Ứng dụng lab VIEW trong hệ thống điều khiển động cơ một chiều

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.93 MB, 85 trang )

LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước. Tự động hóa là một
ngành không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại. Nói đến tự động hóa thì
máy tính là công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu được trong rất nhiều lĩnh
vực, đặc biệt trong đo lường và điều khiển. Ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo
lường điều khiển đã đem lại nhiều kết quả ưu việt như độ chính xác cao, thời gian
thu thập dữ liệu ngắn.
Cùng với sự phát triển chung đó và trên cơ sở kiến thức đã được học tập tại
trường chúng em chọn đề tài tốt nghiệp là “Ứng dụng LabVIEW trong hệ thống
điều khiển động cơ một chiều”. Trong đề tài này dùng vi điều khiển với Atmega16
để thu thập tín hiệu encoder từ động cơ, sau đó tính toán tốc độ rồi truyền thông lên
LabVIEW qua chuẩn giao tiếp RS232. Trên LabVIEW ta xây dựng bộ điều khiển
PID để điều khiển tốc độ quay của động cơ.
LabVIEW là một môi trường để lập trình cho ngôn ngữ lập trình đồ họa được sử
dụng rộng rãi trong khoa học - kỹ thuật - giáo dục nhằm nhanh chóng và dễ dàng
tạo ra các giao tiếp máy tính, đo lường, mô phỏng hệ thống, kết nối thiết bị ngoại vi
với máy tính theo thời gian thực. LabVIEW ra đời năm 1986 và ngày càng phát
triển mạnh trong lĩnh vực tự động hóa các hệ thống đo lường và điều khiển.
Nội dung đề tài bao gồm các chương:
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều
Chương 3: Giới thiệu phần mềm LabVIEW
Chương 4: Mô hình thiết kế và kết quả
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

LỜI CẢM ƠN
GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của cô Lê

Thị Vân Anh và cô Nguyễn Thị Hồng Yến. Trong suốt quá trình thực hiện đồ án
các cô đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết để định hướng và góp ý để chúng
em hoàn thành đồ án này.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn đến sự giúp đỡ của Ban giám hiệu
Trường Đại Học Điện Lực, toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Công Nghệ Tự
Động và bạn bè trong những năm học vừa qua. Với những sự giúp đỡ nhiệt tình đó
đã cho chúng em có được nền tảng kiến thức chuyên môn để chúng em có thể hoàn
thành đồ án này cũng như công việc trong tương lai.

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………NHẬN

XÉT
(Của giảng viên phản biện)

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

……………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………

Bảng 2.4: Bảng kết quả các thông số của động cơ
Bảng 2.5: Sự ảnh hưởng của các thông số KP, KI, KD tới chất lượng
Bảng 3.1: Chức năng của Tools Palette
Bảng 4.1: Đặc tính ra của IC khi đầu ra 5V
Bảng 4.2: Đầu ra tương ứng khi một phím được nhấn
Bảng 4.3: Bảng chức năng các chân của LCD 16x2
Bảng 4.4: Bảng chân lý tương ứng của IC 74LS157

g
17
25
25
26
27
33
52
54
55
62

Tên hình

Tran

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ DC
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích độc lập
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích song song
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích nối tiếp
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích hỗn hợp
Hình 1.6: Sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng động cơ một chiều

Hình 1.7: Xác định phạm vi điều chỉnh

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

g
1
4
4
5
5
7
8

Hình 1.8: Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen
Hình 1.9: Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ
Hình 1.10: Đặc tính điều chỉnh điện trở phụ trên mạch điện phần ứng

9
10
11

Hình 1.11: Điều chỉnh độ rộng xung PWM
Hình 1.12: Dạng sóng dòng và áp trên động cơ
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng động cơ một chiều
Hình 2.2: Sơ đồ khối tính tốc độ theo [rad/s]
Hình 2.3: Sơ đồ khối tính tốc độ theo [rpm]
Hình 2.4: Đáp ứng quá độ của khâu quán tính bậc nhất
Hình 2.5: Đường đặc tính động cơ một chiều

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID
Hình 2.7: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tỉ lệ
Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tích phân
Hình 2.9: Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân
Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tỉ lệ - vi phân
Hình 2.11: Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh tỉ lệ - vi tích phân
Hình 2.12: Điều khiển với bộ PID số
Hình 2.13: Minh họa ba cách tính tích phân
Hình 2.14: Sơ đồ khối bộ PID số
Hình 2.15: Hệ thống bộ điều khiển
Hình 2.16: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ
Hình 2.17: Xác định hệ số khuếch đại tới hạn
Hình 2.18: Thông số cho bộ điều khiển động cơ
Hình 3.1: Font Panel
Hình 3.2: Block Diagram
Hình 3.3: Icon
Hình 3.4: Getting started
Hình 3.5: Controls Palette
Hình 3.6: Tools Palette
Hình 3.7: Numeric Controls
Hình 3.8: Boolean
Hình 3.9: String & Path
Hình 3.10: Graph
Hình 3.11: String
Hình 3.12: Array
Hình 3.13: For Loop
Hình 3.14: While Loop
Hình 3.15: Sơ đồ khối mô tả chức năng thanh ghi dịch
Hình 3.16: Case Structures và Sequence Structures
Hình 3.17: Formula Node

Hình 3.18: File I/O
Hình 3.19: String Length
Hình 3.20: Concatenate Strings
Hình 3.21: String Subset

12
12
13
14
15
16
17
18
18
19
19
20
20
21
22
23
23
24
25
26
30
31
32
32
33

33
34
35
35
36
36
37
38
38
38
39
40
40
41
41
41

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

Hình 3.22: Match Pattern
Hình 3.23: Format Into String
Hình 3.24: Giao tiếp máy tính với thiết bị NI qua cổng RS232
Hình 3.25: Frame truyền theo chuẩn RS232
Hình 4.1: Sơ đồ khối
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm
Hình 4.3: Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của AVR ATmega16
Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc của AVR ATmega16
Hình 4.5: Khối nguồn 5V

Hình 4.6: Cấu trúc IC LM2576
Hình 4.7: Khối bàn phím
Hình 4.8: Sơ đồ khối và bảng đầu ra tương ứng khi một phím được nhấn
Hình 4.9: Khối hiển thị LCD và hình ảnh thực tế
Hình 4.10: Khối xử lý tín hiệu Encorder
Hình 4.11: Cấu tạo của IC 74LS14 và bảng trạng thái vào / ra
Hình 4.12: Cấu trúc mạch chuyển đổi tín hiệu
Hình 4.13: Cấu tạo và hình ảnh bên ngoài của vi mạch MAX232
Hình 4.14: Sơ đồ mạch cầu H
Hình 4.15: Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H
Hình 4.16 : Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh N và kênh P
Hình 4.17: Sơ đồ bộ cách lý quang
Hình 4.18: Mạch kích cầu H sử dụng IC 74LS157

41
42
42
43
44
45
45
46
52
52
53
54
55
56
56
57

57
58
59
59
60
61

Hình 4.19a: Linh kiện thực và sơ đồ cấu tạo chân
Hình 4.19b: Sơ đồ nguyên lý và bảng chân lý của IC 74LS157
Hình 4.20: Mô hình thực tế
Hình 4.21: Giao diện người dùng khi vận tốc đạt là 50 vòng/s

62
62
69
69

Hình 4.22: Giao diện người dùng khi vận tốc đạt là 10 vòng/s

70

Hình 4.32: Giao diện người dùng khi vận tốc đạt là 55 vòng/s

70

Hình 4.24: Giao diện người dùng khi vận tốc đạt là 10 vòng/s

71

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh

ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
DC

: Direct current (Một chiều).

PID

: Proportional Integral Derivative (Tỉ lệ vi tích phân).

LabVIEW : Laboratory Virtual Instrument Electronic Workbench.
NI

: National Instruments.

VIs

: Virtual Instruments (Thiết bị ảo) .

PC

: Personal Computer (Máy tính).

UART

: Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmiter (Bộ truyền

nhận nối tiếp không đồng bộ).

ALU

: Arithmetic and Logic Unit (Đơn vị logic và số học).

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

PWM

: Pulse width modulation (Điều chỉnh độ rộng xung).

ADC

: Analog - to digital Converter (Bộ chuyển đổi tương tự số).

LCD

: Liquid Crystal Display (Màn hình tinh thể lỏng).

MCU

: Micro Control Unit (Bộ vi điều khiển).

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Cấu tạo, phân loại và nguyên lý làm việc của động cơ một chiều
1.1.1 Cấu tạo động cơ một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm hai phần chính: phần tĩnh (stato) và
phần quay (rôto).

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ DC

Phần tĩnh (stato)
Phần tĩnh còn được gọi là phần cảm gồm cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, nắp
máy và chổi điện.
Cực từ chính
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi thép kỹ thuật làm bằng các lá thép kỹ thuật
điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm được ép lại và tán chặt. Trong động cơ nhỏ
có thể dùng thép cực khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy bằng bu lông. Dây
quấn kích từ được làm bằng đồng cách điện, được quấn thành từng cuộn, mỗi cuộn
dây đều được bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên
các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ chính được nối tiếp nhau sao
cho khi có dòng điện chạy qua chúng thì hình thành các cực từ trái dấu xen kẽ.
Cực từ phụ
GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

12

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi
thép thường làm bằng thép khối, trên thân cực từ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống
như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông.

Gông từ
Gông từ làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ
công suất lớn gông từ làm bằng thép đúc. Trong động cơ công suất nhỏ và vừa
thường dùng thép tấm cuộn lại và hàn. Có khi trong động cơ nhỏ dùng gang làm vỏ
máy.
Cơ cấu chổi than
Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một ḷ xo tt
chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá.
Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi
điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại. Chổi than làm bằng than hay graphit,
đôi khi được trộn thêm bằng bột đồng để tăng độ dẫn điện. Chổi than có nhiệm vụ
đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hoặc ngược lại.
Nắp máy
Nắp máy để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn
và đảm bảo an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong các động cơ công suất
nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp
máy thường làm bằng gang.
Phần quay (rôto)
Phần quay còn được gọi là phần ứng gồm lõi thép phần ứng, dây quấn phần
ứng, cổ góp.
Lõi thép phần ứng
Lõi thép rôto dùng để dẫn từ, thường làm bằng các lá thép kỹ thuật điện (thép
hợp kim silic) dày 0.5mm, bề mặt có phủ sơn cách điện rồi ghép lại để giảm tổn hao
do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ghép lại
thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ cỡ trung bình trở lên, người ta còn dập

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

13

những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió
dọc trục. Trong động cơ hơi lớn thì lõi sắt được chia thành từng đoạn nhỏ, giữa các
đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi động cơ làm việc,
gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong những động cơ nhỏ, lõi
sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ lớn, giữa trục và lõi sắt có
đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng
lượng rôto.
Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động cảm ứng và có dòng điện
chạy qua. Dây quấn phần ứng làm bằng đồng có bọc cách điện, tiết diện hình tròn
(trong động cơ công suất nhỏ) hay hình chữ nhật (trong động cơ công suất lớn),
được đặt trong các rãnh của lõi thép một sơ đồ cụ thể và được cách điện cẩn thận
với rãnh. Để tránh khi quay bị vung ra do lực ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để
đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể bằng tre, gỗ hay bakêlit.
Cổ góp
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để chỉnh lưu dòng điện
xoay chiều trong dây quấn phần ứng thành dòng điện một chiều đưa ra ngoài. Cổ
góp gồm nhiều phiến đồng có đuôi én ghép lại thành hình trụ tròn, giữa các phiến
đồng được cách điện với nhau bằng các tấm mica dày 0.4 đến 1.2mm. Hai đầu trụ
tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và phiến góp cũng được
cách điện bằng các tấm mica. Đuôi vành góp nhô cao lên một ít để hàn các đầu dây
của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng. Ngoài ra, động cơ điện
một chiều còn có các bộ phận khác như cánh quạt và trục máy. Cánh quạt dùng để
quạt gió làm mát động cơ. Động cơ điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ,
ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy. Khi máy quay,
cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn
qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ. Trục máy làm bằng thép cacbon tốt. Trên
trục máy lắp lõi sắt phần ứng, vành góp, cánh quạt.

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

14

1.1.2 Phân loại động cơ một chiều
Động cơ điện một chiều được phân thành các loại như sau:
Động cơ một chiều kích thích độc lập
Bao gồm động cơ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và động cơ kích thích
điện từ.

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích độc lập

=I
Động cơ một chiều kích thích song song
Có dây quấn kích thích được nối song song với dây quấn phần ứng để có thể tự
sinh ra dòng điện kích thích cần thiết mà không cần nguồn điện bên ngoài.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích song song

I=

+

Động cơ một chiều kích thích nối tiếp
Có dây quấn kích thích nối tiếp với dây quấn phần ứng.
GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

15

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích nối tiếp

I=

=

Động cơ một chiều kích thích hỗn hợp

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích thích hỗn hợp

Có hai dây quấn kích thích: nối tiếp và song song.
I=

+

1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ u k nào đó thì trong dây quấn
kích từ sẽ có dòng điện i k dẫn đến mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt
một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng có dòng điện I

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

16

chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen
điện từ. Giá trị mômen điện từ:

M=

pN
.φ I = k .φ I
2π .a

Trong đó:
p: Số đôi cực của động cơ.
n: Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ.
a: Số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.
k: Hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục. Các dây quấn phần ứng quét
qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động.

E=
Trong đó:

pN
.φω = k .φω
2π .a

là tốc độ góc của rôto.

ω=
Trong đó:

U − I .R

kφ

là điện trở mạch phần ứng của động cơ.

1.2 Phạm vi ứng dụng của động cơ một chiều

1.2.1 Ưu điểm
Động cơ một chiều có:
•
•
•
•
•

Mômen mở máy lớn.
Khả năng điều chỉnh tốc độ bằng phẳng.
Phạm vi điều chỉnh rộng, dễ điều chỉnh.
Tiết kiệm điện năng.
Tuổi thọ lớn.

1.2.2 Nhược điểm
•
•

Giá thành đắt.
Công suất không cao.

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

17

1.2.3 Phạm vi ứng dụng
Động cơ điện một chiều được sử dụng trong các máy công nghiệp có yêu cầu
cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải...và có tầm quan
trọng nhất định trong sản xuất.
1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
1.3.1 Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng
Sơ đồ :

Hình 1.6: Sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng động cơ một chiều

Phương trình cân bằng áp:
=
Do

= k.

+

nên

nên

I =

+

U I ( R f + R )

−
k.φ
k.φ

M
k.φ

ω=

U ( R f + R )
−
.M
k.φ ( k.φ ) 2

ω = ω0 (Udk ) −

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

+

= k.

ω=

Do M = k.

(

M

β

)
(

+

)

18

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng
không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển
Uđk của hệ thống.
Xác định dải điều chỉnh tốc độ:

D=

ωma x
ωmin

Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

ωma x = ω0 ma x −

M
β

ωmin = ω0 min −

M
β

Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
mômen ngắn mạch là:
=
Trong đó:

=

.

là hệ số quá tải về mômen.

Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ
cứng đặc tính cơ ta có thể viết như sau:

ωmin = ( M nmmin − M dm )

ω0 max . β
−1
M dm
=
KM −1
− ( K M − 1)

ω0 max −
D=

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

M dm
β

1 M dm
=
( K M − 1)
β
β

M dm
β

19

Hình 1.7: Xác định phạm vi điều chỉnh

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị

, 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 đó:

.|

|/

≤ 10

Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ
cũng không vượt quá 10. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ
thông kích từ được giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi:
= K.

.

= Mđm

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các
đường thẳng ω =

,M=

và các trục tọa độ. Tổn hao năng lượng

chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ.

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

20

Hình 1.8: Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen

Vậy điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích
hợp trong trường hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh.
1.3.2 Phương pháp điều chỉnh từ thông
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh
mômen điện từ của động cơ M = K
=K

và sức điện động quay của động cơ

ω. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ

thông cũng là phi tuyến.

ik =
Trong đó:

ek
dφ
+ ωk
rb + rk
dt

: điện trở dây quấn kích thích.
: điện trở của nguồn điện áp kích thích.
: số vòng dây của dây quấn kích thích.

Trong chế độ xác lập:

ik =

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

ek
;φ = f [ ik ]
rb + rk

21

Khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định
mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính
có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản.
Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch
của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời
điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện
chuyển mạch bình thường thì phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là
mômen cho phép trên trục động cơ cũng giảm rất nhanh. Khi giữ nguyên dòng điện
phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích.

( Kφ )
β=

2

R

Hình 1.9: Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ

Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ
thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hòa của đặc
tính từ hóa thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào
thông số kết cấu của máy điện.

φ = C.ik =

C
ek
rb + rk

1.3.3 Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng
Đặc điểm của phương pháp:

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

22

- Điện trở mạch điện phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có
thể tăng thêm điện trở).
- Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt điện trở lớn.
- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh càng
nhỏ.

Hình 1.10: Đặc tính điều chỉnh điện trở phụ trên mạch điện phần ứng

Trong đề tài này sử dụng động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu,
từ thông không đổi và khó thay đổi điện trở phụ mạch điện phần ứng nên chọn
phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp mạch điện phần
ứng. Một trong những phương pháp để thay đổi điện áp mạch điện phần ứng là điều
chỉnh độ rộng xung (PWM).

Hình 1.11: Điều chỉnh độ rộng xung PWM

Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung giữ tần số không đổi nên điều chỉnh độ
rộng xung để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ.

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

23

Điện áp trung bình:

U dk =

Ton
U in
T

Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục nên
dạng sóng dòng và áp của động cơ như sau:

Hình 1.12: Dạng sóng dòng và áp trên động cơ

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU
2.1 Mô hình hóa động cơ một chiều
Sơ đồ mạch điện phần ứng:
Ru

Uu

L

u

Eu

I

u

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng động cơ một chiều

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

24

Với:
: Điện áp phần ứng (V).
Rư: Điện trở phần ứng ( ).

: Sức điện động phần ứng (V).
: Mômen cản tỉ lệ với hệ số ma sát và tốc độ (rad/s).
T ( t)

: Mômen cản thuận.

b: Hệ số ma sát (rad/s).
J: Mômen quán tính của động cơ và tải.
: Hằng số mômen (Nm/A).
: Hằng số sức điện động (Vs/rad).
=

= K: hằng số động cơ.

Áp dụng luật Kirchoff vào sơ đồ trên ta có các phương trình vi phân sau:

di (t )

U (t ) = R .i + L dt + E (t )

 T (t ) = k.i (t ).φ = K .i (t )

(Nm A)
k.φ = K T = K

dω (t )
 T (t ) − b.ω (t ) = J
dt

U (t ) = k.φ .ω (t ) = K.ω (t )

( Vs rad )
Biến đổi Laplace ta được:

U (s) = R .I (s) + L .s.I (s ) + E (s)

 T ( s ) = K .I (s )

 T (s) = b.ω (s) + Jω (s)
 E (s) = K .ω (s)

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

25

I (s )
1

=
 U (s) − E (s) R + L .s


 T ( s)
 I ( s) = K

→
 E = K

 ω ( s)

 ω ( s) = 1
 T (s) b + J .s
Ta có sơ đồ khối tương đương với các phương trình trên:

Hình 2.2: Sơ đồ khối tính tốc độ theo [rad/s]

W (s) =

K
( R + L ) .(b + J .s)
1+

Hàm truyền đạt:

( R

W(s) =

K

2

+ L ) .(b + J .s)

=

K
( R + L ) .(b + J .s) + K 2

K
R .b

L  
J  K2
s ÷. 1 + s ÷+
1 +
R  
b  R .b


Đặt:

T =

L
R : Hằng số thời gian của mạch điện phần ứng.

Tm =

J
b : Hằng số thời gian phần cơ.

GVHD : ThS. Lê Thị Vân Anh
ThS.Nguyễn Thị Hồng Yến

Ứng dụng lab VIEW trong hệ thống điều khiển động cơ một chiều

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về