Điều chỉnh dòng điện và tốc độ trong hệ truyền động Thiristor - Động cơ

Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37 ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG THIRISTOR-ĐỘNG CƠ Nguyễn Thị Thu Hiền* Trường ĐH CNTT&TT - Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Hiện nay các hệ thống truyền động một chiều kiểu Thiristor-Động cơ (T-Đ) đang được ứng dụng rộng rãi do chúng đảm bảo các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống và dễ dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn đồng thời có tính bền vững cao. Bài báo này trình bày cách phân tích tổng hợp hệ truyền động T-Đ với hai mạch vòng điều khiển dùng bộ điều khiển PID. Kết quả của việc khảo sát và đánh giá thiết kế qua mô phỏng dùng Matlab -Simulink cho thấy được chất lượng thực trạng của hệ thống và hướng nâng cao chất lượng của hệ bằng cách đưa thêm vào bộ điều khiển mờ để điều khiển mạch kích từ của động cơ. Từ khóa: Hệ thống truyền động một chiều kiểu T-Đ, tổng hợp hệ, mô phỏng, điều khiển mờ, mạch vòng phản hồi.  ĐẶT VẤN ĐỀ hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ. Ví dụ trong trường hợp trục cán làm việc ở chế độ cán có Ngày nay trong các hệ thống điều khiển đặc phụ tải nặng, mômen cản biến thiên liên tục, biệt là các hệ điều khiển Rôbốt công suất lớn, cần phải đảm bảo cho mômen động cơ đủ lớn thì hệ truyền động một chiều kiểu T-Đ đang thắng được mômen cản, hay nói cách khác ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì chúng với truyền động này cần ưu tiên đến mômen đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ động cơ. Khi tải biến thiên, hệ truyền động thống, dễ dàng thực hiện các truyền động có cần đưa thêm mạch vòng phản hồi dòng điện công suất lớn và tính bền vững cao. Việc - mạch vòng này gọi là mạch vòng bù dòng phân tích và tổng hợp thành công các hệ điện phần ứng. Ở đây ta xét sơ đồ cấu trúc thống này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn chung của hệ điều khiển gồm có hai mạch lớn vì đây là hệ thống cơ bản trên nhiều dây vòng như trong hình 1. truyền sản xuất cụ thể. Trên cơ sở của việc tổng hợp và mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển, việc phát triển phối hợp điều khiển mờ để tạo ra bộ mờ lai (Hybrid Fuzzy) nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động sẵn có là hướng phát triển có nhiều tiềm năng. PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP TRUYỀN ĐỘNG.[1], [2], [3] Hình 2. Sơ đồ hàm truyền đạt của hệ T - Đ một Đối với hệ truyền động T – Đ việc điều chỉnh chiều với hai mạch vòng điều khiển các thông số đầu vào hệ được thực hiện để thu Trong đó: được các đặc tính đầu ra sao cho phù hợp với - Tω, Ti là hệ số dòng điện và hệ số tốc độ động cơ; yêu cầu của công nghệ. Để điều chỉnh được - Ta: hằng số thời gian điện từ; các thông số vào hệ thống thì động cơ thường - Tc: hằng số thời gian cơ học. được thiết kế với hai mạch vòng phản hồi Trong sơ đồ này hệ truyền động T-Đ với hai trong nhằm để ổn định dòng điện kích từ, mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện là mạch vòng phản hồi ngoài là mạch vòng phản hai mạch vòng quen biết. Quá trình tổng hợp hệ thống được thực hiện từ mạch vòng  Tel: 0972208032, Email: nthienedu@gmail.com trong ra đến mạch vòng ngoài. Kết quả tổng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37 hợp mỗi mạch vòng sẽ chọn được bộ điều 1 R(P) chỉnh thích hợp. i k.k/R (7) cli .2.τp.(1τ.p) Tổng hợp mạch vòng dòng điện (1pT)(1p.T) σ σ si 11u Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch sức điện   động như hình 3. Chọn  min (Tư ,Tsi ) = Tsi Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Ri(p) tính được như sau: 1P.T R.T 1 R(P) u  u .(1) i Tsi 2.Tsi.Kcl.Ki P.Tu 2.P.Kcl.Ki. Hình 3. Sơ đồ thu gọn mạch vòng dòng điện R Trong bài báo này tiến hành tổng hợp mạch (8) vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu modul R (P) là khâu tỷ lệ – tích phân (PI). để tìm hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện i Tổng hợp mạch vòng tốc độ Ta có: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như Ui(P) Kcl.Ki/R SOi (1) hình vẽ 4. Udk(P)(1Tdk.P).(1TV.P).(1TU.P).(1Ti.P) Trong đó: Tđk: là hằng số thời gian của mạch điều khiển Ti : là hệ số thời gian của sensơ dòng điện Tư : là hệ số thời gian điện từ của mạch phần ứng Hình 4. Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ Tv : là hệ số thời gian của động cơ điều khiển Để tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta có thể Ki: điện trở của sensơ tổng hợp theo phương pháp tối ưu modul hoặc phương pháp tối ưu đối xứng. Trong T Thay: i = Tđk +Tv +Ti <<Tư bài báo này, áp dụng theo tiêu chuẩn tối K.K/R ưu modul để xác định hàm truyền của bộ S(P) cli Oi (2) điều chỉnh tốc độ : (1Tsi.P).(1TU.P) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu của môdul ta có R.Kω Soω  (9) hàm truyền hệ kín: Ki .Cu.Tc .P(1 P.Tsω ) 1 sω (3) Với T =2. Tsi  Tω với Tsω rất nhỏ áp FOMi  2 2 1 2τσ P  2τσ P dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đul: Mặt khác ta có theo hình 4 ta có: 1 (10) FOMω  2 2 1 2τσ P  2τσ P Ri (P).Sσi FOMi (P)  (4)  1 Ri (P).Sσi Mặt khác ta có: FOMi FOMω Ri (P)  (5) Rω (P)  (11) Sσi  FOMi .Sσi Soω  FOMω .Soω 1 12τP2τ2P2 1 σ σ (12) Rω(P) 22   12τP2τP R.Kω 1 σ σ (6) .1  Ri(P) K.C.T.P(1P.T) 12τP2τ2P2 k.k/R  1  i uc sω σ σ  cli .1  22 (1pT)(1p.T) 12τP2τP si u σ σ  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37 1 Lư :Điện cảm phần ứng 0, 0016 H Rω(P) R.K Rư :Điện trở phần ứng 2,42  ω .2.P.τ.1P.τ σ σ Ti: Hằng số thời gian của máy biến dòng 0,0025 s Ki.Cu.Tc.P(1P.Tsω) (13) TCL:Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu 0,003s Tđk:Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ Chọn τσ.  Tsω chỉnh lưu 0,00015s K .C .T T Ta có : i u c (14)  : Hằng số thời gian của máy phát tốc 0,0015s Rω (P)  R.Kω .2.Tsω T :Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí 0,3s Vậy R (P) là khâu tỷ lệ :P L:Chiều dài quãng đường cần di chuyển 110 m Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống R:Bán kính trục truyền tải cuối cùng 0,35 cm khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi IC ηđm:Hiệu suất định mức của động cơ 90% là nhiễu nữa.  Tđk=100 s,Tv= 2,5ms ,Ti = 2ms ,Tư = 100ms. Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng Mô phỏng hệ truyền động cán tinh bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: phần mềm Matlab [4] (p) 1 111  . . Sau khi tính toán các thông số của hệ thống 22 d(p)12Ts.p2TspK12Ts.pK theo tiêu chuẩn tối ưu modul, tìm ra hàm (15) truyền của các khâu hiệu chỉnh, tiến hành MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG. ghép nối các khâu lại với nhau và kiểm Tính toán các thông số của hệ thống nghiệm lại hệ thống. Sử dụng phần mềm Một số thông số cho trước Matlab -Simulink để tiến hành mô phỏng hệ thống truyền động T-Đ dùng bộ điều khiển P : Công suất định mức của động cơ 1kW đm PID (PD). Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như Uđm: Điện áp định mức của động cơ 220 V hình 5. nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ 1000 v/p Hình 5. Sơ đồ mô phỏng dùng Simulink cho hệ T-Đ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37 Hình 6. Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ Với Ta=0.103, Tc=1,3 (Trong đó: Ta - hằng số thời gian điện từ, và Tc - hằng số thời gian cơ học) Hình 7. Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ với Ta=0.05, Tc=1.3 Hình 8. Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ với Ta=2, Tc=1 Kết quả mô phỏng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37 Khi chạy chương trình mô phỏng ta được các Qua khảo sát ta có thể tính toán và mô phỏng hệ đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ như hình thống truyền động T-Đ chỉ dùng bộ điều khiển bên. PID với các thông số cố định chúng ta nhận Từ các nhận xét trên ta thấy khi Ta và Tc thay thấy: đổi thì đặc tính hệ thống bị thay đổi rất nhiều. Chất lượng động của hệ thống truyền động Để đảm bảo các đặc tính tốc độ (t) và dòng điện tương đối đảm bảo yêu cầu, tuy nhiên trong hệ Ri(t) là đạt như mong muốn ta cần thay đổi các thống có các thống số là phi tuyến mà hệ thống tham số của bộ điều khiển. chỉ mô phỏng với hệ số của mạch kích từ cố Trong thực tế khi tính toán các hệ truyền động định nên chất lượng của hệ thống chưa cao. Để giải quyết vấn đề này ta có thế đưa thêm bộ điều T-Đ, các thông số là Ta, Tc, Ku , J là những tham số không đổi, nhưng thực tế các thông số đó là khiển mờ vào để chỉnh định thông số của bộ thay đổi và phi tuyến vì vậy dẫn đến sự thay đổi điều khiển PID. mô hình toán cũng như các đặc tính của hệ. Để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể dùng TÀI LIỆU THAM KHẢO các phương pháp điều khiển hiện đại để nâng [1]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc cao chất lượng hệ thống Hải, Dương Văn Nghi (2002), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. Từ kết quả mô phỏng chúng ta cũng nhận thấy [2].Võ Quang Lạp, Trần Thọ (2004), Cơ sở điều ứng với trường hợp Ta=0.103, Tc=1,3 đặc tính chỉnh tự động truyền động điện, Nxb Khoa học và kỹ có dạng ứng với hệ thống có chất lượng tốt nhất, thuật, Hà Nội. làm việc ổn định nhất, dòng điện quá độ nhỏ [3]. Nguyễn Doãn Phước (2003), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. nhất. [4].Nguyễn Phùng Quang (2003) ,MATLAB & Đánh giá Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. SUMMARY ADJUSTING ELECTRICITY AND SPEED IN THIRISTOR-MOTOR POWER TRANSMISSION SYSTEM Nguyen Thi Thu Hien College of Information and Communication Technology - TNU At the moment, the one-way thiristor-motor power transmission systems (T-D) are being widely applied because they ensure to have static and dynamic targets of systems and are easy to perform large capacity and high sustainability transmission systems. This paper presents the ways to analize generally T-D power transmission with 2 control loop circuits using PID controller. The result of the survey and evaluating the design by simulation using Matlab-Simulink shows the real quality of the system and the way to improve it by adding the fuzzy controller to control the exciting circuit of motor. Key words: one-way thiristor-motor power transmission systems, general system, simulation, fuzzy controller, feed back loop circuit.  Tel: 0972208032, Email: nthienedu@gmail.com Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37