Báo cáo tkmh mô phỏng động cơ điện 1 chiều

Thiết kế môn học mô phỏng động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập mô phỏng trên Matlab simulink. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI TP.HCM KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ KHÍ BÁO CÁO THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Hào Sinh viên thực hiện: Mai Hoàng Trung Mã số sinh viên: 615104C056 Lớp: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử K61 TP.HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2023 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm, và các cánh tay robot, để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây truyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ. Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Mục tiêu điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây truyền sản xuất. Cho nên em đã chọn đề tài: “Thiết kế mô hìnhmô phỏng bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập”. Để khảo sát các đường đặc tính động cơ, cũng như khả năng kéo tải và tốc độ làm việc của động cơ khi có tải và chưa có tải Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Nguyễn Hữu Hào trong quá trình làm đề tài môn học này. Mặc dù đã cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai xót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô. TP.HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2023 MỤC LỤC I. KHÁI NIỆM CHUNG. 1 1.1 KHÁI NIỆM. 1 1.2 CẤU TẠO 2 1.3 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 4 1.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5 1.5 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6 1.6 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU. 7 1.7 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 8 1.8 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 10 1.9 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 10 1.9.1 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ PHỤ. 10 1.9.2 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG 12 1.9.3 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỪ THÔNG Φ 13 II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH (MẠCH DÒNG ĐIỂU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ) 14 2.1 Mô tả bài toán: 14 2.2 Phương trình trạng thái mô tả động cơ DC 15 2.4 Xét tính ổn định của hệ (Tiêu chuẩn Routh-Hurwitz) 16 2.5 Biểu diễn PTVP dưới dạng ma trận ( Không gian trạng thái ) 17 2.6 Xây dựng mô hình động cơ DC trong Matlab Simulink 19 2.7 Xây dựng mạch vòng điều chỉnh tốc độ () 24 III. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 25 3.1 Phân tích hệ thống điều khiển động cơ DC 25 3.2 Đáp ứng vòng hở 25 3.3 Các đặc trưng của mô hình tuyến tính bất biến theo thời gian (LTI model) 26 3.4 Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu đầu vào 29 3.5 Thiết kế bộ điều khiển điều khiển động cơ DC 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 I. KHÁI NIỆM CHUNG. 1.1 KHÁI NIỆM. - Động cơ điện 1 chiều là gì?  - Động cơ điện 1 chiều DC (được viết tắt của cụm từ “Direct Current Motors”) là một loại động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định. Hay nói cách khác thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC điện áp 1 chiều, biến điện năng thành cơ năng và cũng cấp năng lượng cho động cơ làm việc. Để tạo ra từ trường người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều DC. 1.2 CẤU TẠO - Động cơ điện 1 chiều có cấu trúc gồm 3 bộ phận chính: Phần cảm (Stator), Phần ứng (Rotor), Cổ góp và chổi than. + Phần cảm: là phần đứng im (stator) có nhiệm vụ tạo ra từ trường kích thích một chiều. Phần cảm được hình thành từ các lá thép ghép, cực từ dạng cực từ lồi với dây quấn dạng tập trung. Kết cấu của mạch từ với đường sức từ trường phần cảm phân bố trong lỏi thép stator. + Phần ứng: là phần quay (rotor) của động cơ điện một chiều. Tùy thuộc vào chế độ làm việc của động cơ, phần ứng thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Phần ứng được hình thành do sự lắp ghép các lá thép kỹ thuật điện tạo thành khối trụ, trên mỗi lá thép có dập răng rãnh để bố trí dây quấn (lá thép hình trụ bề dày 0.5mm). Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rảnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của phiến góp. Hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên. Phần ứng (rotor) động cơ điện một chiều => Khi máy điện một chiều họat động theo chế độ động cơ, cấp dòng một chiều qua dây quấn phần ứng, các thanh dẫn mang dòng điện này đặt trong từ trường phần cảm sẽ chịu tác động của các lực điện từ, sinh ra ngẩu lực làm quay phần ứng. => một chiều có 2p = 6 cực + Cổ góp và hệ thống chổi than: Để cung cấp được dòng một chiều vào dây quấn phần ứng lúc rotor quay, ta cần đến hệ thống chổi than và cổ góp. Cổ góp được ghép từ các phiến góp làm bằng đồng xếp tròn liên tiếp nhau thành một khối hình trụ, các phiến góp được phân cách nhau bằng lớp mica cách điện. 1.3 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU - Tùy thuộc vào sơ đồ nối dây giữa phần ứng với phần cảm, chúng ta phân loại động cơ như sau: Động cơ một chiều kích từ độc lập. - Là động cơ điện một chiều có cuộn dây kích từ thuộc nguồn cấp riêng, độc lập với phần ứng và hệ thống. Khi đó, bạn có thể chủ động ở phần kích từ để máy hoạt động theo quy trình mong muốn. Động cơ một chiều kích từ song song. - Động cơ điện một chiều kích từ song song có nghĩa là cuộn dây kích từ và phần ứng được đấu song song để nhận được điện áp định mức khi máy vận hành. - Khi được lắp song song, momen của động cơ điện sẽ được gia tăng tỷ lệ thuận với điện áp, và tốc độ coi như không thay đổi theo dòng điện. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp. - Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Động cơ một chiều kích từ hổn hợp. - Động cơ một chiều kích từ hổn 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 là chủ yếu. 1.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU - Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho roto quay. - Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chổ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. - Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư. Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư còn được gọi là sức phản diện. - Phương trình điện áp là: U = Etr + Rư..Iư 1.5 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU - Loại động cơ này được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc sống như: trong tivi, máy công nghiệp, máy in - photo, đài FM, ổ đĩa DC, trong công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn……. - Đối với động cơ DC nhỏ thường được sử dụng trong các công cụ, đồ chơi và các thiết bị gia dụng khác nhau. - Trong công nghiệp, động cơ DC được ứng dụng như băng tải và bàn xoay,… việc sử dụng động cơ DC công suất lớn trong các ứng dụng như phanh và đảo chiều - Động cơ một chiều còn được ứng dụng nhiều trong ngành chế tạo Robot,… 1.6 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU. - Mặc dù được sử dụng rất phổ biến hàng ngày, thế nhưng các em đã biết về ưu điểm và nhược điểm của động cơ điện một chiều hay chưa? - Về ưu điểm: Có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động (vì thế cho nên chúng thường được sử dụng trong các đầu máy kéo). Có khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt hơn so với những thiết bị khác. Tiết kiệm được điện năng. Bền bỉ, có tuổi thọ lớn. Động cơ điện một chiều có chổi than có hiệu suất tốt. Mật độ mô-men xoắn tương đối cao đối với các động cơ này. Động cơ một chiều chạy êm và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng. Có khả năng quá tải tốt và nhiễu điện từ nhỏ. Về nhược điểm: Nhược điểm của động cơ điện một chiều là cấu trúc. Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, giá thành cao nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên. Có tiếp điểm trượt giữa cổ góp và chổi than gây ra tia lửa điện, nó có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là khi ở trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ và mài mòn cơ học. Có giá thành đắt nhưng công suất lại không cao. 1.7 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU - Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ. - Để đảm bảo điều kiện trên thì ta mắc động cơ theo các cách mắc sau: + Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng + Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ đượcgọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập HÌNH 1.8: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập - Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rf) Iư (1.1) Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng, V Eư: Sức điện động phần ứng, V Rư: Điện trở mạch phần ứng, Iư: Dòng điện của mạch phần ứng, A Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư : Điện trở cuộn dây phần ứng rcf : Điện trở cuộn dây cực từ phụ rb : Điện trở tiếp xúc cuộn bù rct : Điện trở tiếp xúc chổi điện - Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: Eư = w Ф (1.2) Trong đó: P: Số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Ф: Từ thông kích từ dưới một cực từ ω: Tốc độ góc (rad/s) K = : Hệ số cấu tạo của động cơ Từ (1.1) và (1.2) ta có: w = - (1.3) - Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi: Mđt = K. .Iư (1.4) Với: Iư = thay giá trị I vào (1.3) ta có ω = - - Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta ký hiệu là M. => Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M ω = - (1.5) - Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. a) Đặc tính cơ - điện b) Đặc tính cơ 1.8 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP - Chế độ xác lập của động cơ một chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó 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 sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thong kích từ tạo thành mô men điện từ, giá trị mô men điện từ được tính như sau: M = φI = k.φI (1.6) Trong đó: α- số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng p- số đôi cực của động cơ N- số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ K = : hệ số kết cấu của máy Mô men kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng suất điện động: E = φω = k.φω (1.7) Trong đó: ω- là tốc độ góc của roto Trong chế độ , có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng: ω = (1.8) Trong đó : Ru - điện trở mạch phần ứng của động cơ. 1.9 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP - Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ, từ thông động cơ, điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động cơ 1.9.1 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ PHỤ. - Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều . - Giả thiết Uư = Uđm = const , Ф = Фđm = const . Muốn thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta nối trở phụ Rt và mạch phần ứng . Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng : ωo = = Const - Độ cứng đặc tính cơ : β = - = Var . + Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn. Hình 1.8: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phụ Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. - Đặc điểm của phương pháp: + Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. + Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm). + Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. + Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ωmax / ωmin càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 +) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản. 1.9.2 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG - Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa 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 tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để. Hình 1.10: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng Giả thiết Uư = Uđm = const , điện trở phần ứng Rư = const > Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm : - Tốc độ không tải : ωox = = Var - Độ cứng đặc tính cơ : β = - = const - Khi thay đổi điện áp đặt vào động cơ , ta thu được 1 họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên . Các đặc tính của động cơ khi giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ => Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động 1.9.3 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỪ THÔNG Φ Giả thiết Uư = Uđm = const , Rư = const . Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ . - Tốc độ không tải : ωox = = Var - Độ cứng đặc tính cơ : β = - = Var Đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông * Nhận xét: - Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ - Đặc điểm của phương pháp: + Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng. + Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch. + Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi. + Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1. Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với + Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ (1 ÷ 10)% Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp). II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH (MẠCH DÒNG ĐIỂU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ) 2.1 Mô tả bài toán: Cơ cấu chấp hành phổ biến được sử dụng trong hệ thống điều khiển là động cơ DC. Nó cung cấp chuyển động quay trực tiếp đến các bánh xe, tang trống hoặc dây cáp, ngoài ra nó còn cung cấp chuyển động tịnh tiến thông qua bộ truyền động (thanh răng-bánh răng). Mạch điện của phần ứng và mô hình các lực tác dụng lên Rô to được thể hiện như hình vẽ sau: Giả sử rằng từ trường là không đổi và do đó, mômen của động cơ chỉ tỷ lệ với dòng điện phần ứng i theo hệ số không đổi Kt như được chỉ ra trong phương trình dưới đây. Đây được gọi là động cơ điều khiển bằng phần ứng. T = Kt . i - e tỷ lệ thuận với vận tốc góc của trục theo hệ số không đổi Ke e = 2.2 Phương trình trạng thái mô tả động cơ DC - Áp dụng định luật Kirchoff 2 và định luật 2 Newton ta có:  = 0 (1)  (2) - Phương trình momen điện từ M(t) = Kt . i(t) (3) - Phương trình cân bằng moment cơ - Từ (1) ta có: - Từ (2) ta có: 2.3 Hàm truyền của hệ - Áp dụng phép biến đổi Laplaces từ (1) và (2) ta có: V(s) = Ls.I(s) + R.I(s) - E = I(s).( R+ Ls) - Ke2 s.(Js + b).(s) = Kt.I(s) (s) = .I(s) - Đầu vào V(s) - Đầu ra (s) - Loại bỏ I(s) từ 2 phương trình trên ta thu được hàm truyền: G(s) = Trong đó K = Kt = Ke ( vì momen xoắn của động cơ và hằng số cản ngược nhau ) - Ta có: Thông sô mô phỏng động cơ kích từ độc lập -Pdm = 470000; % Công suất định mức 470kw = 470000w -ndm = 1000; % Tốc độ định mức (vòng/phút) -Udm = 750; % Dòng điện định mức đưa vào động cơ (v) -Iu = 662; % Dòng điện phần ứng (A) -Ru = 0.03; % Điện trở mạch phần ứng (Ω) -Lu = 0.0011; % Điện cảm mạch phần ứng 0.0011(H) -b = 0.07; % Hằng số cản nhớt -J = 253; % Moment quán tính tải (kg.m^2) -E = Udm- Iu*Ru; % Suất điện động phần ứng (v) -W = (2*pi*ndm)/60; % Tốc độ góc (rad/s) -Kphi = 6.9723 = 7; % Hệ số từ thông => Hàm truyền của hệ khi thay thông số vào: G(s) = = 2.4 Xét tính ổn định của hệ (Tiêu chuẩn Routh-Hurwitz) - Phương trình đặc trưng: P(s) = 1 + G(s) = 0 1 + = 0 - Lập bảng Routh: 1 199.7 27.27 0 199.7 => Hệ ổn định ( vì cột 1 tất cả số hạng đều >0 ). - Kết quả khi chạy Matlab 2.5 Biểu diễn PTVP dưới dạng ma trận ( Không gian trạng thái ) Trong đó: q là véc tơ trạng thái đạo hàm của véc tơ trạng thái theo thời gian y là véc tơ đầu ra u là véc tơ chưa các đại lượng đầu vào A là ma trận hệ thống B là ma trận đầu vào C là ma trận đầu ra D là ma trận chuyển tiếp Ta có : Biến trạng thái - Đầu vào: ; A = ; ; ; - Đầu ra: y = ; - Kết quả khi chạy Matlab: 2.6 Xây dựng mô hình động cơ DC trong Matlab Simulink - Hệ thống này sẽ được mô hình hóa bằng việc giả thiết các mô men xoắn tác động lên quán tính của động cơ và tốc độ quay của trục động cơ được tích phân từ gia tốc góc của nó. Bằng việc sử dụng hàm truyền G(s) để xây dựng mô hình động cơ 1 chiều kích từ độc lập trong Matlab Simulink: G(s) = - Chọn thông số để thực hiện mô hình hóa động cơ DC kích từ độc lập. - Công thức tính: + Mô hình tĩnh: + Mô hình động: - Các bước xây dưng mô hình trong Simulink: + Mở Simulink → chọn Blank Model → Library Browser (mở thư viện làm việc trong Simulink). + Chèn 3 khối In1 từ (Simulink → Sinks) để cung cấp giá trị đầu vào cho động cơ DC làm việc và đặt tên các khối lần lượt là Udm (điện áp định mức để động cơ hoạt động), Kphi (hằng số kích từ của động cơ), MT (moment tải của động cơ trong quá trình làm việc). + Chèn 3 khối Out 1 từ (Simulink → Sources) để thể hiện giá trị đầu ra và đặt tên lần lượt là Iu (dòng điện phần ứng), W (tốc độ quay của động cơ DC), Mdt (momen điện từ). + Chèn 2 khối Sum từ (Simulink → Math Operations) và đổi dấu trong khối thành (+-) + Tiếp đến chèn 2 khối Transfer Fcn từ (Simulink → Continuous) để lấy bộ tích phân và đổi số thành và + Cuối cùng chèn 2 khối Product từ ((Simulink → Math Operations) dùng để nhân các khối lại với nhau. + Sử dụng 2 khối Gain để thay đổi thông số đầu ra vòng/phút thành rad/s để kết nối gốc quay của động cơ DC kích từ độc lập. => Ta được mô hình động động cơ DC từ việc biến đổi hàm truyền G(s): - Tiếp đến tô đen toàn bộ mô hình và bấm Ctrl + G để góp mô hình thành 1 khối và đặt tên là DC motor. - Nhâp thông số của đề bài và công thức tính (Code Matlab) - Kết quả thu được sau khi chạy mô phỏng: - Nhận xét: Dòng điện ban đầu chạy k tải đạt mức cao nhất 3000A và sau khoảng 1 giây chịu tải thì dòng điện ổn định về mức 662A Momen xoắn sau khoảng 1 giây chịu tải 4480 N.m thì động cơ cũng nhanh chóng ổn định về thông số momen xoắn tính toán 4616. Số vòng quay sau khi chạy không tải khoảng 110 rad/s và sau khi ổn định thì số vòng quay còn 104.74 rad/s. Momen tải của động cơ ban đầu không tải bằng 0 và sau khoảng 1 giây thì chịu tải 4480N.m. Nhưng độ vọt lố khi động cơ chưa tải còn quá lớn nên phải thiết kế thêm bộ điều khiển. 2.7 Xây dựng mạch vòng điều chỉnh dòng điện (I). Biến đổi Laplaces từ (1) ta có: (1) V = Ls.I(s) + R I(s) + E I(s) = 2.7 Xây dựng mạch vòng điều chỉnh tốc độ () Biến đổi Laplaces từ (2) ta có: (2) (s) = Trong đó: Mdt = K . I , E = K. , b = 0.07. - Tốc độ góc: đm = (rad/s) - Momen tải: - Momen điện từ: III. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 3.1 Phân tích hệ thống điều khiển động cơ DC Các phương trình động lực học trong miền Laplace và hàm truyền vòng hở của động cơ DC: V(s) = Ls.I(s) + R.I(s) - Kes.(s) (1) s.(Js + b).(s) = Kt.I(s) (2) => G(s) = = = 3.2 Đáp ứng vòng hở Trước tiên nhập các dòng lệnh dưới đây vào cửa sổ lệnh của MATLAB Pdm = 470000; % Công suất định mức 470kw = 470000w ndm = 1000; % Tốc độ định mức (vòng/phút) Udm = 750; % Dòng điện định mức đưa vào động cơ (v) Iu = 662; % Dòng điện phần ứng (A) Ru = 0.03; % Điện trở mạch phần ứng (Ω) Lu = 0.0011; % Điện cảm mạch phần ứng 0.0011(H) = 1.1(mH) b = 0.07; % Hằng số cản nhớt J = 253; % Moment quán tính tải (kg.m^2) E = Udm- Iu*Ru; % Suất điện động phần ứng (v) W = (2*pi*ndm)/60; % Tốc độ góc (rad/s) Kphi = E/W; % Hệ số từ thông MT = Pdm/W; % Moment tải(N.m) Mdt = Kphi*Iu; % Moment điện tử s = tf(''''s''''); P_motor = Kphi/((J*s+b)*(Lu*s+Ru)+Kphi^2); linearSystemAnalyzer(''''step'''', P_motor, 0:0.1:5); - Nhận xét: Từ đồ thị ta quan sát thấy rằng, khi điện đầu vào là 1 V thì tốc độ đầu ra lớn nhất là 0,143 rad/s, nhỏ hơn 9 lần so với tốc độ mong muốn ở đầu ra. Hệ thống cần 0,478 giây để đạt tới trạng thái ổn định, do vậy thỏa mãn tiêu chí thời gian xác lập là 2 giây. - Biểu đồ đáp ứng xung của dòng điện: 3.3 Các đặc trưng của mô hình tuyến tính bất biến theo thời gian (LTI model) - Xác định tọa độ điểm Pole và Zero: - Dựa vào biểu đồ phân bố Pole ta nhận thấy rằng hàm truyền vòng hở có 2 Pole s = -10.28 và s = - 16.9. - Bểu đồ bode biên và bode pha của hàm truyền  Tính toán sơ bộ - Hằng số K = 25,053 + Biên độ là đường thẳng 20·log10(|K|) = 20·log10(|25,053|) = 27,98 dB + Pha là đường thẳng 0o (vì K > 0) - Pole thực tại s = - 16,99 + Biên độ: Ở miền tần số thấp tiệm cận tại 0 dB cho đến tần số gãy 1 = 16,99 rad/s Ở miền tần số cao là đường thẳng có độ dốc – 20 dB/dec bắt đầu từ tần số gãy 1 = 16,99 rad/s + Pha: Ở miền tần số thấp tiệm cận tại 0o cho đến 0,11 = 1,69 rad/s. Ở miền tần số cao tiệm cận – 90o bắt đầu từ từ 101 = 169,9 rad/s. Nối đoạn thẳng từ 0,11 = 1,69 rad/s đến 101 = 169,9 rad/s. - Pole thực tại s = - 10,28 + Biên độ: Ở miền tần số thấp tiệm cận tại 0 dB cho đến tần số gãy 2= 10,28 rad/s Ở miền tần số cao là đường thẳng có độ dốc – 20 dB/dec bắt đầu từ tần số gãy 2 = 10,28 rad/s + Pha: Ở miền tần số thấp tiệm cận tại 0o cho đến 0,12= 1,028 rad/s. Ở miền tần số cao tiệm cận – 90o bắt đầu từ từ 101 = 102,8 rad/s. Nối đoạn thẳng từ 0,12= 1,028 rad/s đến 102= 102,8 rad/s  Code Matlab Hàm truyền >> num = [25.053]; den = [1 27.27 174.6572]; Gs = tf(num,den) %Ham truyen HT bode(Gs) * Vẽ biểu đồ Bode Biên và Bode Pha trên phần mềm Matlab: 3.4 Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu đầu vào Các yêu cầu đặt ra cho hệ thống khảo sát là đáp ứng Step của hệ thống, tuy nhiên trong thực tế hệ thống sẽ chịu các tác động các kiểu đầu vào khác nhau. Mặc dù vậy, đáp ứng bước của hệ thống có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách hệ thống sẽ phản hồi đối với các dạng đầu vào khác nhau. Để xác định đáp ứng cụ thể của hệ thống đối với các dạng đầu vào khác nhau, ta có thể sử dụng Similink. - Biểu đồ dao động đáp ứng Step của hệ thống: - Nhận xét: + Ta thấy biểu đồ sau khi thay đổi tín hiệu đầu vào có dạng hình sin + Điểm xuất phát từ vị trí 0 và dao động điều hòa trong biên độ 0.15 A đến - 0.15 A với thời gian thiết lập là 5 giây. 3.5 Thiết kế bộ điều khiển điều khiển động cơ DC - Các thông số khi thử sai số trong bộ điều khiển Thông số Bộ ĐK KP KI KD PI 0 0.027 0 PD 2708.9 0 7.79 - Bộ điều khiển PD: Nhận xét: ­Sau khi dùng bộ điều khiển PD cho động cơ ta thấy đột vọt lỗ giảm đáng kể thông số dòng điện khi chưa tải khoảng 370A để cấp điện cho động cơ hoạt động sau khi có tải (0.5 giây) thì dòng điện tăng lên 662A để cấp điện cho động cơ kéo tải 4480N.m ­Khi động cơ hoạt động thì động cơ phải chịu momen xoắn 2200 để động cơ hoạt động sau 0.5 giây thì dodognj cơ bắt đầu chịu tải, momen xoắn tăng vọt lên 4600 để động cơ kéo tải - Biểu đồ Root Locus code >> s=tf(''''s''''); sys=25.053/(s^2 + 27.27*s + 174.66); kp=2661.35985071286; kd=7.81024673787712; cont=kp+kd*s; cl_sys=feedback(cont*sys, 1); rlocus(cl_sys); - Biểu đồ step >> s=tf(''''s''''); sys=25.053/(s^2 + 27.27*s + 174.66); kp=2661.35985071286; kd=7.81024673787712; cont=kp+kd*s; cl_sys=feedback(cont*sys, 1); step(cl_sys); - Biểu đồ Bode >> s=tf(''''s''''); sys=25.053/(s^2 + 27.27*s + 174.66); kp=2661.35985071286; kd=7.81024673787712; cont=kp+kd*s; cl_sys=feedback(cont*sys, 1); bode(cl_sys); - Bộ điều khiển PI Nhận xét: ­Sau khi dùng bộ điều khiển PI cho động cơ khi chưa tải dòng điện và momen xoắn của động cơ bắt đầu hoạt động đi từ 0 sau 1 giây động cơ chịu tải,thì dòng điện và momen xoắn tăng lên để có thể kéo tải 4480 N.m - Biểu đồ Root Locus code >> s=tf(''''s''''); sys=25.053/(s^2 + 27.27*s + 174.66); kp = 0; ki = 0.0274494373915803; cont = kp + ki/s; cl_sys=feedback(cont*sys, 1); rlocus(cl_sys); - Biểu đồ Step >> s=tf(''''s''''); sys=25.053/(s^2 + 27.27*s + 174.66); kp = 2.0889; ki = 5.451; cont = kp + ki/s; cl_sys=feedback(cont*sys, 1); step(cl_sys); - Biểu đồ bode >> s=tf(''''s''''); sys=25.053/(s^2 + 27.27*s + 174.66); kp = 2.0889; ki = 5.451; cont = kp + ki/s; cl_sys=feedback(cont*sys, 1); bode(cl_sys); grid on; - Kết luận. Khi thực hiện nghiên cứu đề tài thiết kế bộ điều khiển PD, PI để điều khiển động cơ điện 1 chiều ta có thể thấy: - Khi chưa có bộ điều kiển thì độ vọt lố của động cơ rất lớn, thời gian ổn định đạt mưc tiêu chuẩn khi động cơ hoạt động. - Sau khi thiết kế bộ điều khiển PI, PD để điều khiển tốc độ động cơ cho hệ thống: + Chất lượng của hệ thống luôn luôn được đảm bảo điều này chứng tỏ khi thiết kế 1 một điều khiển là hoàn toàn đúng đắn. + Với bộ điều khiển đã xây dựng ở trên, các thông số về chất lượng điều chỉnh như độ vọt lố, thời gian quá độ, thời gian tăng, sai số xác lập của hệ thống đều tốt, nhất là thời gian tăng và thời gian quá độ rất nhỏ. Như vậy với bộ điều khiển đã thiết kế ở trên hoàn đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng của hệ thống và có khả năng ứng dụng vào thực tế điều khiển. - Khi tìm hiểu, thiết kế các bộ điều khiển PI, PD và khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số của các bộ điều kiển cho tốc độ của động cơ điện 1 chiều. Ta có thể hiểu được sự ảnh hưởng của thông số của các bộ điều khiển PI, PD ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng của hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lý thuyết điều khiển tự động (tái bản lần thứ nhất), NXB Đại học quốc gia TP.HCM - Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng. 2. Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật (2008) - Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị. 3. Bài giảng Mô phỏng thiết kế hệ thống điều khiển.

PHÂN HIỆU TẠI TP.HCM  KHOA CƠ KHÍ 

BỘ MÔN CƠ KHÍ

BÁO CÁO

THIẾT KẾ MÔN HỌC

MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN MỘT CHIỀU

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Hào Sinh viên thực hiện: Mai Hoàng Trung Mã số sinh viên: 615104C056

Lớp: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử K61

TP.HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2023

Hiện nay, động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm, và các cánh tay robot, để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây truyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ.

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp Mục tiêu điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây truyền sản xuất.

Cho nên em đã chọn đề tài: “Thiết kế mô hìnhmô phỏng bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập” Để khảo sát các đường đặc tính động cơ, cũng như khả năng kéo tải và tốc độ làm việc của động cơ khi có tải và chưa có tải

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Nguyễn Hữu Hào trong quá trình làm đề tài môn học này Mặc dù đã cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai xót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô.

TP.HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2023

MỤC LỤC

I KHÁI NIỆM CHUNG 1

1.1 KHÁI NIỆM .1

1.2 CẤU TẠO 2

1.3 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 4

1.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5

1.5 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6

1.6 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 7

1.7 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 8

1.8 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 10

1.9 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 10

1.9.1 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ PHỤ 10

1.9.2 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG 12

1.9.3 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỪ THÔNG Φ 13

II XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH (MẠCH DÒNG ĐIỂU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ) 14

2.1 Mô tả bài toán: 14

2.2 Phương trình trạng thái mô tả động cơ DC 15

2.4 Xét tính ổn định của hệ (Tiêu chuẩn Routh-Hurwitz) 16

2.5 Biểu diễn PTVP dưới dạng ma trận ( Không gian trạng thái ) 17

2.6 Xây dựng mô hình động cơ DC trong Matlab Simulink 19

2.7 Xây dựng mạch vòng điều chỉnh tốc độ (θ) 24

III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 25

3.1 Phân tích hệ thống điều khiển động cơ DC 25

3.2 Đáp ứng vòng hở 25

3.3 Các đặc trưng của mô hình tuyến tính bất biến theo thời gian (LTI model) 26

3.4 Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu đầu vào 29

3.5 Thiết kế bộ điều khiển điều khiển động cơ DC 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

I KHÁI NIỆM CHUNG.

1.1 KHÁI NIỆM.

- Động cơ điện 1 chiều là gì?

- Động cơ điện 1 chiều DC (được viết tắt của cụm từ “Direct Current Motors”) là một loại động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định Hay nói cách khác thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC điện áp 1 chiều, biến điện năng thành cơ năng và cũng cấp năng lượng cho động cơ làm việc Để tạo ra từ trường người ta dùng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện được cung cấp dòng điện một chiều.

Động cơ điện một chiều DC.

1.2 CẤU TẠO

- Động cơ điện 1 chiều có cấu trúc gồm 3 bộ phận chính: Phần cảm (Stator), Phần ứng (Rotor), Cổ góp và chổi than.

+ Phần cảm: là phần đứng im (stator) có nhiệm vụ tạo ra từ trường kích thích một chiều Phần cảm được hình thành từ các lá thép ghép, cực từ dạng cực từ lồi với dây quấn dạng tập trung Kết cấu của mạch từ với đường sức từ trường phần cảm phân bố trong lỏi thép stator.

+ Phần ứng: là phần quay (rotor) của động cơ điện một chiều Tùy thuộc vào chế độ làm việc của động cơ, phần ứng thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Phần ứng được

hình thành do sự lắp ghép các lá thép kỹ thuật điện tạo thành khối trụ, trên mỗi lá thép có dập răng rãnh để bố trí dây quấn (lá thép hình trụ bề dày 0.5mm).

Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các rảnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của phiến góp Hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên.

Phần ứng (rotor) động cơ điện một chiều

=> Khi máy điện một chiều họat động theo chế độ động cơ, cấp dòng một chiều qua dây quấn phần ứng, các thanh dẫn mang dòng điện này đặt trong từ trường phần cảm sẽ chịu tác động của các lực điện từ, sinh ra ngẩu lực làm quay phần ứng => một chiều có 2p = 6 cực

+ Cổ góp và hệ thống chổi than: Để cung cấp được dòng một chiều vào dây quấn phần ứng lúc rotor quay, ta cần đến hệ thống chổi than và cổ góp Cổ góp được ghép từ các phiến góp làm bằng đồng xếp tròn liên tiếp nhau thành một khối hình trụ, các phiến góp được phân cách nhau bằng lớp mica cách điện.

1.3 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

- Tùy thuộc vào sơ đồ nối dây giữa phần ứng với phần cảm, chúng ta phân loại động cơ như sau:

 Động cơ một chiều kích từ độc lập.

- Là động cơ điện một chiều có cuộn dây kích từ thuộc nguồn cấp riêng, độc lập với phần ứng và hệ thống Khi đó, bạn có thể chủ động ở phần kích từ để máy hoạt động theo quy trình mong muốn.

 Động cơ một chiều kích từ song song.

- Động cơ điện một chiều kích từ song song có nghĩa là cuộn dây kích từ và phần ứng được đấu song song để nhận được điện áp định mức khi máy vận hành.

- Khi được lắp song song, momen của động cơ điện sẽ được gia tăng tỷ lệ thuận với điện áp, và tốc độ coi như không thay đổi theo dòng điện.

 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp.

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.

 Động cơ một chiều kích từ hổn hợp.

- Động cơ một chiều kích từ hổn 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 là chủ yếu.

1.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

- Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđttác dụng làm cho roto quay.

- Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chổ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.

- Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện độngEư Ở động cơ điện một chiều sức điện độngEưcòn được gọi là sức phản diện.

- Phương trình điện áp là: U = Etr + Rư..Iư

1.5 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

- Loại động cơ này được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc sống như: trong tivi, máy công nghiệp, máy in - photo, đài FM, ổ đĩa DC, trong công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn…….

- Đối với động cơ DC nhỏ thường được sử dụng trong các công cụ, đồ chơi và các thiết bị gia dụng khác nhau.

- Trong công nghiệp, động cơ DC được ứng dụng như băng tải và bàn xoay,… việc sử dụng động cơ DC công suất lớn trong các ứng dụng như phanh và đảo chiều

- Động cơ một chiều còn được ứng dụng nhiều trong ngành chế tạo Robot,…

1.6 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU.

- Mặc dù được sử dụng rất phổ biến hàng ngày, thế nhưng các em đã biết về ưu điểm và nhược điểm của động cơ điện một chiều hay chưa?

- Về ưu điểm:

 Có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động (vì thế cho nên chúng thường được sử dụng trong các đầu máy kéo).

 Có khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt hơn so với những thiết bị khác.

 Tiết kiệm được điện năng.

 Bền bỉ, có tuổi thọ lớn.

 Động cơ điện một chiều có chổi than có hiệu suất tốt.

 Mật độ mô-men xoắn tương đối cao đối với các động cơ này.

 Động cơ một chiều chạy êm và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng.

 Có khả năng quá tải tốt và nhiễu điện từ nhỏ.

Về nhược điểm:

 Nhược điểm của động cơ điện một chiều là cấu trúc Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, giá thành cao nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên.

 Có tiếp điểm trượt giữa cổ góp và chổi than gây ra tia lửa điện, nó có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là khi ở trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ và mài mòn cơ học.

 Có giá thành đắt nhưng công suất lại không cao.

1.7 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

- Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.

- Để đảm bảo điều kiện trên thì ta mắc động cơ theo các cách mắc sau:

+ Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng

+ Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ đượcgọi là động cơ

 rư : Điện trở cuộn dây phần ứng  rcf :Điện trở cuộn dây cực từ phụ  rb : Điện trở tiếp xúc cuộn bù  rct : Điện trở tiếp xúc chổi điện

- Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: Eư= pN

Trong đó:

 P: Số đôi cực từ chính

 N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

 a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

- Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:

- Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta ký hiệu là M.

=> Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M ω = 𝑼ư

𝑲𝜱 - 𝑹 + 𝑹𝒇

𝑲𝜱 𝟐 𝑴 (1.5)

- Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

a) Đặc tính cơ - điện b) Đặc tính cơ

1.8 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

- Chế độ xác lập của động cơ một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uknào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ikvà do đó 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 sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thong kích từ tạo thành mô men điện từ, giá trị mô men điện từ được tính như sau:

M = 𝒑.𝑵

𝟐𝝅.𝜶 φI = k.φI (1.6) Trong đó: α- số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

p- số đôi cực của động cơ

N- số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

K = 𝑝.𝑁

2𝜋.𝛼 : hệ số kết cấu của máy

Mô men kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng suất điện động:

E = 𝒑.𝑵

𝟐𝝅.𝜶φω = k.φω (1.7) Trong đó: ω- là tốc độ góc của roto

Trong chế độ , có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

ω = 𝑼−𝑹𝒖.𝑰

Trong đó : Ru - điện trở mạch phần ứng của động cơ.

1.9 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

- Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ, từ thông động cơ, điện áp phần ứngUư,điện trở phần ứng động cơ

1.9.1 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ PHỤ.

- Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

- Giả thiết Uư = Uđm = const , Ф = Фđm = const Muốn thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta nối trở phụ Rt và mạch phần ứng Trong trường hợp này tốc độ không

Hình 1.8: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.

+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).

+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.

+ Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càng nhỏ thì

dải điều chỉnh D =ωmax/ ωmincàng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 +) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.

1.9.2 PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG

 - Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm

Lbkhác không Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa

 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 tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.

Hình 1.10: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng

 Giả thiết Uư = Uđm = const , điện trở phần ứng Rư = const > Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm :

Các đặc tính của động cơ khi giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ

=> Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động

1.9.3PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỪ THÔNG Φ

Giả thiết Uư = Uđm = const , Rư= const Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ

- Tốc độ không tải : ωox= Uđm

* Nhận xét:

- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.

+ Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.

+ Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi.

+ Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1 Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với 𝜑 ≈ 1

+ Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ (1 ÷ 10)% Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).

II XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH (MẠCH DÒNG ĐIỂU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ)

2.1 Mô tả bài toán:

Cơ cấu chấp hành phổ biến được sử dụng trong hệ thống điều khiển là động cơ DC Nó cung cấp chuyển động quay trực tiếp đến các bánh xe, tang trống hoặc dây cáp, ngoài ra nó còn cung cấp chuyển động tịnh tiến thông qua bộ truyền động

(thanh răng-bánh răng) Mạch điện của phần ứng và mô hình các lực tác dụng lên Rô to được thể hiện như hình vẽ sau:

Giả sử rằng từ trường là không đổi và do đó, mômen của động cơ chỉ tỷ lệ với dòng điện phần ứng i theo hệ số không đổi Ktnhư được chỉ ra trong phương trình dưới đây Đây được gọi là động cơ điều khiển bằng phần ứng.

T = Kt i

- e tỷ lệ thuận với vận tốc góc của trục theo hệ số không đổi Ke

e = 𝐊𝐞𝛉̇

2.2 Phương trình trạng thái mô tả động cơ DC

- Áp dụng định luật Kirchoff 2 và định luật 2 Newton ta có:

- J = 253; % Moment quán tính tải (kg.m^2) - E = Udm- Iu*Ru; % Suất điện động phần ứng (v)