Đồ án điện tử công suất truyền động điện Thiết kế hệ thống Chopper DC điều khiển số tốc độ động cơ điện một chiều công suất nhỏ sử dụng PID

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.17 MB, 26 trang )

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Mục Lục
Lời nói đầu.......................................................................................................................2
CHƯƠNG 1. ...................................................................................................................3
TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ............3
1. Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều. ........................................3
CHƯƠNG 2 ..................................................................................................................11
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG .......................................11
1. Mô hình toán của động cơ một chiều (Hàm truyền và sơ đồ khối) .....................11
2. Mô hình của bộ điều khiển công suất. .................................................................13
3. Hàm truyền của đối tượng và sơ đồ khối của hệ thống. ......................................13
CHƯƠNG 3. .................................................................................................................15
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ .....................................................................15
1. Xác định chu kỳ lấy mẫu. ....................................................................................15
2. Thiết kế bộ PID số điều chỉnh tốc độ (Digital PID controller) .........................15
CHƯƠNG 4:.................................................................................................................19
MÔ PHỎNG KẾT QUẢ TRÊN MATLAB&SIMULINK ......................................19
1. Mô phỏng chế độ không tải, nhận xét. ................................................................ 19
2. Mô phỏng chế độ tải định mức, nhận xét. ...........................................................20
3. Khảo sát chế độ tải xung, nhận xét. .....................................................................21
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC ....................................................23

Trang 1

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

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 nhóm em đã được giao đề tài đồ án là: “Thiết kế hệ thống (ChopperDC motor) điều khiển số tốc độ động cơ điệnmột chiều công suất nhỏ sử dụng bộ
điều khiển PID”. Nội dung đề tài được chia làm 5 chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chương 2. Xây dựng mô hình toán học của hệ thống
Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển PID số (Digital PID controller)
Chương 4. Mô phỏng kết quả trên Matlab&Simulink
Chương 5. Tính toán mạch động lực
Trong quá trình làm đồ án, em luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và
cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo TS. Quách Đức Cường. Em xin gửi
tới thầy lời cảm ơn chân thành. Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của đồ án cùng với
phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án
này không tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản
đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Nhóm 16

Trang 2

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Tổng quan về hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
Hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều (F - Đ).
Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA – ĐC).

Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ (CL - ĐC).
a. Hệ truyền động máy phát – động cơ điện một chiều (F - Đ).
+
Cấu trúc hệ F - Đ và đặc tính cơ bản:
Hệ thống máy phát - động cơ (F - Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện
là máy phát điên một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp
không đồng bộ ba pha kéo quay.
Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: Đặc tính từ hoá là
sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải là sự
phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng điện tải.
Các đặc tính này nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các phản ứng
của dòng điện phần ứng … trong tính toán gần đúng có thể tuyến tính hoá các đặc tính
này:
𝐸𝐹 = 𝐾𝐹 ∅𝐹 = 𝐾𝐹 𝜔𝐹 . 𝐶𝑖𝐾𝐹
Trong đó:
KF: Hệ số kết cấu của máy phát
C = ∆∅F/∆ iKF: Hệ số góc của đặc tính từ hóa.
Nếu dây quấn kích thích cảu máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng UKF thì:
𝐼𝐾𝐹 = 𝑈𝐾𝐹 /𝑟𝐾𝐹
Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp kích thích
bởi hệ số hằng KF như vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc
lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính:

𝐸𝐹 = 𝐾𝐹 . 𝑈𝐾𝐹

Trang 3

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động máy phát động cơ.
Nếu đặt R = R ưF + R ưD thì có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F
– Đ như sau :
KF
RI
ω=
. UKF −
K∅
K∅
ω=

KF
R
. UKF − 2 M
K∅
K∅

ω = ω0 UKF UKD −

M
βUKD

Các biểu thức trên chứng tỏ rằng, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy
phát thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì
giữnguyên. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ
rộng hơn.
+
Các chế độ làm việc của hệ F – Đ

Hình 1.2. Các trạng thái làm việc của hệ F – Đ

Trong hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động
rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ cơ bản như hình 1.1
Trang 4

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh được cả hai phía: Kích thích
máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích
thích máy phát, hãm động năng khi dòng kích thích máy phát bằng không, hãm tái sinh
khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái
sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mômen tải có tính chất thế năng …
hệ F-Đ có đặc tính cơ ở cả bốn góc phần tư của mặt phẳng toạ độ [ ω,M].
+
Ở góc phần tư thứ I và thứ III tốc độ quay và mômen quay của động cơ
luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều đối nhau và
|EF|>|E|, |ωc|>|ω|. Công suất điện từ của máy phát và động cơ là:
PF = EF I > 0
PĐ = EI < 0
Pcơ = Mω > 0
+
Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ II và thứ IV, thì lúc này do
|ω|>|ω0| nên
|E|>|EF|, mặc dù E, EF mắc ngược nhau, nhưng dòng điện phần ứng lại chạy
ngược từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ quay.
Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động
cơ là:
PF = EF I < 0
PĐ = EI > 0
Pcơ = Mω < 0

Chỉ do dòng điện đổi chiều mà các bất đẳng thức trên cho ta thấy năng lượng
được chuyển vận theo chiều từ tải động cơ máy phát nguồn, máy phát F và động cơ Đ
đổi chức năng cho nhau. Hãm tái sinh trong hệ F - Đ được khai thác triệt để khi giảm
tốc độ, khi hãm để đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải có tính chất thế
năng.
Đặc điểm của hệ F - Đ:
+
Các chỉ tiêu chất lượng của hệ F - Đ về cơ bản tương tự các chỉ tiêu của
hệ điều
áp dùng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi
trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng chịu quá tải lớn, do vậy thường sử dụng hệ
truyền đông F - Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ.
+
Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay,
trong đó ít
nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhấtgấp ba
lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra do các máy phát một chiều có từ dư, đặc
tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ.
b. Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA - ĐC)
Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều
Trang 5

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung
Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng ta thêm vào mạch một van đếm
V0. Có thể sử dụng thyristor hoặc transistor công suất để thay cho khóa K ở trên. Khi
đóng cắt khóa K, trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung vuông.

Khi ở trạng thái dòng liên tục thì giá trị trung bình của điện áp ra sẽ là:
t1

1
t1
∫ Udt =
Ud =
U = γ. U
TCK
TCK
0

Trong đó:
t1: thời gian khóa ở trạng thái đóng
t2: thời gian khóa ở trạng thái mở
TCK: thời gian thực hiện một chu kỳ đóng mở khóa
γ=

t1
TCK

: Độ rộng của xung áp

Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp ra Ud
và Ud có thể thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung . Mặt khác, thời gian một
chu kỳ đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền
động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ không thay đổi trong thời
gian TCK.
Đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC
γ. U

R b + R bđ
ω=
−
I
K∅đm
K. ∅đm
γ. U
R b + R bđ
ω=
−
M
K∅đm (K. ∅đm )2
Khi thay đổi γ ta được họ đường thẳng song song có độ cứng β = const vàtốc độ
không tải lí tưởng ω0 thay đổi theo . Nếu nguồn vô cùng lớn thì ta có thể bỏ qua Rbđ,
khi đó độ cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là:
(K. ∅đm )2
β = βTN =
= const
Rb
Tốc độ không tải lí tưởng không phụ thuộc vào chỉ là giá trị giả định. Nó có thể
tồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến đến 0. Vì vậy hai
biểu thức trên chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục.
Trang 6

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang trạng thái
dòng gián đoạn. Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói trên không còn đúng
nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc.

Hình 1.4. Đặc tính cơ của hệ
Nhận xét:
+
Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC khi dòng điện gián đoạn đều
có chung một giá trị không tải lí tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp = 0.
+
Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít, hệ đơn giản chắc
chắn.
+
Độ cứng của đặc tính cơ lớn.
+
Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ. Khi
làm việc ở trạng thái dòng điện gián đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định và tổn thất
năng lượng nhiều.
c. Hệ truyền động chỉnh lƣu - động cơ điện một chiều (CL - ĐC)
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ chỉnh lưu - động cơ điện một chiều
Hệ truyền động chỉnh lưu có điều khiển - động cơ điện một chiều (CL - ĐC) có
bộ biến đổi là các mạch chỉnh lưu có điều khiển, có sức điện động Ed phụ thuộc vào
giá trị của xung điều khiển ( tức là phụ thuộc vào góc điều khiển hay góc mở Tiristor ).
Điện áp chỉnh lưu Ud ( hay Ed ) là điện áp không tải ở đầu ra, có dạng đập mạch
với số lần đập mạch là n trong một chu kì 2π của điện áp thứ cấp máy biến áp.
Trang 7

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

+ Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia: n = m, trong đó m là số pha.

+ Với sơ đồ hình cầu: n = 2.m, trong đó m là số pha.
Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp có dạng hình sin với biểu thức là:
u2 = U2m . sinωt = U2m sinθ
(vớ i θ = ωt)
Trong khoảng = ( 0÷2π ) thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại như chu kì ban
đầu nên ta chỉ cần xét trong một chu kì T = 2π .
Sơ đồ thay thế của hệ CL – ĐC.

Hình 1.6. Sơ đồ thay thế của hệ chỉnh lưu – động cơ điện một chiều.
Khi van dẫn thì ta có phương trình cân bằng điện áp như sau:
did
u 2 − E = I d R Σ + LΣ
dt
did
Suy ra: U2m sinθ − E = id . R Σ + LΣ .
dt
Trong đó:
R Σ = R ba + R ư + R k
LΣ = Lba + Lư + Lk
W2
Vớ i: R ba = R 2 + R1 . ( )2
W1
W2
Lba = L2 + L1 . ( )2
W1
Trạng thái dòng liên tục.
Ở trạng thái dòng liên tục, khi van này chưa khóa thì van kế tiếp đã mở, việc mở
van kế tiếp là điều kiện cần để khóa van đang dẫn. Do vậy, điện áp của chỉnh lưu sẽ có
dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp.
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

α+

Ud =

2π
n

α+

2π
n

n
n
n
π
∫ u2 dt =
∫ U2m sinθdθ = . sin U2m . cosα = Ud0 . cosα
2π
2π
π
n
α

α

Trong đó:
θ = ωt
π

π

2

n

α = α0 − ( − ): Là góc mở của van.
Trang 8

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường
n

π

π

n

Ud0 = . U2m sin : Là điện áp một chiều lớn nhất ở đầu ra chỉnh lưu ứng với
α=0.
U2m: Là trị biên độ cảu điện áp thứ cấp máy biến áp.
N: Là số lần đập mạch trong một chu kỳ.
+
Bỏ qua sụt áp trên van, ta có phương trình đặc tính cơ như sau :
Ud0 . cosα
RΣ
ω=
−
M

K. ∅đm
(K∅đm )2
Trong đó:
n
R Σ = R u + R kh + R ba +
. X + Rv
2π ba
Ru: Là điện trở phần ứng động cơ.
Rkh: Là điện trở cuộn kháng lọc.
W2 2
)
W1
W2 2

Rba: Là điện trở của máy biến áp, với R ba = R 2 + R1 . (
Xba: Là điện kháng máy biến áp, với X ba = X 2 + X1 . (
n
2π

+

W1

)

X ba : Là điện trở đẳng trị do quá trình chuyển mạch.
Độ cứng cảu đặc tính cơ:
dM ∆M (K∅đm )2
β=
≈

=
dω ∆ω
RΣ

Hình 1.7.Đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu – động cơ một chiều khi dòng liên tục
- Trạng thái gián đoạn
Khi điện kháng trong mạch không đủ lớn, nếu sức điện động của động cơ đủ lớn
thì dòng điện tải sẽ trở thành gián đoạn. Ở trạng thái này thì dòng qua van bất kì sẽ
bằng 0 trước khi van kế tiếp mở. Do vậy trong một khoảng dẫn của van thì sức điện
động của chỉnh lưu bằng sức điện động nguồn: ed = U2 , với 0≤θ≤λ, trong đó λ là
khoảng dẫn.
Khi dòng điện bằng 0 thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động của
động cơ: ed = E , với λ < θ ≤

2π
n

Vậy ta có điện áp trung bình của chỉnh lưu là:

Trang 9

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường
2π

2π

λ
λ
n

n
n
Ud =
. ∫ u2 dθ + ∫ E dθ = ∫ U2m sinθ dθ + ∫ Edθ
2π 0
λ
0
λ
n
2π
=
. U (1 − cosλ) + E( − λ)
2π 2m
n
n
2π
Vậy:
Ud = . U2m (1 − cosλ) + E( − λ)
2π

n

Đặc tính cơ của hệ CL - ĐC khi dòng điện gián đọan:

Hình 1.8. Đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu – động cơ khi dòng gián đoạn
Nhận xét:
+
Ưu điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ có độ tác động nhanh cao,
không gây ồn và dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất
cao, vì vậy rất thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao

chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Mặt khác, việc dùng hệ
chỉnh lưu - động cơ có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn.
+
Nhược điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ có các van
bán dẫn là các phần tử phi tuyến tính, do đó dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập
mạch cao, gây nên tổn thất phụ trong máy điện một chiều.

Trang 10

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG
1. Mô hình toán của động cơ một chiều (Hàm truyền và sơ đồ khối)
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có
dòng điện và mạch từ của máy sẽ có từ thông ∅. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp Uư lên
mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện Iư chạy qua, tương tác
giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ. Vậy ta có các
phương trình cơ bản của động cơ một chiều.
Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
diư (t)
+ Eư (t)
dt
Sức điện động phần ứng Eư được tính theo biểu thức:
Eư (t) = Kb. ω(t)
Mômen điện từ của động cơ được xác định:
Ta (t) = KtIư (t)
Phương trình cân bằng mô men của động cơ:
dw(t)

Ta (t) − TL (t) = K f . w(t) + J.
dt
Trong đó:
R a : Là điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)
La : Điện cảm phần ứng (H)
Uư : Điện áp đặt vào phần ứng động cơ (V)
Eư : Là sức điện động phần ứng động cơ (V)
Iư : Là dòng điện phần ứng (A)
K b : Hệ số phản sức điện động (Vs/rad)
K f : Hệ số ma sát nhớt (Nms/rad)
K t : Hệ số mô men (Nm/A)
Ta : Mômen điện từ (N.m)
TL : Mômen cản (N.m)
w : Tốc độ góc của động cơ (rad/s)
Chuyển các phương trình trên sang dạng toán tử Laplace:
Uư (s) = R a . Iư (s) + La . s. Iư (s) + Eư (s)
Ta (s) = K t . Iư
Eư (s) = K t . w(s)
Ta (s) − TL (s) = K f . w(s) + J. s. w(s)
Hàm truyền của động cơ như sau:
w(s)
Kt
Wđc =
=
Uư (s) (La J)s2 + (R a J + La K f )s + (R a K f + K b K t )
Uư (t) = R a . iư (t) + La

Trang 11

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Từ các phương trình trên ta được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như
sau:

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều
Thông số động cơ: Pr = 54W, Ur = 32V, Ir = 2A, nr =3100 rpm.
Điện trở phần ứng: Ra = 1 + 0.2×m = 4.2(Ω)
Điện cảm phần ứng: La = 0.005 + 0.0002×16 = 8,2 × 10−3 (H)
Hệ số mô men: Kt = 0.0896(Nm/A)
Hệ số ma sát nhớt: Kf = 0.000062(Nms/rad)
Hệ số phản sức điện động: Kb = Kt = 0.0896(Vs/rad)
Mô men quán tính của hệ:
Mô men quán tính của rotor động cơ Jm = 0.000115(kgm2)
Mô men quán tính của bánh răng sơ cấp J1 = 0.00002(kgm2)
Mô men quán tính của bánh răng thứ cấp J2 = 0.0002(kgm2)
Mô men quán tính của tải: JL = 0.00003(kgm2)
Hệ số giảm tốc của hộp số: kg = 0.5
Ta có:
J  Jm 

-

J1  J 2  J L
0.00002  0.0002  0.00003
 0.000115 
 1.115.103 (kgm2 )
2
2
Kg

0.5

Hàm truyền của động cơ như sau:
Kt
w( s)
Wdc 

2
U u ( s) La Js  ( Ra J  La K f )s  ( Ra K f  Kb Kt )

0.0896
9.143 ×
+ 4.6835 × 10−3 𝑠 + 0.008289
Mô hình động cơ điện một chiều:
𝑊𝑑𝑐 =

-

10−6

𝑠2

Hình 2.1. Mô hình động cơ điện một chiều
Trang 12

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

2. Mô hình của bộ điều khiển công suất.
Ta có hàm truyền đạt của cầu H như sau:

G(s) 
G(s) 

U ( s)
 Ke  t
U dk ( s )
K
1 s 

1
2
 s  
2!



1
n
 s 
n!

Hàm truyền đạt của cầu H có thể lấy gần đúng:
G( s) 

U ( s)
K

U dk ( s)  s  1

Sơ đồ cấu trúc của cầu H:

Giả thiết τ = ∞, ta có U dc  2047.K
K

U dc
36

 0.0176
2047 2047

Tần số băm xung: f PWM  3KHz
τ

1
1

 1.67.104
3
2. f PWM 2.3.10

Kết luận: Hàm truyền của cầu H: G( s) 

0.0176
1.67.104 s  1

3. Hàm truyền của đối tượng và sơ đồ khối của hệ thống.
a. Sơ đồ khối của hệ thống.

Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống.
b. Hàm truyền của đối tượng.

Trang 13

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Ta có sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ như sau:

U d



K
(1  τs)

R (s)

1 / R
1  T s

Kt

U 

1
Js  K f

K
Hình 2.3. Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Trong đó:

R (s) : Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ.
K  (s) : Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ.
K
: Hàm truyền của cầu H.
1  τs

Ta có sơ đồ rút gọn như sau:

U đ



R (s)

S0 (s)

U

Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh:
𝑆0𝜔 =

9.55𝐾. 𝐾𝑡
𝑅𝑎 𝐾𝑓 (1 +

𝐽
𝐾𝑓

𝑠) (1 +

𝐿𝑎
𝑅𝑎

𝑠) (1 + 𝜏𝑠)

Kết luận:
Hàm truyền của đối tương:

𝑆0𝜔 =

9.55𝐾. 𝐾𝑡
𝑅𝑎 𝐾𝑓 (1 +

𝐽
𝐾𝑓

𝑠) (1 +

Trang 14

𝐿𝑎
𝑅𝑎

𝑠) (1 + 𝜏𝑠)

30


\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

CHƯƠNG 3.
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ
1.

Xác định chu kỳ lấy mẫu.

Hàm truyền động cơ:
𝑊𝑑𝑐 =



10−6

9.143 ×
Đáp ứng của động cơ:

𝑠2

0.0896
+ 4.6835 × 10−3 𝑠 + 0.008289

Hình 3.1. Đáp ứng bước của động cơ




Từ đáp ứng bước của động cơ ta có: ts =2.2 (s)
Xác định chu kỳ lấy mẫu T:
𝑇𝑙𝑚 =

𝑡𝑠
50

= 0.044 (𝑠)

2. Thiết kế bộ PID số điều chỉnh tốc độ (Digital PID controller)
Sơ đồ hàm truyền rút gọn:

U đ



S0 (s)

R (s)
U

Ta có hàm truyền của đối tượng:
𝑆0𝜔 =

9.55𝐾. 𝐾𝑡
𝑅𝑎 𝐾𝑓 (1 +

𝐽
𝐾𝑓

𝑠) (1 +

Trang 15

𝐿𝑎
𝑅𝑎

𝑠) (1 + 𝜏𝑠)

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Giả sử tốc độ cực đại của động cơ là 4096(vong / phut ) và bộ điều khiển 12 bit.
Ta có: 4096Kω  2047


2047
 0.5
4096

Kω 

Sau khi thay số ta được hàm truyền của đối tượng như sau:
57.83
𝑆0𝜔 =
(1 + 17.98 𝑠)(1 + 1.62 × 10−3 𝑠)(1 + 1.67 × 10−4 𝑠)
Áp dụng phương pháp tối ưu modunt trong thiết kế:

Khi đó ta đưa đối tượng về dạng:

Wo ( s) 
𝑊0 (𝑠) =

Ko
(1  T1s)(1  TΣ s)
57.83

(1 + 17.98 𝑠)(1 + 1.787 × 10−3 𝑠)

Với : 𝑇Σ = 𝑇2 + 𝑇3 = 1.62 × 10−3 + 1.67 × 10−4 = 1.787 × 10−3


Chọn bộ điều khiển dạng PI có hàm truyền đạt:
WPI ( s) 



K p (1  TI s)
TI s

Để khử thời gian lớn nhất ta chọn:
TI  T1  17.98

Vậy tính được các tham số của bộ PI:
𝑇𝐼
17.98
𝐾𝑝 =
=
= 86.99
2𝐾0 𝑇Σ 2 × 57.83 × 1.787 × 10−3

TI  T1  17.98
𝐾𝐼 =

𝐾𝑝 86.99
=
= 4.8383
𝑇𝐼
17.98

Trang 16

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Mô phỏng trên Matlab:
Step Response
1.4

1.2

1

Amplitude

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

Time (seconds)

Hình 3.2. Mô phỏng trên Matlab của toàn hệ thống khi có bộ ĐK PI.
Nhận xét: Khi thiết kế bộ PI thì ta thấy chỉ tiêu chất lượng bám cụ thể như sau:
 Từ mô phỏng trên ta thấy thời gian quá độ t(s)=0,066(s) đạt yêu cầu nhưng độ
quá hiệu chỉnh vượt mức bài toán cho là 5% rất nhiều nên không đáp ứng được yêu
cầu của bài toán.
 Vậy nhiệm vụ của ta là thiết kế bộ PI khác hợp lý hơn.
Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng
không loại bỏ sai số xác lập. Điều khiển tích phân (K I) sẽ loại bỏ sai số xác lập nhưng
có thể làm đáp ứng quá độ xấu đi Điều khiển vi phân (K D) có tác dụng làm tăng sự ổn
định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ. Ảnh hưởng của mỗi bộ
điều khiển Kp, KI, KD lên hệ thống vòng kín được tóm tắt bởi bảng sau:

Hình 3.3. Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp , KI , KD
Dựa vào bảng trên ta thấy muốn độ vọt lố hay độ quá điều chỉnh giảm xuống ta

phải giảm KP và tăng KI.

Ta thấy chọn 𝑲𝑷 = 𝟏𝟎 và 𝑲𝑰 = 𝟑𝟎 là thỏa mãn yêu cầu bài toán.

Trang 17

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Hình 3.4. Mô phỏng trên Matlab của toàn hệ thống khi tinh chỉnh lại bộ điều
khiển PI.
Chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc:

Áp dụng công thức chuyển từ hệ liên tục sang hệ rời rạc theo công thức:
𝟐 𝐳−𝟏
𝒔=
.
𝑻𝟏 𝐳 + 𝟏
Trong đó:
𝑻𝟏 (𝒔) là chu kì lấy mẫu.
Biến đổi ta được PI(z) rời rạc của vòng điều chỉnh tốc độ:
𝑲𝑰 . 𝑻𝟏 𝒛 − 𝟏
𝑷𝑰𝑫𝟏 (𝒛) = 𝑲𝑷 +
.
𝟐
𝒛+𝟏
Mô hình bộ điều khiển PI(z):

Hình 3.5. Mô hình bộ điều khiển PI(z) trên Matlab.

Trang 18

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

CHƯƠNG 4:
MÔ PHỎNG KẾT QUẢ TRÊN MATLAB&SIMULINK

Hình 4.1. Mô hình hệ thống trên Matlab
1.


Mô phỏng chế độ không tải, nhận xét.

Mô hình hệ thống trên Matlab:
Kết quả mô phỏng:

Hình 4.2. Đáp ứng tốc độ ở chế độ không tải khi tốc độ đặt 250v/phút
 Nhận xét: Đầu ra đáp ứng tốt khi không có tải và hầu như không có sai lệch
Trang 19

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

 Đáp ứng của dòng điện:

Hình 4.3. Đáp ứng của dòng điện khi không tải

Nhận xét:


Đầu ra đáp ứng tốt khi không có tải và hầu như không có sai lệch
2. Mô phỏng chế độ tải định mức, nhận xét.

Kết quả mô phỏng khi giá trị đặt tốc độ là 250 v/phút và có tải định mức:

Hình 4.4. Đáp ứng tốc độ đầu ra khi tải định mức
Trang 20

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường



Đáp ứng của dòng điện:

Hình 4.5. Đáp ứng của dòng điện khi có tải

Nhận xét:

Ban đầu tốc độ bị sụt xuống sau đó tăng lên một cách nhanh chóng và ổn
định về giá trị đặt 250 v/phút.

Dòng điện tăng lên khá cao.
3. Khảo sát chế độ tải xung, nhận xét.
Kết quả mô phỏng khi giá trị đặt tốc độ là 250 v/phút và có tải xung:

Hình 4.6. Đáp ứng tốc độ đầu ra khi tải xung.
Trang 21

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Đáp ứng dòng điện

Hình 4.7. Đáp ứng dòng điện đầu ra khi tải xung.
Nhận xét:

Ban đầu tốc độ bị sụt xuống sau đó tăng lên một cách nhanh chóng và ổn
định về giá trị đặt 250 v/phút.

Dòng điện tăng lên khá cao sau đó giảm xuống và ổn định.

Trang 22

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC
1. Tính các dữ kiện của van trong mạch cầu H.
Với bài này ta sẽ sử dụng Mạch cầu H dùng van MOSFET:
MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Hình 11 mô tả cấu tạo
của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p.

Hình 5.1. Cấu tạo của van MOSFET
MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B,
E và C của BJT. Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các tài liệu về điện
tử, ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET. Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu
điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó
điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương

với một khóa đóng. Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện
áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ. Vì tính dẫn của
MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng
IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các
mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1).
MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà
linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch
công suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET
kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương
đương BJT loại pnp. Thông thường các nhà sản xuất MOSFET
thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện
kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường
được dùng cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là
các mạch số CMOS (Complemetary MOS). Cũng giống như BJT,
khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích
hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa
phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên. Để giải
thích, hãy ví dụ một MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor
DC như trong hình bên.

Trang 23

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

Ban đầu MOSFET ko được kích, ko có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0.
Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor
nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V. Do yêu cầu của MOSFET, để kích
dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất
15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp

15V. Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch
cầu H (ít nhất là theo cách giải thích trên). MOSFET loại P thường được dùng trong
trường hợp này. Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS
của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong
các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại
N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào. Hình 13 thể hiện một mạch cầu H dùng 2
loại MOSFET tương đồng.

Hình 5.2. Mạch cầu H dùng MOSFET
Mạch dùng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 kênh P IRF9540 của hãng
International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H. Các MOSFET loại này chịu
dòng khá cao (có thể đến 30A, danh nghĩa) và điện áp cao nhưng có nhược điểm là
điện trở dẫn tương đối lớn (bạn tìm đọc datasheet của chúng để biết thêm). Phần kích
cho các MOSFET kênh N bên dưới thì không quá khó, chỉ cần dùng vi điều khiển kích
trực tiếp vào các đường L2 hay R2. Riêng các khóa trên (IRF9540, kênh P) tôi phải
dùng thêm BJT 2N3904 để làm mạch kích. Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G của
MOSFET được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng VS cũng
là điện áp chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn. Khi kích các line L1
hoặc R1, các BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân G của IRF9540 sụt xuống gần bằng
0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch). Khi đó, điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp
Trang 24

\Đồ án điện tử công suất và truyền động điện – Nhóm 16 – GVHD: TS. Quách Dức Cường

chân S, MOSFET dẫn. Vi điều khiển có thể được dùng để kích các đường L1, L2, R1
và R2.

Trang 25

Đồ án điện tử công suất truyền động điện Thiết kế hệ thống Chopper DC điều khiển số tốc độ động cơ điện một chiều công suất nhỏ sử dụng PID

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về