Xây dựng hệ điều khiển bám tốc độ cho động cơ một chiều với tín hiệu đặt có dạng hàm bậc 1 và hàm bậc 2 theo các tiêu chuẩn tối ưu cho module va tối ưu cho module đối xứng , so sánh giữa hai phương án

Lời nói 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
không nhỏ vào thành công đó. Một trong những vấn đề quan trọng trong các
dây truyền tự động hoá sản xuất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ 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. Vì vậy em được giao đề tài bài
tập lớn là Đề 30 : Xây dựng hệ điều khiển bám tốc độ cho động cơ một chiều
với tín hiệu đặt có dạng hàm bậc 1 và hàm bậc 2 theo các tiêu chuẩn tối ưu
cho module va tối ưu cho module đối xứng , so sánh giữa hai phương án
Động cơ có các tham số sau đây:
- Công suất định mức: Pdm = 1,5kW
- Điện áp định mức: 110V
-Dòng điện định mức:18A
- Tốc độ định mức: ndm = 3000 vòng/phút
- Điện trở phần ứng: Ru = 0.514Ω
- Mô men quán tính: J=0.045kgm2
- Điện cảm phần ứng: LA = 0.0116H
Trong quá trình làm bài tập lớn em luôn nhận được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình
cũng như hướng dẫn của thầy giáo Phạm Tâm Thành . Em xin gửi tới thầy lời cảm
ơn chân thành. Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của bài tập lớn cùng với kinh
nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bài tập lớn không tránh khỏi những thiếu
sót rất mong ý kiến của thầy để bài tập lớn của em được hoàn thiện hơn
Sinh viên thực hiện

1


Đỗ Đức Nam

Mục Lục

Chương 1: Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều
1.1: Động cơ điện một chiều
Khái niệm
Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện
từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một và cho
dòng điện chạy qua dây dẫn thì trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào
dây dẫn) vàlàm dây dẫn làm dây dẫn chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện
năng thành cơ năng.
a

Cấu Tạo

Gồm hai phần: - phần đứng yên stato (gọi là phần tĩnh)
2


- phần chuyển động roto (gọi là phần quay)

Hình 1.1: Mặt cắt ngang trục máy động cơ điện một chiều
1.1.1: Phần tĩnh hay stato.
Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường. Gồm có
mạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ đượckích từ
bằng nam châm điện)
- Mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc)
- Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây
điện từ (êmay). Các cuộn dây điện từ nay được nối tiếp với nhau.
a. 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 sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép
cacbon dày 0,5 đến 1mm gắn lại và tán chặt.Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng
thép khối. Cực từ từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. 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.
b. Cực từ phụ

3


Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chínhvà dùng để cải thiện đổi chiều.
Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt
dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào
vỏ máy nhờ những bulông.
c. 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.
d. Các bộ phận khác
Bao gồm:
- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp
máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm
bằng gang
- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy 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 chỉnhvị trí chổi than cho đúng chỗ.Sau khi điều
chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.

1.1.2. Phần quay hay rôto.
Bao gồm những bộ phận chính sau:
Là phần sinh ra suất điện động .Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt
từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau .Trên mạch từ có sẻ rãnh đẻ lồng dây quấn
phần ứng (làm bằng dây điện từ).
Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối vơi nhau quy luật nhất định. Mỗi
bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng
gọi là phiến góp.
4


Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là
cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào
thành cổ góp nhờ lò xo.
a. 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 Gắn chặt lại để giảm tổn hao do dòng
điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi Gắn lại thì dặt
dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông
gió để khi Gắn lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những
đoạn nhỏ, giữa những đoạn đó có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy
làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được Gắn trực tiếp vào
trục. Trong động cơ điện 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.
b. Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy

qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy
điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy
điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn
thận với rãnh của lõithép. 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 làm bằng tre, gỗ hay
bakelit.
a. Cổ góp
Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm
nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến
5


1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình
chữ V gắn chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành
góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử
1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non,
cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối
diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của
Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để
làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển
mạch dòng 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 o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay
theo quán tính.
Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều
phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và
hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor.
1.1.4 Phương pháp kích từ của động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều ngư

ời ta phân loạitheo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có
các loại động cơ điện:
Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:


Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn
riêng biệt so với phần ứng.



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.
6




Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn dây, dây
quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp.

Hình 1.2: Các loại động cơ điện một chiều
a
b
c
d

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ song song
Động cơ điện một chiều nối tiếp
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.2 Mô hình toán động cơ điện một chiều
Động cơ điện 1 chiều có cấu tạo gồm 2 phần là roto và stato. Stato được
làm bằng sắt hay thép có các cực từ để quấn các cuộn dây. Rôt (còn gọi là phần
ứng) quay quanh trục và được cấp điện từ bên ngoài thông qua chổi than và cổ
góp
Mô hình cấu tạo động cơ có thể được minh họa như hình vẽ

7


Hình1.3: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều
Trong đó:
+ CKĐ: cuộn kích từ độc lập
+ CKN: cuộn kích từ nối tiếp
+ CB: cuộn bù
+ CF: cuộn cụm
+ Uk, Ik: điện áp và dòng mạch kích từ
+ Uu, Iu: điện áp và dòng mạch phần ứng

Xét 1 động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp với 2 cuộn dây CKĐ và CKN khi đó
động cơ 1 chiều được mô tả bằng 3 phương trình toán sau
•

Pt mạch kích từ

U k = I k .Rk + N k .

dφ
dt

(1.1)

8


Uk

Trong đó

Ik

: điện áp mạch kích từ

: dòng điện mạch kích từ

Rk

: điện trở mạch kích từ

Nk

φ
•

: số vòng dây cuộn CKĐ

: từ thông động cơ

Pt mạch phần ứng
U u = I u .Ru + Lu .

dI
dφ
+ E ± NN
dt
dt

Lu

Trong đó:

(1.2)

: điện cảm mạch phần ứng

E: suất điện động động cơ
NN

E = kφω

: số cuộn dây cuộn CKN

±
Dấu “ ” mô tả cuộn kích từ nối tiếp cuốn cùng hay ngược
chiều với cuộn kích từ độc lập

•

Pt momen (pt chuyển động)
Me − Mc = J

Trong đó

dω
dt

(1.3)

Me = kφ I u

(momen điện của động cơ)
9


Mc

: Momen cản đặt vào động cơ

J: momen quán tính

φ

Từ 3 pt này kết hợp với quan hệ giữa dòng kích từ và
động cơ theo
đường cong từ hóa ta xây dựng được koo hình động cơ như sau
Laplace

(1) =>
(2) =>

Iu =

U k = I k .R k + N k .s.φ

φ=
=>

1
(U k − I k .Rk )
N k .s

U u = I u .(R u + sLu ) + E ± N N .s.φ

=>

1
1 / Ru
(U u − E mN N .s.φ ) =
(U u − E mN N .s.φ )
R u + sLu
1 + Tu .s

(3) =>

Me − Mc = Jsω

Tu = Lu / Ru

ω=
=>

1
( Me − Mc)
Js

được gọi là hằng số thời gian phần ứng

10


Hình 1.4: Mô hình toán động cơ

φ

Trong mô hình này quan hệ giữa và Ik là quan hệ phi tuyến, mặt khác
Mc
ω
trong nhiều trường hợp quan hệ giữa
và
cũng là 1 quan hệ phi tuyến nên
việc thiết kế các bộ điều khiển gặp nhiều khó khăn. Vì vậy người ta phải tuyến tính
hóa mô hình động cơ quanh điểm làm việc
1.2.1: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi
(φ=const)
Với các động cơ kích từ độc lập với từ thông không đổi thì ta không cần viết
phương trình mạch kích từ, mô hình động cơ chỉ còn 2 phương trình

11


•

Pt mạch phần ứng
U u = Iu .Ru + Lu

dI u
+E
dt

E = Kϕω = Cu .ω
•

Pt momen
Me − Mc = J

dω
dt

Me = Kϕ I u = Cu I u

(1.4)

Do chỉ có 1 giá trị của mạch phần ứng mà không có giá trị mạch kích từ nên
Iu
Uu
ta bỏ các chỉ số u của
và

và hiểu rằng các giá trị U, I bây giờ là mạch phần
ứng
dI
U = I .R u + Lu
+E
dt
(1.5)
Từ đây ta xây dựng được mô hình động cơ như sau
1
ω=
( Me − Mc )
J .s
(1.4)=>
1 / Ru
I=
(U − E )
1 + Tu .s
U = I (R u + Lu .s) + E
(1.5)=>
=>
Từ đây ta có mô hình động cơ như sau

Hình 5: Mô hình động cơ một chiều
12


13


Chương 2: Xây dựng mô hình điều khiển bám tốc độ và tính chọn các bộ

điều khiển
2.1.Xây dựng mô hình điều khiển bám tốc độ

Hình 2.1Mô hình điều khiển bám tốc độ
2.2.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul

=

Chọn
Ta có:
14


Vậy khâu
Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống đã mang tải , lúc đó ta không coi Ic là
nhiễu nữa.
2.3.Thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng
=

Chọn :

Vậy
Đây là khâu vô sai bậc 2 đối với đại lương đặt và vô sai bậc 1 với đại lượng nhiễu Ic
2.4.Tính chọn các bộ điều khiển
Ta có:

Kɸ=
Ta có :
Chọn


Ta có:

=
15


=1.05
•

Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul

==291
=
•

Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng

===292+
Đối tượng điều khiển:=

Chương 3 : Mô phỏng trên Simulink
3.1. Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul
- Tín hiệu đặt bậc 1
+Tải dạng bước nhảy

16


H×nh 3.1: S¬ ®å m« pháng

17


H×nh 3.2: §Æc tÝnh
+Tải dạng ngẫu nhiên

H×nh 3.3: : S¬ ®å m« pháng

18


H×nh 3.4: §Æc tÝnh

-Tín hịêu đặt dạng bậc 2
+ Tải dạng ngẫu nhiên

H×nh 3.5: S¬ ®å m« pháng
19


H×nh 3.6: §Æc tÝnh
+Tải dạng bước nhảy

H×nh 3.7: §Æc tÝnh

20


3.2. Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng
- Tín hiệu đặt bậc 1

+ Với tải ngẫu nhiên

H×nh 3.8: S¬ ®å m« pháng
Trong đó khâu PID có th«ng số:

H×nh 3.9

21


H×nh 3.10: §Æc tÝnh
+ Với tải bước nhảy

H×nh 3.11: S¬ ®å m« pháng
22


H×nh 3.12: §Æc tÝnh
- Tín hiệu đặt bậc 2
+Với tải bước nhảy

H×nh 3.13: S¬ ®å m« pháng
23


H×nh 3.14: §Æc tÝnh
+Với tải ngẫu nhiên

H×nh 3.15: §Æc tÝnh
24

Nhận xét:
-

Tốc độ bám theo tốc độ đặt
Với tín hiệu đặt là hàm bậc 1 và hàm bậc 2 thì tốc độ đều là 314
Với các nhiễu tải khác nhau thì tốc độ không đổi
Tốc độ động cơ giữa 2 tiêu chuẩn tối ưu modul và tối ưu modul đối xứng
đều là 314
Với tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng thì có độ quá chỉnh nhưng tương đối
nhỏ , tiêu chuẩn tối ưu modul thì không có độ quá chỉnh

Tài liệu tham khảo
25