Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều bằng Matlab simulink

BÁO CÁO CHUYÊN ĐÊ
CHUYÊN ĐÊ I: TRUYÊN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ MỘT CHIÊU

Giảng viên: Th.s: An Hoài Thu Anh
Lớp: Trang Bị Điện K56
Nhóm: 4
Thành viên:

1. Nguyễn Xuân Hùng
2. Nguyễn Tiến Hưng
3. Nguyễn Văn Khôi
4. Mai Vũ Long
5. Lê Văn Long

Nội dung báo cáo gồm có:
I.
II.
III.
IV.

Giới thiệu về động cơ một chiều
Xây dựng hệ truyền động động cơ một
chiều
Mô phỏng trên Matlab Simulink
Kết luận


I : Giới thiệu động cơ điện 1 chiều – DC
Motor
1 : Cấu tạo
Những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực

từ, rôto với dây quấn, cổ góp và chổi than


Sơ đồ mặt cắt ngang trục động cơ một chiều
Stato còn gọi là phần cảm, lõi thép bằng thép đúc, mặt trong
có gắn cực từ chính và cực từ phụ. Dây quấn cực từ chính được
đặt trên các cực từ chính. Dây quấn cực từ phụ được đặt trên
các cực từ phụ (giữa các cực từ chính)
Rôto của máy điện một chiều được gọi là phần ứng gồm lõi
thép và dây quấn phần ứng . Lá thép dạng hình trụ, làm bằng
các lá thép kỹ thuật điện phủ sơn cách điện, ghép lại. Dây quấn
rôto gọi là dây quấn phần ứng, thường làm bằng dây đồng, có
cách điện với nhau và với lõi thép .
Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện,
có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục.. Chổi than làm bằng than
graphit . Các chổi tì chặt lên cổ góp nhờ lò so và giá chổi điện
gắn trên nắp máy

2 : Phân loại động cơ một chiều
Dựa vào hình thức kích từ , ta chia động cơ thành loại :
- Động cơ một chiều kích từ độc lập : Dòng điện kích từ của
máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng

của máy
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp ; Dây quấn kích từ mắc
nối tiếp với phần ứng


- Động cơ một chiều kích từ song song : Dây quấn kích từ
nối song song với phần ứng

Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp : Gồm 2 dây quấn kích
từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối
tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song thường là chủ
yếu


3 : Nguyên lý hoạt động
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp U k trong dây sẽ
xuất hiện dòng Ik.Dòng kích từ này sẽ sinh ra từ thông chạy
trong mạch từ của động cơ. Ta đặt lên mạch phần ứng của động
cơ điện một điện áp Uư thông qua hệ thống cổ góp - chổi than
thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện I ư chạy
qua.Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ sinh
ra Momen điện từ.

4 .Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DCM
Ưu điểm của động cơ một chiều so với các loại động cơ khác là dễ
dàng điều chỉnh tốc độ, các bộ điều chỉnh tốc độ cũng đơn giản, dễ chế
tạo . các phương pháp cơ bản :
- Thay đổi điện áp phần ứng
- Thay đổi điện trở mạch phần ứng
- Thay đổi từ thông kích từ

5 : Các phương trình đặc trưng động cơ một
chiều
a) Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
=

b) Sức điện động phần ứng Eư được tính theo biểu thức:
= Ke.Φ.ω
c) Mômen điện từ của động cơ được xác định:
m = Km.Φ.
d) Phương trình cân bằng mô men của động cơ:
J = 2πJ
e)
Trong đó:
Ua: điện áp đặt vào phần ứng động cơ (V).
Ra: điện trở cuộn dây phần ứng (Ω).
Ea: sức điện động phần ứng động cơ (V).
Ia: dòng phần ứng (A).
m: mô men động cơ (Nm).
: Mô men tải
J : Momen quán tính của động cơ
ω: tốc độ góc động cơ (rad/s).
Φ: từ thông động cơ (Wb).

II : Xây dựng hệ truyền động điện động cơ một chiều
Để mô hình hóa trạng thái động cơ thì ta phải chuyển hệ phương trình động
cơ điện một chiều kích từ độc lập về miền toán tử Laplace.Ta được hệ phương
trình động cơ điện một chiều kích từ độc lập trên miền Laplace:
+ Ua(s) =Ea(s) + Ra.Ia(s) +La.Ia(s).s

(1)

+ Ea(s) = KΦ. ω (s)
+ M(s) =KΦ.Ia(s)
+ M(s) = Mt(s) + J(s). ω (s).s
Từ 1 suy ra :

(2)


với
Từ 2 suy ra:
Bằng các phép biến đổi toán học ta được sơ đồ cấu trúc động cơ trên Matlab
như sau :

1, Xây dựng hệ truyền động điện cho động cơ

Ta có
- : Mạch vòng trong là mạch vòng dòng điện RI với quán tính nhỏ, động
lực học nhanh.
- Mạch vòng ngoài là mạch vòng tốc độ R W : tín hiệu cơ động học
chậm, quán tính lớn.

2, Tính toán các bộ điều khiển PID
a, Khái quát về bộ điều khiển PID


Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm 3 phần là khâu khuếch đại ( P ) , khâu
tích phân ( I ) và khâu vi phân ( D) . khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết ta
sẽ phải chọn P I hoặc D sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn .

Cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ PID có cấu trúc đơn giản, đuộc sử dụng rộng dãi trong điều khiển các
đối tượng sử dụng 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 cấu cơ bản về
chất lượng :

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần Up(t) , tín
hiều điều chỉnh U(t) càng lớn .
- Nếu sai lệch tĩnh e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần Ui(t) ,
PID vẫn còn tạo ra tín hiệu điều chỉnh .
- Nếusự thay đổi của sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành
phần Ud(t) , phản ứng thích hợp của U(t) càng nhanh .

b, Bộ điều khiển dòng điện
Để thiết kế khâu điều chỉnh dòng điện, ta sử dụng hàm truyền đạt của
mạch điện phần ứng.
Bộ điều khiển dòng điện được sử dụng là PI gồm khâu khuyếch đại Kptác động nhanh và khâu tích phân Ki- triệt tiêu sai lệch tĩnh. Hàm truyền của PI:


RI (s)  Kp(1 

1
)
TI s

Động cơ DCM được cấp nguồn điều khiển bởi bộ chỉnh lưu với hàm
truyền gần đúng:

W1 (s) 

K cl
Tcl s  1

Phần ứng động cơ DCM là khâu quán tính bậc nhất với hàm truyền
W2 (s) 

1/ RA
L
TA  A
TA s  1 với
RA là hằng số thời gian roto.

Theo lý thuyết điều khiển hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển RI là:
P(s)  W1 ( s)W2 ( s) 

Với

K cl / RA
K

(Tcl s  1)(TA s  1) (T2 s  1)(T1 s  1)

Tcl  T1 , TA  T2 , T2  T1

Với đối tượng là khâu quán tính bậc 2, sử dụng phương pháp tối ưu độ
lớn để xác định thông số bộ điều khiển PI :
Ta có:
Khi đó

Tcl  TA
TI  T1  TA

;

Kp 

T1
TR
LA
 A A 
2 KT2 2T2 K cl 2T2 K cl

Từ đó ta có hàm truyền hệ kín bộ điều khiển động cơ DCM
G (s ) 

WH
R( s ) P(s)
1
1


�
1  WH 1  R( s) P( s ) 1  2Ts(Ts  1) 1  2Ts

(bỏ qua thành phần bậc cao)

c ,Bộ điều khiển tốc độ
Mạch vòng điều khiển tốc độ là mạch vòng ngoài, kết hợp với mạch vòng
trong (dòng điện) .
Hàm truyền mạch vòng trong (dòng điện)
G(s) 

1
1  2Ts

Khi đó hàm truyền của đối tượng mạch vòng ngoài

T  2Ts
Với 2
Đối tượng là khâu tích phân-quán tính bậc nhất ,sử dụng bộ điều
khiển PI có hàm truyền:
RI (s)  Kp(1 

1
)
TI s

Áp dụng phương pháp tối ưu đối xứng xác định tham số như sau:

T

I

K

 aT 2
p



1
KT 2 a

Với a xác định từ độ quá điều chỉnh hoặc có thể chọn:
+ Nếu a> 1, a càng lớn thì độ quá điều chỉnh càng nhỏ

+ Nếu a=< 1 thì hệ kín không ổn định

III Mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink

Xây dựng mô hình bằng Matlab Simulink .



Chọn động cơ 1 chiều Penta7MA với các thông số
như hình :

Tiếp đến ta nhập giá trị các thông số của động cơ và các
biến trong mô phỏng vào mfile của Matlab như sau :
- Các thông số động cơ :

Pdm = 1100; % Cong suat dinh muc
Udm = 180; % Dien ap dinh muc
Idm = 7.3; % Dong dien dinh muc
n = 3000; % Toc do dinh muc [vong/phut]
w = (2*pi*n)/60; % Toc do goc [rad/s]
Mdm = Pdm / w; % Momen dinh muc [N.m]
Ra = 0.85 ; % Dien tro phan ung [ohm]
La = 0.00315 ; % Dien cam phan ung [H]
Ta = La/Ra ; % Thoi gian dap ung phan ung [s]


Kmphi=Mdm/Idm;
Udk=5;
J = 0.0028; % Momen quan tinh tai
Kcl = Udm/Udk;

Tcl = 0.001;
Kephi = (60*Pdm)/(2*pi*n*Idm); % Tu thong khong doi
%Tinh bo dieu khien dong dien Ri
Ti1 = Ta;
Kp1 = La/(2*Kcl*Tcl);
%Tinh bo dieu khien toc do Rw
k = (Kephi)/(J);
T2 = 2*Tcl;
Ti2 = 4*T2;
Kp2 = 1/(k*T2*2);

Kết quả mô phỏng :
Cài đặt khối Step : step time =1 ; initial value = 300
; final value = -200 . Ban đầu động cơ chạy với tốc độ
300rad/s, sau khoảng thời gian là 1s , động cơ đảo
chiều quay với tốc độ 200rad/s. Ta được kết quả mô
phỏng .


Đáp ứng tốc độ

Nhận xét : qua đồ thị ta thấy động cơ lúc khởi động tăng
tốc lên hơn 400rad/s , sau đó tụt xuống còn 300rad/s
,đúng với giá trị tốc độ đặt và luôn bám sát tốc độ đặt, quá
trình này chỉ mất 0.03s . Quá trình đảo chiều quay cũng
chỉ mất 0.03s để đảo chiều động cơ và đúng giá trị đặt .
Như vậy bộ điều khiển tốc độ PI đã đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển
nhanh và chính xác.

 Đáp ứng dòng điện ( đường màu xanh là dòng điện đặt,
đường màu đỏ là dòng điện phản hồi ).

Nhận xét . lúc khởi động , dòng điện của động cơ đạt tới
gần 500A trong khoảng thời gian khoảng 0.06s sau đó trở
về lam việc với dòng khoảng 2A .ta thấy dòng điện đặt và
dòng điện phản hồi luôn bám sát nhau . thời gian đáp ứng
rất nhanh


IV . Kết luận

 Qua các nội dung tìm hiểu , nhóm chúng em đã hiểu rõ hơn về cấu tạo,
nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều và cách điều khiển tốc độ
động cơ
 Biết cách xây dựng hệ truyền động điện cho động cơ một chiều
 Biết sử dụng phần mềm Mathlab mô phỏng được động cơ một chiều ,
… và nhiều điều thú vị khác .
~~Cảm ơn cô đã giúp đỡ chúng em môn học này !!~~