Tài liệu Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của công nghệ thông tin th́ các ứng dụng của máy tính vào cuộc sống ngày càng rộng răi. Với các tính năng mềm dẻo, chính xác, nhanh chóng hệ thống điều khiển số bằng máy tính đă và đang dần chiếm ưu thế so với các phương pháp điều khiển phần cứng thông thường. Đây là một ngành mới mẻ song lại rất có triển vọng đặc biệt trong các lĩnh vực nh­ máy chính xác, công nghệ mới, hiện đại nơi đ̣i hỏi hệ thống điều khiển phải có độ chính xác cao, khả năng thay đổi mềm dẻo. Một trong những ứng dụng cụ thể mà đă được sử dụng trong thực tế là hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong bài tập dài này, chúng em sẽ tŕnh bày phương pháp phân tích, tổng hợp hệ thống cùng với phần cứng và phần mềm cho hệ thống điều khiển động cơ một chiều.
Chóng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phạm Công Ngô, người đă trực tiếp giảng dạy môn Điều khiển số và tận t́nh hướng dẫn chúng em hoàn thành bài tập này. Cảm ơn thầy đă cung cấp cho chóng em những kiến thức cần thiết, đầy đủ và có hệ thống của môn học Điều khiển số và Robot công nghiệp. Những kiến thức mà thầy đă cung cấp cùng với sự hướng dẫn chi tiết của thầy là cơ sở giúp chúng em hoàn thành bài tập dài này. Chúng em xin kính chúc thầy luôn mạnh khoẻ và gặp nhiều niềm vui trong cuộc sống.
Chóng em xin chân thành cảm ơn thầy!
Các sinh viên thực hiện đồ án:
Môn: Điều Khiển Số.
Đề bài:
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.





Chương I
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

1. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số:
Ngày nay các hệ thống điều khiển số (Digital Control Systems) được sử dụng rất rộng dăi trong nhiều lĩnh vực của đời sống nhất là các quá tŕnh tự động hoá trong công nghiệp. Hệ điều khiển số thực chất là sử dụng máy tính (computer) kết hợp với mạch ngoại vi để thực hiện các nhiệm vụ điều khiển nào đó. Chúng đóng một vai tṛ rất quan trọng trong việc điều khiển các quá tŕnh công nghệ, nơi đ̣i hỏi phải có độ chính xác rất cao.
Việc sử dụng máy tính làm một thiết bị điều khiển (controller) đă sớm ra đời trong những năm của thập kỷ 80 và ngày càng phát triển bởi sự hiệu quả và độ tin cậy cao của nó. Nhiệm vụ của máy tính trong hệ thống là nhận sự sai khác giữa tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi ở dạng số và thực hiện việc tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành. Quá tŕnh xử lư bên trong máy tính có thể lập tŕnh được để đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp nhằm làm chất lượng của hệ thống đạt được như mong muốn. Các máy tính c̣n có thể xử lư với nhiều đầu vào, do đó một hệ thống điều khiển số thường là một hệ thống đa biến.
Quá tŕnh xử lư và điều khiển trong hệ thống hoàn toàn sử dụng tín hiệu số (Digital), v́ vậy để giao tiếp với ngoại vi bằng tín hiệu tương tự (Analog) cần phải có các mạch chuyển đổi từ số sang tương tự và ngược lại. Để thực hiện điều đó ta dùng hai bộ biến đổi ADC (Analog to Digital Converter) và DAC (Digital to Analog Converter). Bé ADC có nhiệm vụ biến tín hiệu tương tự từ thiết bị ngoại vi, cơ cấu chấp hành thành tín hiệu số cung cấp giá trị phản hồi đầu vào cho quá tŕnh tính toán để đưa ra thuật toán điều khiển. Bộ DAC có nhiệm vụ ngược lại là biến tín hiệu điều khiển dạng số sang tín hiệu tương tự cung cấp cho cơ cấu chấp hành bên ngoài.

[TABLE]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]

V́ vậy sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển số có dạng:
Trong đó việc xử lư để đưa ra tín hiệu điều khiển hoàn toàn bằng những bộ điều khiển mềm mà ta có thể lập tŕnh được. Đó có thể là bộ điều khiển PID bù nối tiếp hoặc song song hay tổng hợp theo bộ hồi tiếp trạng thái Các bộ điều khiển đó ta có thể lập tŕnh được thông qua ngôn ngữ lập tŕnh như C[SUP]++[/SUP] hay Pascal. Ngoài ra ta c̣n có thể thiết kế thông số bộ điều khiển cũng nh­kiểm tra sự hoạt động và chất lượng của hệ thống thông qua phần mềm mô phỏng Simulik của Matlab.
Từ đó ta có sơ đồ tổng quát của hệ điều khiển số :

[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD=colspan: 3, align: left][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][TABLE=width: 100%]
[TR]
[TD]H×nh 2: S¬ ®å khèi tæng qu¸t hÖ thèng ®ỉu khiÓn sè.


[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]














2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều:
Động cơ điện một chiều là các loại động cơ làm việc với điện áp một chiều, đây thường là những động cơ có công suất vừa và nhỏ nhưng làm việc ổn định, chính xác và dễ điều khiển. Với những ưu điểm trên nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng dăi trong các hệ truyền động công nghiệp.
Để đơn giản ta sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập có sơ đồ nh­ sau:







H́nh 3: Sơ đồ tương đương của động cơ một chiều.
Phương tŕnh đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập:

Trong đó:
w: Vận tốc góc, rad/s;
U[SUB]u[/SUB]: Điện áp phần ứng, V;
K: Hệ số cấu tạo của động cơ;
f: Từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb;
R[SUB]u[/SUB]: Điện trở phần ứng, W;
R­f: Điện trở phụ trong mạch phần ứng, W;
M: Mômem động cơ, W;








H́nh 4: Đường đặc tính cơ của động cơ một chiều.
Ta thấy rằng đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là đường thẳng tuyến tính nên việc điều khiển tốc độ khá dễ dàng. Từ phương tŕnh đặc tính cơ, để điều chỉnh tốc độ w của động cơ ta có thể thông qua U­[SUB]u[/SUB], f hay R[SUB]f[/SUB]. Do đó có ba hương pháp điều chỉnh cơ bản:
a. Thay đổi điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông f = const, điện trở phần ứng R[SUB]u [/SUB]= const khi ta thay đổi điện áp phần ứng U[SUB]u[/SUB] th́ ta có:
Tốc độ không tải:
w[SUB]0x [/SUB]= U[SUB]x[/SUB]/(Kf[SUB]**[/SUB]) = var
Độ cứng đặc tính cơ:
b = -(Kf[SUB]**[/SUB])[SUP]2[/SUP]/R[SUB]u[/SUB] = const.
Do vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta sẽ được một họ đặc tính cơ song song với nhau: