Luận văn Thiết kế mô hình chiết chai di động

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Giới thiệu về động cơ một chiều Khái niệm Ngày nay, mặc dù điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi. song máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ điện một chiều. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi cần momen mở máy lớn hoặc trong yêu cầu điều chỉnh tốc độ và phạm vi rộng. Trong các thiết bị tự động, các máy điện khuếch đại, các động cơ chấp hành cũng là máy điện một chiều. Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy trong các thiết bị ô tô, tàu thủy, máy bay, các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng trong thiết bị điện hóa, hàn điện với chất lượng cao. Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắc tiền , kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ. Khi sử dụng động cơ một chiều cần phải có nguồn một chiều kèm theo. Nguyên lý làm việc Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư . các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực Fđt tác động làm cho rô to quay. Chiều lực xác định theo qui tắc bàn tay trái. Phương trình điện áp: U = Eư + Rư Iư . Trong đó: Eư là sức phản điện. Iư là dòng điện trong dây quấn phần ứng Rư là điện trở của dây quấn phần ứng. U là điện áp đưa vào. Sức điện động của động cơ điện một chiều: Trong đó : p là số đôi cực từ chính. N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần cứng. a là số đôi cực nhánh song song của cuộn dây. n là tốc độ quay (vòng / phút). f là từ thông kích từ dưới một cực từ (wb). Mômen điện từ của động cơ: Momen điện từ là momen quay, cùng chiều với tốc độ quay n. Điều chỉnh tốc độ Ta có phương trình: Eư = U – Rư Iư Thay trị số Eư = kE . f. n Ta có phương trình tốc độ: f . , , E u u K I R U n - = Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ: Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng: Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ sẽ giảm. Tổn hao trên phần ứng lớn nên chỉ số sử dụng với động cơ công suất nhỏ. Thay đổi điện áp U: Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dùng để cung cấp điện áp cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều. Thay đổi từ thông: Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ. Khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp trên với nhau. Ví dụ: phương pháp thay đổi từ thông kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng. Đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều. Iư + - - + A1 A2 + - F1 F2 Ikt Kích từ song song Đặc tính động cơ điện kích từ song song Đường đặc tính cơ: n = f(M) , , E E K K u u I R U n f f - = Ta có : M = KM . Iư .f Þ M K K R K U n M E u E 2 . . . , f f - = Để thay đổi tốc độ ta thêm điện trở Rp M RP = 0 RP ¹ 0 n Đường đặc tính cơ Đặc tính làm việc: Đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng điện kích từ không thay đổi. Đó là các quan hệ giữa tốc độ n, momen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất h theo công suất có trên trục P2 : P2 In M Iư n h Ta thấy đặc tính cơ cứng và tốc độ rất ít thay đổi khi P2 thay đổi nên được dùng trong máy cắt kim loại, máy công cụ. Điều chỉnh tốc độ với yêu cầu cao sẽ được dùng động cơ kích từ độc lập. Đặc tính động cơ điện kích từ độc lập Vkt + - Ikt V Iư + - - + Kích từ độc lập Ưu điểm: khi làm việc máy không bị ảnh hưởng bởi Ikt Nhược: tốn kinh phí do nguồn kích. Đặc tính động cơ điện kích từ nối tiếp Kích từ nối tiếp - + V Iư + - I = IƯ = Ikt Đặc tính cơ: n = f(M) Iư = kI .f M = kM. IƯ. f = kM. kI. f2 = k2. f2 hay Với Ta có: M n n Đặc tính cơ Phương trình đặc tính có dạng Hyperpon _ đặc tính cơ mềm, dễ thay đổi tốc độ hơn kích từ song song. Nhưng dễ gây hỏng động cơ khi tăng tốc độ. Do đó, không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải nhỏ. Đặc tính làm việc: P2 Vùng làm việc h n I M ngh Động cơ làm việc với tốc độ n nhỏ hơn ngh. Khi chưa bão hòa momen quay động cơ tỷ lệ với bình phương dòng điện, tốc độ giảm theo tải, động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ tải nặng nề. Đặc tính động cơ điện kích từ hỗn hợp Kích từ hổn hợp - Iư + 4 2 3 1 n M Đặc tính cơ Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng chiều) làm tăng từ thông, hoặc nối ngược (từ trường 2 dây quấn ngược nhau) làm giảm từ thông. Đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đường 1) sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ somg song (đường 2) và nối tiếp (đường 3) ở hình trên. Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây kích từ chính, dây quấn kích từ song song là phụ và nối thuận. Dây quấn kích từ song song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi M nhỏ. Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối ngược, có đặc tính rất cứng (đường 4), tốc độ hầu như cố định khi momen thay đổi. Thích hợp với các động cơ yêu cầu tốc độ ít thay đổi. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Trong công nghiệp đòi hỏi có nhiều cấp tốc độ khác nhau, tùy theo yêu cầu cần thiết mà người ta chọn cấp tốc độ này hay cấp tốc độ khác. Để có các cấp tốc độ khác nhau, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hay thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động. Thông thường để chỉnh tinh tốc độ ta dùng phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động, các phương pháp điều chỉnh sau: Điều chỉnh các thông số ở mạch của máy điện Điều chỉnh điện trở của mạch phần ứng. Điều chỉnh kích từ của động cơ. Phương pháp điều chỉnh này có tốc độ cứng, đặc tính cơ giảm nên độ chính xác trong việc duy trì tốc độ không cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp, độ tinh điều chỉnh kém. Khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tốc độ tăng và mement ngắn mạch giảm, nghĩa là độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém. Phương pháp này không được khuyến khích thực hiện. Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho phần ứng động cơ. Hệ thống máy phát- động cơ. Hệ biến đổi van điều khiển (SCR)-động cơ. Hệ điều áp van _ từ _ động cơ (khuếch đại từ _ động cơ). Hệ điều áp nguồn _ động cơ. Về các chỉ tiêu kỹ thuật và năng lượng thì phương pháp điều áp xung được đánh giá tốt. Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để, nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khi không tải lý tưởng. Đặc tính cơ điều chỉnh đảm bảo được sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn hao năng lượng thấp. Bởi vì đặc tính cơ của phương pháp tuy mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên nhưng cứng hơn khi dùng phương pháp điều chỉnh thông số. Mặt khác vì phần tử điều chỉnh đặc trong mạch điều khiển của bộ biến đổi là mạch có công suất nhỏ, nên độ tinh chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện thành hệ tự động vòng kín. Nhược điểm: là phải dùng bộ biến đổi phức tạp nên vốn đầu tư cơ bản và vận hành phí cao. Tuy nhiên với các ưu điểm trên, phương pháp này tạo được năng suất cao, tổn thất năng lượng ít do đó được sử dụng rộng rãi. Điều chỉnh sơ đồ Sơ đồ phân mạch phần ứng. Sơ đồ dùng hai động cơ DC liên kết nối cứng với nhau. Sơ đồ dùng hai động cơ liên kết nối hở với nhau. Phương pháp điều rộng xung Điện áp ra bao gồm những xung có bề rộng thay đổi được và biên độ là hằng số. Yêu cầu là mạch có khả năng đóng ngắt ở tần số cao, có thể đóng ngắt riêng cho từng ngắt khác nhau. Các loại mạch này thích hợp cho các mạch động lực dùng transistor công suất, việc đóng ngắt nhiều lần, nếu ta thay đổi được các độ rộng xung trong một chu kỳ thì ta có thể hạn chế được sóng hài bậc cao. Với những nhận xét ưu điểm của bốn phương pháp điều chỉnh trên ta nhận thấy: Để điều chỉnh tốc độ động cơ DC cần có dải điều chỉnh rộng, đòi hỏi chất lượng điều chỉnh cao, ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp điều rộng xung nghĩa là thay đổi được ton và fxung= 1/T = const. CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Một hệ thống truyền động điện điều chỉnh có thể là tự động nếu có dùng các khâu hồi tiếp để lập thành vòng kín hoặc là bán tự động khi chỉ điều khiển vòng hở và chỉ bằng tay. Chất lượng của hệ được đánh giá nhờ các chỉ tiêu sau đây: Sai số tĩnh tốc độ Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt. Nó là giá trị tương đối của độ sụt tốc ứng với tải định mức so với tốc độ đặt khi không tải lý tưởng. S% =  (1-1) Trong đó: : Tốc độ ứng với tải định mức. : Tốc độ không tải lý tưởng ứng với giá trị đặt. Vì đặc tính cơ của hệ thống là đường thẳng nên ta có quan hệ: (1-2) Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của đặc tính cơ b, tốc độ đặt khi không tải lý tưởng wod và phụ tải trên trục động cơ Mc. Sai số D càng nhỏ nghĩa là độ chính xác càng cao thì hệ càng tốt. Nói chung các hệ bán tự động có độ chính xác không cao, đa số phương pháp điều chỉnh thông số có S lớn còn phương pháp điều chỉnh nguồn thì S nhỏ hơn nhiều. Phạm vi điều chỉnh Phạm vi điều chỉnh D là tỉ số giữa tốc độ làm việc lớn nhất và nhỏ nhất ứng với phụ tải đã cho. (1-3) Tốc độ lớn nhất wmax thường bị giới hạn bởi độ bền cơ của phần quay của động cơ. Một số máy điện một chiều tốc độ lớn nhất còn bị giới hạn bởi điều kiện chuyển mạch vì khi tốc độ lớn tia lửa phát sinh trên cổ góp dưới các chổi than sẽ mạnh lên và có thể không cho phép. Vì vậy thông thường chỉ cho phép wmax£ (1-3)wđm. Tốc độ nhỏ nhất wmin trong dải điều chỉnh bị chặn bởi yêu cầu khắc phục moment quá tải cho phép, bảo đảm độ chính xác điều chỉnh (s%). Tốc độ cực đại trong dải điều chỉnh khi Mc = Mđm max =o - (1-4) Với yêu cầu đảm bảo khả năng quá tải khi ta thấy đặc tính thấp nhất phải có moment ngắn mạch bằng moment tải cực đại (hinh1-1). Trong đó: Kqt: Hệ số quá tải do máy gây ra. M Mđm Mđm.Kqt w wmax w0min wmin w0 a Hình 1_1 Từ hình trên ta có thể tính được tốc độ nhỏ nhất ứng với moment tải định mức. wmin = (Kqt.Mđm – Mđm)tga (1-5) Suy ra: wmin = Mđm(Kqt - 1).1/b Từ (1-4) và (1-5) ta có: (1-6) Trong đó: Độ cứng tương đối của đặc tính cơ: b* Trường hợp máy sản xuất có yêu cầu cao về độ chính xác duy trì tốc độ thì phải điều chỉnh D được xác định theo sai số tốc độ cho phép (scp) ứng với đường đặc tính thấp nhất ta có: (1-7) Vì tốc độ làm việc được xác định tương ứng bởi tải định mức nên: Thay vào phương trình (1-7) (1-8) Từ (1-4) và (1-8) ta xác định được: (1-9) Hiệu suất Nếu bỏ qua các đại lượng tổn thất bất biến trong hệ thì phần tổn thất chủ yếu sẽ nằm trong mạch phần ứng, nên hiệu suất của hệ là: (1-10) Trong đó: : Công suất đưa ra đầu trục : Công suất đưa vào Trong đó: Ngoài tổn hao trong phần ứng còn có tổn thất trong các thiết bị biến đổi. Khi đó hiệu suất của toàn hệ thống là: h = hư +hsc Trong đó: hsc: hiệu suất của thiết bị biến đổi. Hệ điều khiển Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC phân thành hai loại: Hệ thống hở. Hệ thống kín. Hệ thống hở Hệ thống hở còn gọi là hệ thống bán tự động, nó thực hiện nguyên tắc khống chế cứng, tức là tín hiệu ra không cần đo lường để hồi tiếp chuyển về đầu vào. Mọi sự biến đổi của tín hiệu ra không phản ánh vào thiết bị điều khiển. Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC Hình 1_2: Sơ đồ khối của hệ thống hở. Nguyên lý điều chỉnh Đối với động cơ DC khi giữ điện áp phần ứng không đổi, ta thay đổi độ rộng xung kích thì tốc độ của động cơ sẽ thay đổi và tránh được những biến động lớn về gia tốc và động lực trong hệ. Bộ Đảo Chiều Vi + - Hình1_3: Sơ đồ nguyên lý tổng quát. Bộ biến đổi đảo chiều có nhiệm vụ thay đổi chiều điện áp đặt lên động cơ. Hệ thống kín Hệ thống kín còn gọi là hệ thống điều khiển tự động, nó thực hiện nguyên tắc điều khiển có phản hồi, tức là tín hiệu ra được đo lường và phản hồi đến đầu vào bộ điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển và thông qua bộ biến đổi điều chỉnh lại tốc độ động cơ tương ứng với giá trị tín hiệu đặt. Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC Phản hồi Hình1_4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín. Khi sử dụng hệ thống điều khiển bán tự động thường sai số tốc độ tĩnh tương đối lớn do đặc tính cơ tự nhiên của động cơ thường gặp đều có độ cứng không đủ lớn. Đặc biệt là khi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản, độ cứng giảm hoặc tốc độ không tải lý tưởng giảm. Vì vậy trong thực tế khi điều khiển động cơ người ta thường dùng hệ kín để giảm sai số tốc độ và mở rộng dải điều chỉnh. Vì sai số tĩnh của tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của động cơ nên biện pháp chủ yếu dùng để ổn định hóa trong hệ là làm tăng độ cứng đặc tính cơ, muốn vậy thông số điều chỉnh phải thay đổi tự động theo giá trị phụ tải sao cho đủ khả năng bù trừ lượng sụt tốc do tải gây ra. Do đó người ta sử dụng các vòng hồi tiếp dòng điện, tốc độ truyền động tự động vòng kín. Nguyên lý điều khiển tự động vòng kín Trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đổi dấu điện áp cung cấp phần ứng động cơ. Khi đó tốc độ làm việc của động cơ được điều chỉnh nhờ thay đổi tốc độ không tải lý tưởng n0. Còn độ cứng của đặc tính cơ b được giữ nguyên như hình vẽ: n M 1’ w1’min wmin W0min Mđm Eb0 Eb1 Eb2 Hình1_5 Giả sử các đặc tính của hệ có độ cứng là b và khi điều chỉnh đến tốc độ wmin thì sai số tĩnh vượt quá giới hạn cho phép. (1-11) Khảo sát hệ điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo vòng kín Động cơ DC kích từ độc lập được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, điều khiển vòng hở không thoả mãn yêu cầu đặt ra về cơ cấu. Vì thế hệ thống đòi hỏi yêu cầu chính xác cao nghĩa là cần phải thay đổi góc kích trong quá trình biến đổi tải, nên giải quyết bằng hệ thống điều khiển vòng kín. U Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC Hồi tiếp w Uư Uđk wđ wt - Hình 1_6: Sơ đồ điều khiển vòng kín. Khi moment tải thì tín hiệu đầu vào là: wt = wđ + wht Tín hiệu điều khiển (Uđk) tăng làm thay đổi góc kích và làm tăng điện áp phần ứng do đó làm tăng moment động cơ nên sự thay đổi tốc độ được giảm bớt đáng kể và cứ như thế trong trạng thái quá độ mà giá trị moment động cơ và M0 cân bằng, hay nói cách khác là hệ cứng tăng modul độ cứng đặc tính cơ. Đây là vấn đề chủ yếu trong hệ kín. Nhờ hệ điều khiển vòng kín có đặc điểm làm hệ truyền động có độ chính xác cao, tác dụng nhanh, ảnh hưởng của thành phần nhiễu bị hạn chế, tính được hàm truyền với ẩn số là Iư. (1-12) Tư: Thời hằng của mạch phần ứng. (1-13) (1-14) với : : Hằng số cơ. Hàm truyền của động cơ kích từ độc lập Vkt + - Ikt V Iư + - - + Hình 1_7: Sơ đồ tương đương của động cơ Phương trình cân bằng điện áp (1-15) (1-16) Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ. (1-17) Trong đó: (1-18) Từ các phương trình (2-15) đến (2-18) viết dưới dạng toán tử. (1-19) (1-20) (1-21) (1-22) từ phương trình (1-19) có quan hệ giữa tốc độ và điện áp phần ứng và moment tải: (1-23) Với (1-24) (1-25) (1-26) (1-27) Nếu xét ở chế độ không tải lúc Mt = 0, thay (1-26) vào (1-23) ta được: (1-28) Ta thấy rằng Tu£ TM nên: Vậy (1-27) được viết lại là: (1-28) Đặt (1-29) (1-30) Vậy phương trình (1-28) được viết lại là: (1-31) (1-32) Với K.F Mt(s) w(s) Iu(s) Uu(s) Eu(s) Hình 1_8: Sơ đồ cấu trúc của hệ kín Sử dụng công thức (1-31) ta có: (1-33) Đặt Vậy: Khi phân tích động cơ DC kích từ độc lập có thể phân tích thành hai khối sau: Uu(s) Iu(s) w(s) Hình 1-9: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ DÙNG TRANSISTOR Các phương pháp đảo chiều quay Để đảo chiều động cơ có thể thiết kế hệ đảo chiều theo ba phương pháp sau: Đảo chiều dòng kích từ Phương pháp này dùng một bộ biến đổi đơn trong mạch phần ứng và một bộ tiếp điển đảo chiều trong mạch kích từ. Phương pháp này đơn giản về mặt thiết bị, giá thành hạ, thuận tiện trong việc vận hành, bảo quản. Nhưng do quán tính mạch từ của mạch kích từ lớn nên thời gian đảo chiều của động cơ có thể đến vài giây. Đảo chiều dòng phần ứng bằng một bộ biến đổi đơn và một bộ tiếp điểm đảo chiều trong mạch phần ứng Phương pháp này thời gian đảo chiều nhanh hơn phương pháp trên và sơ đồ tương đối đơn giản. Nhược điểm của nó là phải dùng các tiếp điểm của mạch động lực. Ta sử dụng quy luật điều khiển bộ biến đổi để đảm bảo đóng cắt tiếp điểm khi dòng phần ứng gần bằng không, nhưng khi đó tác động của hệ thống trong các quá trình quá độ phải bắt buộc diễn ra theo trình tự nhất định, do đó làm tác động nhanh. Đảo chiều cực tính điện áp trên mạch phần ứng dùng bộ biến đổi kép Phương pháp này tuy phức tạp nhưng tránh được những nhược điểm của hai phương pháp trên. Bộ biến đổi kép gồm hai bộ biến đổi đơn, một để tạo điện áp thuận, một tương ứng với điện áp ngược. Tương ứng với hai chiều quay của động cơ. Việc bố trí hai bộ biến đổi đơn thành bộ biến đổi kép được thực hiện như sau: Tùy theo giá trị điện áp Uđk mà xung kích điều khiển cả hai bộ biến đổi thay đổi. Như vậy một bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia sẽ hoạt động trong chế độ nghịch lưu. Ta có: Ud = Ud1 – Ud2 Ud: Điện áp trung bình đặt lên động cơ. Trong bộ biến đổi kép lý tưởng, điện áp ở đấu ra của mỗi bộ biến đổi bằng với điện áp trên tải, còn dòng thì có thể chạy qua tải theo chiều phụ thuộc vào khoá đảo chiều quay của động cơ. Chế độ làm việc Chế độ làm việc xác lập Khi làm việc trong chế độ xác lập với điện áp điều khiển dương thì vận tốc không đổi ứng với vận tốc nào đó. Lúc đó trong hai bộ biến đổi có một bộ biến đổi làm việc tích cực cung cấp dòng cho tải, bộ còn lại trong trạng thái chờ và không có tác dụng gì đối với tải. Chế độ máy phát Giả sử khi có một xung kích cho bộ biến đổi với một chuỗi xung có các khoảng ton khác toff nên khi có xung kích thì dòng qua tải là tăng dần lên đến điểm cuối của ton thì dòng qua tải giảm dần, lúc này là động cơ trả năng lượng về lưới nên động cơ được xem như máy phát, đến khi động cơ được kích dẫn bởi xung kế tiếp thì lúc đó dòng bắt đầu tăng lên. c. Đảo chiều quay động cơ Để thay đổi chiều quay của động cơ ta cần đổi dấu điện áp quy định vận tốc. Theo lý thuyết, vận tốc của động cơ không thể thay đổi tức thời được vì trong động cơ còn có cuộn kháng do đó dòng Iư chưa giảm về không thì bộ biến đổi hai đã được kích bởi khóa đảo chiều và dòng điện phần ứng lập tức đổi dấu và động cơ ở chế độ hãm ngược. Lúc này bộ biến đổi hai làm việc tích cực còn bộ biến đổi một ở trạng thái chờ và buộc động cơ phải quay theo chiều ngược lại đến già trị xác lập. CHƯƠNG II ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC Khái niệm Điều khiển vị trí động cơ DC là một hệ thống điều khiển được sử dụng rộng rãi hiện nay như điều khiển robot tay máy, cơ cấu ăn giao máy cắt gọt kim loại, kính viễn vọng…công suất có thể từ hàng chục watt đến hàng trăm kw. Chỉ tiêu chất lượng được quan tâm nhiều nhất trong cơ cấu này là độ tác động nhanh, nó phản ánh qua giãn đồ tối ưu về tốc độ w(t), gia tốc a(t), vị trí j(t). Có thể điều khiển vị trí bằng các phuong pháp: dùng khâu hiệu chỉnh PID, dùng logic mờ hay dùng các vòng phản hồi tốc độ. Điều khiển vị trí dùng PID Phương pháp này rất hay được dùng trong công nghiệp vì nó lấy ưu điểm của từng khâu P, PI, PD. Dạng liên tục của khâu PID Cấu trúc của khâu PID gồm có: Thành phần UP (t) là tỷ lệ giữa sai số đầu ra của hệ thống thực với giá trị đặt. Thành phần UI (t) là tích phân theo thời gian của sai số. Thành phần UD (t) là đạo hàm theo thời gian của sai số. Hàm điều khiển: Ut (t) = U0 + k [e (t) + = U0 + UP (t)+ UI(t)+ UD(t) Trong đó: K là độ lợi của hàm điều khiển Ti là tích phân theo thời gian Td là đạo hàm theo thời gian t’ là biến tích phân Hàm điều khiển còn có thể biểu diễn dưới dạng biến đổi Laplace như sau: U(s) -Uo (s) =d.U(s)= UP(s)+ UI(s)+UD(s) = K.[1+1/Ti.s+Td.s] . E(s) = K.[1+Tis + Ti.Td.s²]E(s)/Tis 2 Khâu PID viết ở dạng rời rạc: Ta cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể được xác lập bởi một sai phân có giới hạn ;Và tích phân qua việc lấy tổng.Chúng ta quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm khác nhau,với sai số được tính toán ở mỗi khoảng lấy mẫu: e(kh)=uc (kh) - y(kh) Với h là chu kỳ lấy mẫu. Chức năng cụ thể các thành phần trong PID Khâu tỉ lệ (P) : Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập. Nhưng với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây vọt lố và có thể không chấp nhận được với mạch động lực. Khâu vi phân tỉ lệ (PD) : đưa vào hệ thống làm giảm độ vọt lố,đáp ứng ra bớt nhấp nhô và hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh hơn.Hệ có sai số xác lập bằng 0 với đầu vào hàm nấc và là hằng đối với đầu vào hàm dốc. Khâu tích phân tỉ lệ (PI) : có mặt trong hệ thống làm triệt tiêu sai lệch chuẩn. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ(PID) : kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD ,có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt,khử chậm pha.Sự có mặt của khâu PID ở vòng hồi tiếp có thể dẫn tới sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm dirac d(t). Cách tính KI, KP, KD Theo nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler_Nichols: các hệ số KI,KP,KD được xác định từ L và T với L và T được xác định từ tiếp tuyến cuả quỹ đạo quá độ của đầu vào như hình vẽ: L T K t y(t) Kp = 1,2.T/L Ki = Kp/(2L) Kd = 0,5T.Kp Gc(s)= Kp(1+1/Tis+Tds) = Kp+Ki/s+Kds ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG LOGIC MỜ Để xử lý thêm các tín hiệu đo và tăng thêm khả năng chuẩn đoán cho hệ thống, cần thay thế ở bước đầu tiên bộ hiệu chỉnh kinh điển bằng các bộ hiệu chỉnh mờ và phát triển thêm hệ điều khiển dựa trên cơ sở của bộ điều khiển mờ này để có được các tính chất mong muốn. ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG VÒNG PHẢN HỒI Phương pháp này gồm ba vòng phản hồi: vòng vị trí ở ngoài cùng và tạo tín hiệu đặt cho vòng tốc độ, ngõ ra của vòng tốc độ lại là tín hiệu đặt cho vòng dòng điện. Tín hiệu vị trí được xác định từ bộ gia