Mô hình hoá hệ thống cơ điện tử

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

Giáo viên hướng dẫn: TS. Phan Đình Hiếu

Sinh viên thực hiện: Phạm Duy Khánh 2019601348

Hà Nội-2021

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>Phiếu Giao Học Tập </b>

<b>Bài số 3: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp </b>

như hình 1. Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃̇ là vận tốc góc của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thơng số của động cơ như sau:

- Điện cảm phần ứng L: 10. 10⁻³<i> H </i>

- Điện trở phần ứng R: 1.75 Ω - Điện trở mạch kích từ: 5 Ω b - Điện cảm kích từ L: 10. 10⁻³<i> H </i>

- Hệ số cản b = 6.6 10⁻⁵Nms/rad - Momen quán tính J= 0.006 𝑁𝑚𝑠/𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 1.53

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>MỤC LỤC </b>

Mục Lục ... 3

Danh Mục Hình Ảnh ... 4

Danh Mục Bảng Biểu ... 5

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ... 1

1.1. Tổng Quan Về Động Cơ Điện Một Chiều ... 1

1.1.1. Khái niệm ... 1

1.1.2. Cấu tạo của động cơ điện một chiều ... 1

1.1.3. Nguyên lí hoạt động ... 5

1.1.4. Phân loại động cơ điện một chiều ... 6

1.2. Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều ... 8

Chương 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BẰNG BOND GRAPH ... 12

3.1. Xây dựng biểu đồ Bond Graph ... 12

3.2. Đánh giá hệ thống khi chưa có bộ điều khiển ... 14

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển PID ... 16

4.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID ... 16

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>DANH MỤC HÌNH ẢNH </b>

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều ... 1

Hình 1.2: Cấu tạo Stato máy điện một chiều ... 2

Hình 1.3: Cực từ chính ... 2

Hình 1.4: Cơ cấu chổi than ... 3

Hình 1.5: Cơ cấu Rơt máy điện một chiều ... 4

Hình 1.6: Lõi thép phần ứng ... 4

Hình 1.7: Cổ góp ... 5

Hình 1.8: Ngun lí hoạt động cơ điện một chiều ... 6

Hình 1.9: Mạch điện kích từ độc lập ... 7

Hình 1.10: Mạch điện kích từ song song ... 7

Hình 1.11: Mạch điện kích từ nối tiếp ... 8

Hình 1.12: Mạch điện kích từ nối tiếp ... 9

Hình 2.1: Mạch điện động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ... 10

Hình 3.6: Biều đồ Bond nhân quả ... 14

Hình 3.7:Biểu đồ Bond khi chưa có bộ điều khiển ... 14

Hình 3.8: Nhập thơng số ... 15

Hình 3.9:Biểu đồ khi chưa có bộ điều khiển... 15

Hình 4.1: Bộ điều khiển PID ... 16

Hình 4.2: Biểu đồ Bond khi có khâu tỷ lệ P ... 18

Hình 4.3: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có khâu P ... 18

Hình 4.4: Biểu đồ Bond khi có khâu PI ... 19

Hình 4.5: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có bộ điều khiển PI ... 19

Hình 4.6: Biểu đồ Bond khi có khâu PD ... 20

Hình 4.7: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có bộ điều khiển PD ... 20

Hình 4.9: Biểu đồ Bond khi có khâu PID ... 21

Hình 4.10: Nhập thơng số cho bộ điều khiển PID ... 21

Hình 4.11: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có bộ điều khiển PID ... 22

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>DANH MỤC BẢNG BIỂU </b>

Bảng 4.1: So sánh các phương pháp điều chỉnh hệ số PID ... 17

Bảng 4.2: Bảng đánh giá khi Kp thay đổi ... 19

Bảng 4.3: Bảng đánh giá khi thay đổi Ki ... 20

Bảng 4.4: Bảng đánh giá khi thay đổi Kd ... 21

Bảng 4.5: Bảng đánh giá khi thay đổi thông số của bộ điều khiển ... 22

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5-10 MW. Hiện tượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng cơng suất của máy điện một chiều. Cấp điện áp của máy một chiều thường là 120V, 240V, 500V và lớn nhất là 1000V.

Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của các phiến góp là 35V. 1.1.2. Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: - Phần tĩnh (Stator)

- Phần động (Rotor).

<i>Hình 1.1: Động cơ điện một chiều </i>

Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng). Khác với máy điện đồng bộ, ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh cịn phần ứng là ở rơto. [1]

- Phần cảm (stato):

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

2

<i>Hình 1.2: Cấu tạo Stato máy điện một chiều </i>

+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc 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. [2]

<i>Hình 1.3: Cực từ chính </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

3

+ 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 có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn ở cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.

+ Gông từ: Gông 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. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.

<i>Hình 1.4: Cơ cấu chổi than </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

4

- Phần quay (rơto):

<i>Hình 1.5: Cơ cấu Rơt máy điện một chiều </i>

+ 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 có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.

<i>Hình 1.6: Lõi thép phần ứng </i>

+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua, dây qn phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể bằng tre, gỗ hoặc bakelit.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

5

+ Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một trục hình trịn. Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng.

<i>Hình 1.7: Cổ góp </i>

+ Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.

- Trục máy: thường làm bằng thép cacbon. Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

6

<i>Hình 1.8: Nguyên lí hoạt động cơ điện một chiều </i>

Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dịng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90<small>o</small> so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính.

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng. Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện.

1.1.4. 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 trường của các động cơ. Theo đó ta có 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

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

8

+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng

<i>Hình 1.11: Mạch điện kích từ nối tiếp </i>

+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.

<b>1.2. Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều </b>

1.2.1. Ưu điểm

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 có cấu tạo đơn giản và công 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 nhất định như trong cơng nghiệp giao thơng vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không 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 góp phức tạp hơn ... nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có 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 không đồng bộ không thể đáp ứng đƣợc 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 có 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. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75% 85%, ở động cơ điện cơng suất trung bình và lớn khoảng 85% 94% .Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000v. [1]

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

9

1.2.2. Nhược điểm

- Cần nguồn một chiều - Bảo quản cổ góp phức tạp

<b>- Dễ sinh tia lửa điện - Giá thành cao.. </b>

Mặc dù có nhiều nhược điểm như trên nhưng động cơ điện một chiều vẫn có vai trị quan trọng trong sản xuất, phát triển công nghiệp và được sử dụng phổ biến trong sản xuất.

<b>1.3. Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Nối Tiếp </b>

1.3.1. Giới thiệu

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Vì dịng kích từ bằng dịng điện phần ứng nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, ít vịng dây và điện trở nhỏ.

<i>Hình 1.12: Mạch điện kích từ nối tiếp </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

T: Mơmen xoắn (N.m) i<small>a</small>: Dịng điện phần ứng i<small>t</small>: Dịng điện mạch kích từ ∅: Từ thơng của động cơ J: momen qn tính

Vì đây là động cơ kích từ nối tiếp nên i<small>a</small>=i<small>t </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

12

<b>CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BẰNG BOND GRAPH 3.1. Xây dựng biểu đồ Bond Graph </b>

<i><b>Hình 3.1:Sơ đồ mạch điện </b></i>

Bước 1: Mỗi vị trí trong mạch có điện thế khác nhau thì đặt các Junction 0

<i>Hình 3.2: Thêm các zezo junction </i>

Bước 2: Biểu đồ Bond Graph có hai phía. Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng , điện cảm phần ứng, điện trở kích từ, điện cảm kích từ. Bên cịn lại chứa các thành phần quán tính và ma sát quay. [3]

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

13

<i>Hình 3.3: Thêm các phần tử </i>

Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

<i><b>Hình 3.4: Nối các phần tử lại với nhau </b></i>

Bước 4: Rút gọn biểu đồ bond Graph

<i>Hình 3.5: Rút gọn biểu đồ Bond </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

14

Bước 5: Gắn quan hệ nhân quả cho biểu đồ bond Graph

<i>Hình 3.6: Biều đồ Bond nhân quả </i>

<b>3.2. Đánh giá hệ thống khi chưa có bộ điều khiển </b>

<i>Hình 3.7:Biểu đồ Bond khi chưa có bộ điều khiển </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

16

<b>CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 4.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID </b>

4.1.1. PID là gì

<i>Hình 4.1: Bộ điều khiển PID </i>

<b>PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được </b>

sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vịng kín (có tín hiệu phản hồi). Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

<small>• </small>

D (Derivative): 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.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

17

<b>Cơng thức tốn của bộ điều khiển PID trên miền Laplace: </b>

𝑪

_(𝒔)

= 𝑲

_𝒑

+^𝑲

^𝒊

𝒔^{+ 𝑲}

^𝒅

^{𝒔 = 𝑲}

^𝒑

^{(𝟏 +}𝟏

𝑻

_𝒊

𝒔^{+ 𝑻}

^𝒅

<b>^𝒔)</b>

<b> Trong đó: </b>

• K

_p

: Độ lợi tỉ lệ • K

_i

: Độ lợi tích phân • K

_d

: Độ lợi vi phân

• T

_i

= K

_p

/K

_i

: Thời gian khâu vi phân • T

_d

: Thời gian khâu tích phân

4.1.2. Phương pháp lựa chọn thơng số PID

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Những phương pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó chọn P, I, và D dựa trên các thơng số của mơ hình động học. Các phương pháp điều chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vịng lặp có thời gian đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn.

Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay khơng vịng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển.

<i>Bảng 4.1: So sánh các phương pháp điều chỉnh hệ số PID </i>

Điều chỉnh thủ công

Không cần hiểu biết về tốn u cầu nhân viên có kinh nghiệm

Ziegler–Nichols

Có sẵn cơng thức tính tốn Làm rối loạn quá trình, một số thử nghiệm và lỗi, phải điều chỉnh nhiều lần

Các công cụ phần mềm

Xử lý các mô hình tốt Yêu cầu kiến thức toán học. Phương pháp offline. Chỉ tốt đối với các quá trình bậc một

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

19 Nhận xét: Khi tăng thông số Kp:

<i>Bảng 4.2: Bảng đánh giá khi Kp thay đổi </i>

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

20

Nhận xét: Khi tăng thông số Ki:

<i>Bảng 4.3: Bảng đánh giá khi thay đổi Ki </i>

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

21

Nhận xét: Khi tăng thông số Kd:

<i>Bảng 4.4: Bảng đánh giá khi thay đổi Kd </i>

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập

4.1.6. Xét bộ điều khiển PID

<i>Hình 4.8: Biểu đồ Bond khi có khâu PID </i>

Chọn Kp=10; Kd=Ki=0.1

<i>Hình 4.9: Nhập thơng số cho bộ điều khiển PID </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

22

<i>Hình 4.10: Đáp ứng vận tốc hệ thống khi có bộ điều khiển PID </i>

Nhận xét

<i>Bảng 4.5: Bảng đánh giá khi thay đổi thông số của bộ điều khiển </i>

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập

Sau khi thay đổi thông số của bộ điều khiển thấy được sự tác động của bộ điều khiển lên quá trình thay đổi vận tốc một cách rõ rệt như là cải thiện được thời gian xác lập tốt hơn và thời gian lên được giảm đáng kể. Cải thiện được sai số xác lập hầu như khơng cịn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

23

<b>KẾT LUẬN </b>

Bài tập của môn học mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống cơ điện tử về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp giúp sinh viên hiểu về cách hoạt động của động cơ điện một chiều nói chung và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp nói riêng trên góc độ phân tích.

Khi tìm hiều và giải quyết những vấn đề đặt ra trong yêu cầu của bài tập chúng em đã xây dựng được phương trình trạng thái mô tả động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, đồng thời thiết kế và xây dựng biểu đồ bond graph bằng phần mềm 20-sim để mơ phỏng vị trí động cơ và điều khiển vị trí động cơ.

Bộ điều khiển PID được sử dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển với tín hiệu cần ổn định là góc quay của động cơ. Khảo sát sự phụ thuộc của góc quay khi điện áp thay đổi thông qua chọn các tham số của bộ điều khiển PID.

Biết cách lựa chọn các thơng số cho bộ điều khiển PID. Từ đó nhóm đã tìm ra được bộ tham số của bộ điều khiển PID để cho động cơ hoạt động ổn định là: beta=0.5; Kp=10; Kd=Ki=0.1

Qua bài tập lớn giúp cho sinh viên củng cố các kiến thức đã học trên lớp, hiểu hơn về phương pháp điều khiển điều khiển, biết sử dụng cơ bản phần mềm 20-sim. Cũng cố lại kiển thức mơn lí thuyết điều khiển và cơ cấu chấp hành và điều khiển. Đồng thời, tích lũy được những kiến thức quan trọng để phục vụ cho việc học tập những học phần có liên quan, đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp sau này.

</div>