Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Chia sẻ: Ly Ba Bien | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

508
lượt xem 197
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cấu tạo:Động cơ một chiều gồm có 2 phần :stato đứng yên và roto quay so với stator,phần cảm tạo ra từ trường(thường đặt trên stator),xuyên qua các quận dây phần ứng(thường đặt trên roto),khi có dòng điện chạy qua mạch phần ứng...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều 1.Mô hình động cơ một chiều -Cấu tạo:Động cơ một chiều gồm có 2 phần :stato đứng yên và roto quay so v ới stator,phần cảm tạo ra từ trường(thường đặt trên stator),xuyên qua các qu ận dây ph ần ứng(thường đặt trên roto),khi có dòng điện chạy qua mạch ph ần ứng,các thanh d ẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương pháp tuy ến v ới m ặt tr ụ roto và lam roto quay,dòng điện phần ứng được đưa vào roto thông qua h ệ th ống ch ổi than và cổ góp,cổ góp sẽ giúp dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng đ ược đ ổi chi ều khi thanh dẫn đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua(do đó l ực đi ện t ừ sinh ra luân tạo ra moomen theo một chiều) -Để có được dòng điện một chiều ta có thể sử dụng các mạch chỉnh lưu t ừ một chiều sang xoay chiều -Thông thường tốc độ của động cơ một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó và ngẫu lực quay tỉ lệ với dòng điện ,do đó để điều khiển t ốc độ động cơ có th ể s ử d ụng nhi ều cách như điều khiển bộ nguồn thay đổi,điều khiển dùng biến trở,dùng m ạch đi ện tử….trong bài báo cáo này chúng em tìm hiểu đi ều khi ển t ốc đ ộ đ ộng c ơ b ằng cách s ử dụng biến trở. -mô hình động cơ và sơ đồ mạch như hình vẽ: -Trong đó
-V là điện áp nguồn cấp -R,L là điện cảm và điện dung -J là moomen quán tính của roto(kg. ) -b là hệ số cản (hệ số giảm sóc)(Nms) -Kt là hằng số phần ứng -Ke là hằng số động cơ(nếu lực điện động không đổi thì Kt=Ke=K) -T là moomen xoắn của động cơ ,với T=Kt*I -là mô men cản của động cơ với =b* -Từ phương trình của động cơ T-J Hay J + b =ki (1) -Áp dụng định luật kirhoff ta co được L +Ri=V – K (2) 1.1 Hàm truyền của hệ -Từ các phương trình (1) và(2) ta se đi tìm hàm truyền của hệ ,bi ểu th ị m ối quan h ệ giữa đầu vào là tín hiệu là điên áp và đầu ra là góc quay c ủa roto -Laplace cả hai vế các phương trình (1),(2) ta được hệ s( Js + b )Θ(s) = KI(s) (Ls + R )I(s) = V-KsΘ(s) -Từ hệ phương trình laplace này ta có thể rút ra được hàm truy ền G(s)= (3) 1.2 Phương trình mô tả không gian trạng thái của động cơ một chiều -Mô hình trạng thái có dạng -Từ phương trình (1) ta có được () = -+ I (4) -Và từ phương trình (2) ta co được: (i) = - - + (5)
-Và từ phương trình (4),(5) đưa về dạng ma trận ta có được 1.3 Mục đích của việc thiết kế -Mục đích chính là thiết kế các hệ thống điều khiển cho t ốc độ quay của đ ộng c ơ sao cho thời gian để động cơ hoat động ổn định từ lúc bắt đ ầu m ở máy cũng nh ư là đ ộ quá điều chỉnh tốc độ của động cơ so với tốc độ yêu cầu và sai l ệch tĩnh c ủa nó ph ải n ằm trong giới hạn cho phép -Thương thì thời gian để ổn định tốc độ động cơ nhỏ hơn 2 giay,sai lệch tĩnh nh ỏ h ơn 1% và độ quá điều chỉnh nhỏ hơn 5% 2.Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều 2.1 Sử dụng bộ điều khiển PID 2.1.1 Nội dung phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID -Bộ điều khiển PID được thiết kế gồm có 3 khâu cơ bản là khâu khuyếch đ ại,khâu tích phân và khâu vi phân. -Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng : --Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID chính là đưa sai lệch tĩnh e(t) của hệ th ống v ề 0 trong quá trình quá độ nhằm thỏa mãn các yêu cầu c ơ bản v ề chất l ượng,t ức là ph ải đi lựa chọn các thông số Kp, Ki, KD sao cho hệ đạt được chất lượng động học mong muốn.để có thể xác định được các thông số nay người ta sử dụng các bi ện pháp nh ư tối ưu độ lớn,hay tối ưu đối xứng… 2.1.2 Sử dụng bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ
-Mục đích: -Thiết kế bộ điều khiển sao cho trong qua trình điều chỉnh t ốc đ ộ của đ ộng cơ(trong quá trình quá độ ) thì hệ kín phải đạt được chất l ượng đ ộng h ọc mong muốn,ở đây chính là thời gian quá độ(tức là thời gian kể từ khi có s ự thay đ ổi cho đ ến khi tốc độ của động cơ ổn định),độ quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh phải th ỏa mãn đ ược những yêu cầu đặt ra,như trong phần mô hình động cơ -Hay nói cách khác,khi điều khiển t ốc đ ộ đ ộng c ơ,t ức là tín hi ệu đ ầu vào cu ả hệ kín thay đổi thì tín hiệu đầu ra của hệ kín trong trường h ợp này là v ận t ốc góc c ủa roto ( thay đổi bám sát theo sự thay đổi của R -Vấn đề đặt ra đối với phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID chính là việc ch ọn các thông số của bộ điều khiển,sau đó dựa vào đồ thị của hàm quá đ ộ h(t) cu ả h ệ kín mà ta có thể đánh giá được chất lượng của bộ điều khi ển đã đạt yêu cầu hay ch ưa: -VD. Trong trường hợp này điều khiển tốc độ của động cơ với các thông số -J=0.01 kg ,b=0.1 Nms, K=Kt=Ke=0.01,R=1Ω,L=0.5 -Và yêu cầu về chất lượng động học là : +Thời gian quá độ nhỏ hơn 5s +Độ quá điều chỉnh Δh J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; num=K;
den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; >> den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)] den = 0.0050 0.0600 0.1001 >> Kp=100; numa=Kp*num; dena=den; >> [numac,denac]=cloop(numa,dena); >> t=0:0.01:5; step(numac,denac,t) title('Step response with Proportion Control') -Từ đồ thị của hàm quá độ của hàm truyền hệ kín ta thấy được thời gian quá đ ộ là 0.567(sec) và độ quá điều chỉnh là 24,9% trong trương hợp này b ộ đi ều khi ển t ỉ lê không đạt được yêu cầu chất lượng mong muốn,công vi ệc là đi ch ọn các thông s ố c ủa bộ điều khiển lại,ta có thể sử dụng phương pháp t ối ưu đ ộ l ớn và tôi ưu đ ối x ứng đ ể chọn các thông số cho bộ điêu khiển PID được chất lượng t ốt hơn -VD ta chọn các thông số như sau: chọn Kp=100,Ki=150,Kd=20
>> Bộ điều khiển t ỉ lệ kp=100
Bộ điều khiển PID với thông số kp=100,ki=150,k D= 20; -Ở trương hợp sau khi điều khiển bằng bộ điều khiển PID thì ta thấy th ời gian quá đ ộ chỉ còn 0.649(sec) và độ quá điều chỉnh không có và sai l ệch tĩnh b ằng 0. 2.2 Sử dụng phương pháp quỹ đạo nghiệm số để điều khiển động cơ một chiều 2.2.1 Nội dung phương pháp quỹ đạo nghiệm số - -Trong phương pháp này bộ điều khiển là R(s)= là một khâu khuy ếh đ ại,và K là tham số chưa biết,hàm truyền hở của hệ có dạng Gh(s)=KS(s) -Hàm truyền kín của hệ là G(s)= -Các điểm cực của hệ kín là nghiệm của hàm sai lệch phản hồi F(s)= 1 +Gh(s) = 1+ KS(s)
-Từ đó ta thấy các điểm cực này của hệ phụ thuộc vào giá trị của K hay chất l ượng của hệ phụ thuộc vào giá trị K chọn tương ứng -Nội dung chính của phương pháp quỹ đạo nghi ệm số là phân tích ch ất l ượng c ủa h ệ thông qua đường biểu diễn của hàm sai lệch phản hồi theo giá tr ị k c ủa hàm truy ền của hệ hở 2.2.1 Sử dụng phương pháp quỹ đạo nghiệm số để điều khiển tốc độ động cơ một chiều -Mục đích của điều khiển tốc độ động cơ một chiều như đã nói ở trên,đó là vi ệc tìm ra bộ điều khiển thích hợp để hệ đạt được những chất lượng động học mong muốn,về thời gian quá độ,độ quá điều chỉnh,và sai lệch tĩnh. -Phương pháp quỹ đạo nghiệm số thực hiện việc xây dựng quỹ đạo nghi ệm số của hàm truyền hệ hở ,với quỹ đạo nghiệm số này ta có một cái nhìn tr ực quan v ề ch ất lượng của hệ kín vào tham số K,từ quỹ đạo nghiệm số,ta có thể chọn ra nh ững giá tr ị K khác nhau tương ứng với hàm truyền hệ kín khác nhau,do đó ta có th ể đánh giá được chất lượng của từng hệ ứng với từng giá trị K ,t ừ đó tìm ra đ ược hệ s ố khuy ếch đại của bộ điều khiển thích hợp -Vd:sử dụng chương trình chạy trong matlab >> J=0.01; >> b=0.1; >> K=0.01; >> R=1; >> L=0.5; >> num=K; >> den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; >> rlocus(num,den) >> sgrid(.8,0) >> sigrid(2.3)
>> [k,poles] = rlocfind(num,den) Select a point in the graphics window selected_point = -6.0182 + 1.1209i k= 8.6181 poles = -6.0000 + 1.1208i -6.0000 - 1.1208i >> [numc,denc]=cloop(k*num,den,-1); >> t=0:0.01:3; >> step(numc,denc,t)
>> -Từ đồ thị hàm quá độ của hệ kín với độ khuyếch đại K=8,61 thì hệ đã đạt được các chất lượng về độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ như mong muốn,khi ta tăng h ệ s ố khuyếch đại lên thì độ quá điều chỉnh sẽ tăng và sai lệch tĩnh s ẽ gi ảm đi,trong tr ường hợp này để giảm độ sai lệch tĩnh thì thường sử dụng thêm một b ộ đi ều khi ển.ví d ụ khi sử dụng bộ điều khiển R1(s)= -Chạy chương trình trong matlab: >> J=0.01; >>b=0.1; >>K=0.01; >>R=1;
>>L=0.5; >>num=K; >>den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; >>z1=1; >>p1=0.01; >>numa = [1 z1]; >>dena = [1 p1]; >>numb=conv(num,numa); >>denb=conv(den,dena); >>rlocus(numb,denb) >>sgrid(.8,0) >>sigrid(2.3) >> [k,poles]=rlocfind(numb,denb) Select a point in the graphics window selected_point = 5.6836 + 0.1965i k= 9.6392
poles = -5.7062 + 0.1953i -5.7062 - 0.1953i -0.5975 >> [numc,denc]=cloop(k*numb,denb,-1); >> t=0:0.01:3; >> step(numc,denc,t) 2.3 Sử dụng phương pháp không gian trạng thái để điều khiển tốc độ động cơ -Như trong phần mô hình động cơ ta đã rút ra đ ược mô hình trạng thái c ủa h ệ th ống điều khiển tốc độ động cơ một chiều Hay
-vấn đề đặt ra vẫn là đi thiết kế bộ điều khiển sao cho quá trình đi ều khi ển t ốc đ ộ động cơ đạt được những yêu cầu về chất lượng động học như đã nói ở trên -Khi mà cả hai trạng thái của bài toán là vận t ốc góc và dòng đi ện có th ể đo đ ạc đ ược một cách dễ dàng,thì khi đó có thể sử dụng phương pháp thi ết k ế b ộ đi ều khi ển ph ản hồi trạng thái,với -Trong đó bộ điều khiển cần tìm -Chất lượng của hệ phụ thuộc vào vị trí của các điểm cực(cũng là các giá trị riêng của A)trong mặt phẳng phức.Bây giờ ta có thể can thiệp vào hệ th ống bằng b ộ đi ều khi ển K để có được các điểm cực là các giá trị cho trước đúng với ch ất l ượng nh ư mong muốn,hay nói cách khác ta có thể di chuyển cặp cực của động cơ đ ến nh ững n ơi ta muốn,và ứng với mỗi vị trí ta se xác định ra được một bộ điều khi ển K -Với việc sử dụng matlab ta chỉ cần chỉ ra vị trí của các điểm cực thì ta sẽ tìm đ ược b ộ điều khiển K,và từ đó ta có thể xác định được hàm truyền của h ệ th ống và xác đ ịnh được chất lượng động học của hệ VD: ta muốn vị trí của các điểm cực là p1=-3+j và p2=-3-j Khi do ta tìm bộ điều khiển phản hồi trạng thái K
-sử dụng chương trình chạy trong matlab >> J=.01; >> b=0.1; >> k=0.01; >> R=1; >> L=0.5; >> A=[-b/J k/J -k/L -R/L]; >> B=[0 >> C=[1 0]; >> D=0; >> p1=-3+i; >> p2=-3-i; >> K=place(A,B,[p1,p2]); >> t=0:0.01:3; >> step(A-B*K,B,C,D,1,t)
>> -Sai lệc tĩnh của hệ vẫn còn và khá lớn ngay cả khi h ệ còn ổn đ ịnh,đ ể gi ảm sai l ệch tĩnh và loại bỏ đi sai lệch tĩnh thì ta có thể sử dụng một b ộ tiền s ử lý-T0-
-Trong trường hợp này là một bộ tiền sử lý,bộ tiền sử lý này có thể được xác định bằng lệnh rscale trong matlab,tiếp tục với vidu trên nhưng ta sẽ cho thêm b ộ ti ền s ử lý >> Nbar=rscale(A,B,C,D,K) Nbar = 5.0000 >> t=0:0.01:10; step(A-B*K,B*Nbar,C,D,1,t) -Khi đó ta được đồ thị của hàm quá độ của hệ kín như hình vẽ phía d ưới.
> 2.4 Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp tần biên pha -Trong phương pháp này,ta sẽ đi thiết kế bộ điều khi ển khuy ếch đại K đ ể đi ều khi ển tốc độ động cơ bằng cách dựa vào đặc tính tần biên pha của h ệ -Ý tưởng chính của phương pháp thiết kế là sử dụng đồ thị bode c ủa hàm truy ền h ở để đánh giá hệ kín,Khi đưa thêm vào bộ điều khiển thì đồ thị bode c ủa hàm truy ền m ở sẽ thay đổi,do đó thay đổi hàm truyền của hệ kín. -Sử dụng chương trình matlab ta vẽ đồ thị bode của hàm truyền h ệ h ở,với các thông số của động cơ như những phần trên. >> J=0.01; >>b=0.1; >>K=0.01;
>>R=1; >>L=0.5; >>num=K; >>den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; >>bode(num,den) -Từ đồ thị bode ta ta thấy,biên pha của hàm truyền h ở có thể l ớn h ơn 60 n ếu nh ư w nhỏ hơn 10 rad/sec,bay giờ ta sẽ thêm một bộ khuyếch đại với d ải thông là 10 rad/sec .