Φ(p)
(2.1)
Trong đó

Nk- số vịng dây cuộn kích từ;
Rk- điện trở cuộn dây kích từ.

Mạch phần ứng:
U(p)= Ru. I (p)+ Lu p I(p) ± NN p Φ(p) + E(p)

(2.2)

Hoặc dạng dịng điện:

(2.3)
Trong đó

Lu - điện cảm mạch phần ứng;
NN - số vịng dây cuộn kích từ nối tiếp;
Tu - Lu/Ru - hằng số thời gian mạch phần ứng.

Phương trình chuyển động của hệ thống:

M(p)−M (p) = Jpω
c

(2.4)

Trong đó J là mơmen qn tính của các phần chuyển động quy đổi về
trục động cơ.


Từ các phương trình trên thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ
một chiều. Thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh, trong tính tốn
ứng dụng thường dùng mơ hình tuyến tính hố quanh điểm làm việc.

Hình 3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều
 Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập (NN = 0) thì có thể
viết các phương trình sau:
Mạch phần ứng:

Uo +∆U(p) = Ru [Io +∆I(p)] + p. Lu [Io +∆I(p)] +
+K [Φo +∆Φ(p)]. [ωB +∆ω(p)]
Mạch kích từ:

Uko +∆Uk(p) = Rk[Iko +∆Ik(p)]+ pLk[Iko +∆Ik(p)]
Phương trình chuyển động cơ học:

K [Φo +∆Φ(p)]. [Io +∆I( p)] −[MB +∆Mc ( p)]
=

Jp [ωB +∆ω(B)]

 Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình
trên có thể viết được các phương trình của gia số:

Hình 4 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa động cơ điện một chiều

2.1.2 Trường hợp khi từ thơng kích từ khơng đổi
Khi dịng điện kích từ động cơ khơng đổi, hoặc khi động cơ được
kích
thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thơng kích từ là hằng số:
KΦ = const = Cu

U(p) = Ru. I(p). (1+pTu) +Cu.ω(p)
Cu. I(p) - Mc(p) = Jp. ω(p)
Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thơng khơng đổi được thể hiện trên
hình
Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn trên hình
Trong đó đặt: hệ số khuyếch đại động cơ :
thời gian cơ học):

Kđ = 1/ Cu

( hằng số


Hình 5 Sơ đồ cấu trúc khi từ thơng khơng đổi

Hình 6 Sơ đồ cấu trúc gọn theo tốc độ và dòng điện


2.1.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thơng
khơng đổi
• Khi từ thơng của động cơ không thay đổi Φ = const ta chỉ cịn lại 2

phương trình
• Phương trình điện áp mạch phần ứng
U ( p )=Rư . I ( p )+ Lư . p . I ( p )+ E( p)

• Phương trình mơ ment
M ( p )−M c ( p )= j . p . ω

Do Φ = const nên ta đặt k.Φ = Cu = const, và có được
E(p) = k.Φ.ω = Cu. ω – Sức điện động phần ứng
M(p) = k.Φ.I(p) =Cu.I(p) – Moment điện trên trục động cơ
• U ( p )=Rư . I ( p )+ Lư . p . I ( p )+ E( p)
• M ( p )−M c ( p )=J . p . ω
• E(p) = k.Φ.ω = Cu. ω
• M(p) = k.Φ.I(p) =Cu.I(p)
Từ đó ta có sơ đồ

Hình 7 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ động lập với từ thông
không đổi.


Hình 8 Mơ hình DCMC KTDC Φ= const trên Matlab

2.1.4 Khái quát về bộ điều khiển PID
Cấu trúc của bộ điều khiển PID 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 qt, có ba thuật tốn
cơ bản được sử dụng là P, PI và PID.

Hình 9 Cấu trúc BĐK 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.
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:
Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần u p(t), tín
hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn.
Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thơng qua thành phần uI(t), PID vẫn
cịn tạo tín hiệu điều chỉnh.
Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần
uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.

Hình 10 Điều khiển hồi tiếp với BĐK PID
Bộ điều khiển PID được mơ tả bằng mơ hình vào-ra:


trong đó:

e(t) – tín hiệu đầu vào;
u(t) – tín hiệu đầu ra;
kp – hệ số khuếch đại;
TI – hằng số tích phân;
TD – hằng số vi phân.

Từ mơ hình vào – ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển
PID:

Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID
- Phương pháp Ziegler-Nichols
- Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

- Phương pháp tổng T của Kuhn
- Phương pháp tối ưu modul và phương pháp tối ưu đối xứng
- Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

2.1.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển

Hình 11 Sơ đồ cấu trúc điều khiển


Các thành phần trong cấu trúc : bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 3 pha ( tự tính
tốn thiết kế chọn van ) , máy điện 1 chiều , bộ điều khiển PID dòng , bộ đk
tốc độ , cảm biến đo dòng , máy phát tốc , enccodor, bộ phát xung , biến
trở để tạo tín hiệu đặt .,
.

Hình 12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo dạng hàm truyền .
Giải thích cấu trúc
Điều khiển tốc độ là một chế độ vận hành. Hệ truyền động sẽ giữ tốc
độ không đối không phụ thuộc vào mô-men tải. Tốc độ đặt là giá trị của
khối tạo hàm đặt khối này tạo điện áp đặt cho bộ điều khiển tốc độ với
khoảng thời gian xác định. Điều này cho phép gia tốc của động cơ trơn và
được nối tải. Đầu ra của bộ điều khiển tốc độ đưa vào mạch tạo xung, điều
khiển điện áp đặt lên phần ứng của động cơ
Điều khiển tốc độ sử dụng đo tốc độ bằng máy phát tốc
Máy phát tốc có thể được dùng để đo chính xác tốc độ hoặc khi động
cơ làm việc ở tốc độ trên tốc độ cơ bản. Tốc độ đo sẽ được đưa về bộ điều
chỉnh tốc độ. Bộ điều khiển tốc độ sẽ điều chỉnh điện áp phần ứng để giữ
tốc độ của động cơ không đổi với sự biến thiên của tải. Chẳng hạn, tải tăng
đột biến, tốc độ động cơ sẽ thấp, tốc độ phản hồi sẽ giảm. Bộ điều khiển tốc
độ sẽ cho tín hiệu đầu ra lớn hơn để đưa vào bộ điều chỉnh dịng, sẽ tăng

góc mở đưa vào mạch phát xung. Kết quả là điện áp phần ứng tăng và tăng
mô-men để động cơ có thể làm việc khi tải tăng. Tốc độ động cơ sẽ tăng
đến khi đạt tốc độ đặt.
Điều khiển mô-men
Một số ứng dụng yêu cầu vận hành với yêu cầu mô men mà không
để ý đến tốc độ. Mạch vịng tốc độ được loại bỏ và mơ-men đặt là đầu vào.
Bộ điều khiển dòng làm việc như bộ điều khiển mơ-men bởi vì mơ-men tỷ
lệ với dịng.


Ta Có Cấu Trúc Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ

Hình 13 Cấu Trúc Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ

CHƯƠNG 3 :TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MƠ PHỎNG TỒN HỆ THỐNG
3.1. Tổng Hợp Mạch Vịng Dịng Điện

Hình 14 mạch vịng dịng điện khi chưa bỏ qua sdđ
• Trong đó, bộ biến đổi có hàm truyền dạng
G BBD =

K cl

( 1+T v . p )( 1+T dk . p )

Kcl : hệ số khuếch đại bộ biến đổi
TV : hằng số thời gian van
Tdk : hằng số thời gian điều khiển
• Hàm truyền thiết bị đo có dạng

G do =
I

KI
1+ T I . p

KI: hệ số khâu đo dòng điện
TI: hằng số thời gian khâu đo dòng điện
Thay thế hàm truyền vào ta có được mạch vịng dịng điện của động cơ như
sau