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 - Pdf 35

\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

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

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

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

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.

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

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=
≈

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

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

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:

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.

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 +

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 =

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) =

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

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.

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

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

Nhờ tải bản gốc

Tài liệu, ebook tham khảo khác

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 - Pdf 35

Tài liệu, ebook tham khảo khác

Học thêm