Tìm hiểu hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ vĩnh cửu sử dụng bộ băm áp cầu H

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN


BÀI TẬP LỚN MÔN
ĐIỀU KHIỂN SỐ

Tên đề tài:
Tìm hiểu hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ vĩnh cửu
sử dụng bộ băm áp cầu H

GVHD: Bùi Văn Huy
Danh sách sinh viên thực hiện:
1.
2.
3.
4.

Lê Văn Hùng
1141040321
Đinh Công Tuấn 1141040332
Thạch Minh Đức 1141040316
Nguyễn Văn Mạnh 1141040355

Hà Nội – 2018


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, xã hội ngày càng phát triển và đi theo con đường công nghiệp hóa, hiện đại
hóa. Thời đại của công nghệ số hầu như chiếm lĩnh mọi lĩnh vực trong cuộc sống. Vì

vậy không thể phủ nhận được tầm quan trọng của ngành tự động hóa. Trong đó có bộ
môn điều khiển số.
Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, ta bắt gặp ở mọi nơi các thiết bị
thông minh, các cỗ máy lớn hoạt động chính xác mà không cần con người thao tác
bằng tay. Chính những ví dụ này đã phần nào cho ta hiểu được tầm quan trọng của
công nghệ.
Với hệ thống điều khiển số, ta có thể dễ dàng thay đổi dải thuật điều khiển, dễ
dàng triển khai các dải thuật điều khiển phức tạp. Dễ dàng kết nối, kiểm soát hệ
thống, có khả năng tích hợp hệ thống cao bằng tự động hóa. Mà hiện nay, với tiêu chí
cạnh tranh về giá thành thì với giá thành rẻ nên việc phát triển điều khiển số trở nên
dễ dàng hơn bao giờ hết.
Qua quá trình làm bài tập lớn môn Điều khiển số, được sự hướng dẫn nhiệt
tình của thầy Bùi Văn Huy , chúng em đã phần nào hiểu được những kiến thức từ cơ
bản đến nâng cao của bộ môn này. Vì kiến thức còn non trẻ và hạn hẹp, vậy sau khi
hoàn thành,nếu có sai sót nào xin thầy góp ý và chỉnh sửa để chúng em ngày càng
hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!


Mục lục


Chương 1. TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU ĐỘC LẬP
1.1. Động cơ điện một chiều.
1.1.1.

Khái niệm.
Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị từ quay và

làm việc theo nguyên lí điện từ .khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng
điện chạy qua trong dây dẫn thì từ trường quay sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện
(vào dây dẫn ) làm dây dẫn chuyển động .Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ
năng.
1.1.2.

Cấu tạo.
Động cơ điện 1 chiều cấu tạo gồm 2 phần chính:
• Phần tĩnh (stato).
• Phần động (roto).
a) Phần tĩnh .
Phần tĩnh bao gồm lõi thép được làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy

và các cực từ chính có dây quấn kích từ , dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao
cho các cực từ tính liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ bu
long. Ngoài ra còn có nắp máy cực từ phụ và cơ cấu chổi than.
b) Phần động.
Phần động ( roto) bao gồm lõi thép, dây quấn phần ứng cỏ góp và trục máy.
• Lõi thép: hình trụ được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.5mm phủ
sơn cách điện ghép lại với nhau. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và
rãnh để đặt dây quấn phần ứng.
• Dây quấn phần ứng: gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau đặt trong các rãnh
của phần ứng tạo thành một hay nhiều vòng kín. Phần tư của dây quấn là một
bó dây gồm một hay nhiều vòng dây hai đầu nối với hai phiến góp của vành
góp hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên


• Cổ góp: gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khối
hình trụ cách điện với trục máy.

• Các bộ phận khác trục máy, quạt làm mát…..
1.1.3.

Nguyên lý làm việc.
Khi cho điện áp một chiều tác U vào 2 chổi điện A và B thì khi đó trong dây quấn

phần ứng có dòng điện .Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường
sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tjap ram omen quay tác dụng lên roto làm toto
quay .chiều của lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái .Khi rorto quay được
nửa vòng vị trí thanh dẫn ab và cd đổi chỗ cho nhau nhờ có phiến góp đổi chiều dòng
điện biến đổi chiều đưa vào phần ứng giữ cho chiều của lực tác dụng không đổi do đó
lực tác dụng lên roto vẫn theo một chiều không đổiđảm bảo chiều quay của động cơ
không đổi.
1.1.4.

Phân loại.
Dựa vào hình thức kích từ người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại
• động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
• động cơ điện một chiều kích từ song song.
• động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
• động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.


1.1.5.

Điều chỉnh tốc độ.
Động cơ điện một chiều có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng ,các bộ chỉnh tốc độ

đơn giản dễ chế tạo
• điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đầu vào phần ứng của động cơ ( dựa vào

các van bán dẫn để chỉnh lưu có điều khiển hoặc không điều khiển).
• điều chỉnh bằng thay đổi từ thông trong mạch kích từ động cơ.
• điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ.
1.2. Động cơ điện kích từ độc lập.
ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện ngoài
độc lập vói nguồn cấp điện cho roto ,và khi nguồn điện một chiều có công suất không
đủ lớn mạch điện phần ứng và mạch điển phần kích từ được mắc vào 2 nguồn điện
một chiều độc lập nhau.

 Kết luận:Động cơ điện một chiều là loại động cơ rất được ưa chuộng
trong các mô hình lớn hiện nay và ngày càng được ứng dụng nhiều hơn
do hiệu suất làm việc rất cao và tính ưu việt trong điều chỉnh cấp tốc độ.


Chương 2.

THỰC HIỆN CÁC NỘI DUNG YÊU
CẦU

Đối tượng điều khiển bao gồm khâu băm áp DC-DC cầu H nối tiếp với động cơ DC.
Trong đó:
+ i(t): dòng điện phần ứng (A).
+ ω(t): tốc độ động cơ.
+ (t): điện áp đặt lên động cơ.
+ =10000: hệ số quán tính của bộ cầu H.
+ hệ số momen =0,127 Nm/A.
+ momen quán tính J=0,000174 Kg
+ hệ số ma sát =0,000438 Nms/rad.
+ hệ số sức phản điện động =0,1270 Vs/rad.
2.1 Tham số động cơ và cảm biến dòng điện, cảm biến tốc độ.

Tham số động cơ
R(
1,20
2.1.1.

L(H)
0,0093

0,1270

0,1270

0,000438

Các bước tính toán.
B1: Xác định
B2: Kiểm tra tính toán quan sát được det(Q) khác 0.
B3: Xác định đa thức đặc tính của hệ quan sát.
B4: POT, Ts .
B5: Xác định đặc tính mong muốn .

J(kg
0,00017
4

Bộ cầu H
T(sec)
0,0045
10000

r

We

2.2 Xác định hàm truyền đạt và phương trình trạng thái liên tục ( A, B, C, D)
mô tả đối tượng điều khiển.

2.2.1. Hàm truyền đạt của hệ.
Từ sơ đồ khối liên tục, ta xác định được các ảnh laplace của các biến trạng thái

2.2.2 Phương trình trạng thái liên tục mô tả đối tượng điều khiển.
Phương trình trạng thái mô tả hệ thống liên tục là:
1

Rời rạc hóa đối tượng dưới dạng hàm truyền và phương trình trạng thái.
Ad = I + A*T
Bd = ( I*T + A*T*T/2)*B

2.1.2.

Rời rạc phương trình trạng thái.

Phương trình trạng thái rời rạc


Chuyển một khâu liên tục có hàm chuyển Gs sang khâu gián đoạn, chu kỳ lấy mẫu là
0.0045
. thay vào
ta có:

Gz= .
Gz = c2d( Gs,0.0046,’ Zoh’ )
2.2. Lượng tử hóa mô hình dưới dạng hàm truyền đạt & phương trình trạng thái.
n = 12
-

Hệ số khuếch đại khâu băm áp là:

-

Hệ số khuếch đại khâu dòng điện:

-

Hệ số khuếch đại khâu tốc độ:

-

Hệ số khuếch đại thêm:

Phương trình đầu ra với dữ liệu có thứ nguyên

2.3. Khảo sát tính ổn định của đối tượng thông qua hàm truyền đạt rời rạc
Xét mẫu


Thay vào M(z) ta được M(w)
Nhân với

+ ĐK1: thỏa mẵn

+ ĐK2: > 0
>0
>0
 Ổn định

2.4. Khảo sát chất lượng động, chất lượng tĩnh của đối tượng khi chưa có điều khiển
(hệ thống vòng hở)
2.4.1.

Chất lượng tĩnh.

Khảo sát hàm truyền đạt chưa có điều khiển ( hệ thống vòng hở ) => Khồng có C(z)
=> Hàm truyền để xét là G(z)

a) Sai số vị trí

b) Sai số tốc độ

T = 0.005
c) Sai số gia tốc


2.4.2.

Chất lượng động.
Chất lượng động của một hệ diễn tả khả năng bám theo tín hiệu đầu vào
bước đơn vị 1(k) của tín hiệu đầu ra y(k) thể hiện qua các tham số như: thời
gian tăng trưởng, thời gian xác lập, thời gian đáp ứng cực đại, lượng hóa điều
chỉnh, số lần dao động quanh vị trí xác lập.
•

Thời gian tăng trưởng là khoảng thời gian khi đáp ứng của hệ tăng từ

10% đến 90% giá trị xác lập .
• Thời gian đáp ứng cực đại là thời gian mà đáp ứng của hệ đạt giá trị
•

cực đại.
Thời gian xác lập là khoảng thời gian từ lúc khởi động đến lúc hệ đi
vào trạng thái làm việc ổn định ( sai số tĩnh của hệ nhỏ hơn sai số tĩnh

•

cho phép , thường lấy bằng 5% hoặc 2%).
Hệ thống có chất lượng động cao khi các giá trị ,, và POT có giá trị nhỏ.
Tùy từng đối tượng, hệ thống, công nghệ mà có các yêu cầu chất lượng

•

động khác nha. Trong thực tế POT không vượt quá 10%.
Một số phương pháp xác định chất lượng động của hệ thống:
o Phương pháp 1: nếu đã biết hàm truyền G(z) thì sử dụng phép
biến đổi Z ngược để tìm chuỗi rời rạc đầu ra y(k) khi đầu vào là
r(k), sau đó xác định các giá trị y(k) với k=0,1,2,3… cùng các sơ
kiện ban đầu. Từ các tập lệnh y(k) xác định được chất lượng động
của hệ thống
o Phương pháp 2: nếu đã biết PTTT mô tả hệ rời rạc thì xác định
được xi(k+1) từ xi(k) và r(k) theo phương thức tính đệ qui. Từ đó
xác định được tập y(k) và các tham số chất lượng động.
o Phương pháp 3: biết mo hình toán học, sử dụng Matlab để vẽ đáp

ứng quá độ và xác định chất lượng động của hệ thống.
o Phương pháp 4: xác định chất lượng động dựa vào vị trí các cực
nghiệm trộn của phương trình đặc tính vòng kín. Phương pháp
này có độ chính xác tương đối.

Cặp nghiệm trội trên là:
Bán kính của nghiệm trên mặt phẳng 2:


Góc của nghiệm trên mặt phẳng 2
Hệ số tắt dần của hệ thống:
Tần số dao động tự nhiên của hệ thống:
Lượng qua điểu chỉnh POT:
Thời gian quá độ khi lấy sai số 5% là và khi lấy sai sô 2% là
(3)
(5)
2.5. Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp áp đặt điểm cực
Thiết lập PID theo nguyên tắc giảm bậc hệ thống:

T = 0.0045
; Tạo hàm truyền đạt rời rạc
; Xác định mức độ ảnh hưởng của các cực
h=
4.5271
1.7641
0.002
; Giảm bạc đối tương gz=tf (rsys)

Đa thức đặc tính của hệ:
Rút gọn hệ thống có đa thức đặc tính của hệ kín:

-

Từ chất lượng mong muốn xác định giá trị nghiệm trội


Chọn nghiệm trộ
Để là nghiệm trội thì (điều kiện để thời gian quá độ của hệ thỏa mãn thiết kể)

-

Đồng nhất đa thức có hệ phương trình

=>
Ta thấy
Thay vào PID

Phương trình sai phân có giải thuận điều khiển:
2.6. Khảo sát chất lượng tĩnh của hệ thống kín.
C(z) = 20

a) Sai số vị trí

b) Sai số tốc độ


c) Sai số gia tốc

Đặt


Chương 3.

KẾT LUẬN

Trong quá trình làm bài tập lớn,chúng em còn rất nhiều sai sót, kính mong thầy
giáo xem qua và có thể chỉ dạy giúp chúng em, để bài của chúng em được hoàn thành
hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy