Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng hệ biến tần và plc

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BA PHA

Định nghĩa về động cơ xoay chiều ba pha

- Động cơ không đồng bộ

Động cơ điện không đồng bộ, đặc biệt là loại Rotor lồng sóc, hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với từ trường stator Loại động cơ này thường được ưa chuộng hơn so với động cơ có dây quấn nhờ vào đặc tính hoạt động ưu việt của nó.

Stator được thiết kế với các cuộn dây lệch nhau về không gian, thường là ba cuộn dây cách nhau 120° Khi áp dụng điện áp ba pha vào dây quấn, một từ trường Fs quay tròn xuất hiện trong lòng Stator với tốc độ n`*f/p, trong đó p là số cặp cực của dây quấn và f là tần số.

Từ trường do Stator tạo ra tác động lên thanh dẫn của rotor, gây ra điện áp cảm ứng và dòng điện ngắn mạch Dòng điện này chịu tác động của lực Bio-Savart-Laplace, tạo ra từ trường Fr tương tác với từ trường Fs, dẫn đến momen kéo rotor chuyển động theo từ trường quay của Stator.

Cơ cấu động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) có thể được thiết kế với kiểu vỏ bọc kín hoặc hở, tùy thuộc vào hệ thống làm mát bằng cánh quạt thông gió được lắp đặt bên trong hoặc bên ngoài động cơ Motor giảm tốc chủ yếu bao gồm hai phần chính: phần tĩnh và phần quay.

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Phần tĩnh hay còn gọi là stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

Motor giảm tốc bao gồm bộ phận dẫn từ hình trụ rỗng, với lõi thép làm từ các lá thép kỹ thuật điện dày từ 0,35 đến 0,5 mm Các lá thép này được dập theo hình vành khăn và có rãnh bên trong để đặt dây quấn, đồng thời được sơn phủ trước khi ghép lại.

Dây quấn stato được chế tạo từ dây đồng hoặc dây nhôm loại email, được đặt trong các rãnh của lõi thép Ngoài hai bộ phận chính, còn có các bộ phận phụ bao bọc lõi thép, bao gồm vỏ máy làm từ nhôm hoặc gang, giúp giữ chặt lõi thép Phía dưới là chân đế để cố định vào bệ máy, và hai đầu có nắp làm từ vật liệu tương tự như vỏ máy, trong đó có ổ đỡ (hay còn gọi là bạc) để hỗ trợ trục quay của rôto.

Hay còn gọi là rôto, gồm có lõi thép, dây quấn và trục máy

Lõi thép hình trụ đặc được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện, được dập thành hình dĩa và ép chặt, có các đường rãnh trên bề mặt để lắp đặt các thanh dẫn hoặc dây quấn Lõi thép này được kết nối chắc chắn với trục quay và được đặt trên hai ổ đỡ của stato.

Trên rôto có hai loại: rôto lồng sốc và rôto dây quấn

+ Loại rôto dây quấn có dây quấn giống nhƣ stato, loại này có ƣu điểm là môment quay lớn nhưng kết cấu phức tạp, giá thành tương đối cao

+ Loại rôto lồng sóc: kết cấu của loại này rất khác với dây quấn của stato

Rôto được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh, tạo thành các thanh nhôm nối ngắn mạch ở hai đầu Ngoài ra, rôto còn được trang bị các cánh quạt để làm mát bên trong khi quay.

Phần dây quấn của động cơ được cấu tạo từ các thanh nhôm, kết hợp với hai vòng ngắn mạch có hình dạng giống như lồng sóc, được gọi là rôto lồng sóc Các đường rãnh trên rôto giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.

Trục thường được dập xiên với 13 để cải thiện tính năng khởi động và giảm thiểu rung động do lực điện từ tác động không liên tục lên rôto.

Nguyên lý hoạt động

Để động cơ hoạt động hiệu quả, stato cần được cung cấp dòng điện xoay chiều Dòng điện chạy qua dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n` = f/p (vòng/phút), trong đó f là tần số của nguồn điện và p là số đôi cực của dây quấn stato.

Quá trình quay của từ trường quét qua các thanh dẫn của rôto, dẫn đến sự xuất hiện của sức điện động cảm ứng Do dây quấn rôto là kín mạch, sức điện động này tạo ra dòng điện trong các thanh dẫn Khi các thanh dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường, chúng tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ mạnh mẽ tác động lên các thanh dẫn.

Tổng hợp các lực tác động lên trục rôto tạo ra môment quay, khiến rôto quay theo chiều của từ trường Khi động cơ một chiều hoạt động, tốc độ của rôto (n) luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường (n1), dẫn đến việc rôto quay chậm lại và luôn duy trì ở mức nhỏ hơn n1 Do đó, động cơ được gọi là động cơ không đồng bộ Độ sai lệch giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trường được gọi là hệ số trượt, ký hiệu là S.

Hệ số trượt của động cơ thường nằm trong khoảng 2% đến 10% Động cơ hoạt động dựa trên định luật điện từ, trong đó lực F tác dụng lên thanh dẫn có chiều dài l khi có dòng điện I và nằm trong từ trường với từ cảm B Chiều và độ lớn của lực F được xác định theo công thức F = i.l.B, phản ánh nguyên tắc cơ bản của động cơ trong việc chuyển đổi điện năng thành cơ năng.

Khi động cơ đƣợc cấp điện, dòng điện trong dây quấn stato sinh ra trong lõi sắt stato một từ trường quay với tốc độ đồng bộ

60f n  p (f1 là tần số dòng điện lưới đựa vào, p là số đôi cực của máy)

Khi từ trường quét qua thanh dẫn nhiều pha tự ngắn mạch trên lõi sắt, nó tạo ra sức điện động và dòng điện trong thanh dẫn Dòng điện này sinh ra từ thông kết hợp với từ thông của stato, tạo thành từ thông tổng ở khe hở Tương tác giữa dòng điện trong thanh dẫn roto và từ thông khe hở tạo ra mômen, khiến roto quay với vận tốc không đồng bộ n (n < n1) Hệ số trượt s được sử dụng để xác định phạm vi tốc độ của động cơ, với định nghĩa cụ thể về hệ số trượt.

Nhƣ vậy khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 1, khi n n 1 thì độ trƣợt s = 0

Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ

Động cơ điện thường phải khởi động và dừng máy nhiều lần theo yêu cầu của sản phẩm, với các yêu cầu khởi động khác nhau tùy thuộc vào tính chất tải và tình hình lưới Đôi khi cần mômen khởi động lớn, có khi cần hạn chế dòng điện khởi động, hoặc cả hai Do đó, việc có tính năng khởi động thích ứng là rất cần thiết.

Việc lựa chọn phương pháp khởi động hoặc động cơ không phù hợp có thể dẫn đến nhiều sự cố không mong muốn trong quá trình vận hành.

-Phải có mômen khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

-Dòng điện khởi động càng nhỏ càng tốt

-Phương pháp khởi động và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn -Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng thấp càng tốt

Các yêu cầu về dòng điện khởi động thường mâu thuẫn, vì khi yêu cầu dòng điện thấp sẽ dẫn đến momen khởi động giảm hoặc cần thiết bị phụ tải bổ sung.

15 đắt tiền Vì vậy căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp khởi động thích hợp

Với động cơ không đồng bộ hiện nay có các phương pháp sau

-Khởi động bằng phương pháp hạ điện áp đặt vào stator động cơ:

+ Phương pháp khởi động sử dụng cuộn kháng

+ Phương pháp khởi động sử dụng biến áp tự ngẫu

+ Phương pháp khởi động đổi nối Sao-Tam giác Phương pháp khởi động động cơ roto dây quấn

+ Khởi động bằng phương pháp tần số

1.3.2 Khởi động động cơ dị bộ

Khởi động là quá trình đƣa động cơ đang ở trạng thái nghỉ (đứng im) vào trạng thái làm việc quay với tốc độ định mức

Khởi động trực tiếp là phương pháp kết nối động cơ vào lưới điện mà không cần thiết bị phụ trợ Khi cấp điện áp định mức cho stato của động cơ dị bộ rotor lồng sóc hoặc động cơ dị bộ rotor dây quấn với cuộn dây rotor nối tắt, động cơ hoạt động ở chế độ ngắn mạch khi rotor chưa quay Dòng khởi động của động cơ rất lớn, có thể gấp từ 4 đến 8 lần dòng định mức Mặc dù dòng khởi động cao, mô men khởi động lại thấp do hệ số công suất cosω0 rất nhỏ.

(cos 0 = 0,1- 0,2), mặt khác khi khởi động, từ thông cũng bị giảm do điện áp giảm làm momen khởi động càng nhỏ

Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả sau:

- Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lƣợng toả ra ở máy nhiều (đặc biệt ở các máy có công suất lớn hoặc máy thường xuyên phải khởi động)

Vì thế trong sổ tay kỹ thuật sử dụng máy bao giờ cũng cho số lần khởi động tối đa, và điều kiện khởi động

- Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lưới điện lớn, gây trở ngại cho các phụ tải cùng làm việc với lưới điện

Khởi động trực tiếp chỉ phù hợp cho các động cơ có công suất nhỏ hơn so với nguồn cung cấp, và khi lực cản trên trục động cơ ở mức thấp Đối với các động cơ khởi động nặng, phương pháp này không được áp dụng.

 Khởi động dùng phương pháp giảm dòng khởi động

Dòng khởi động của động cơ xác định bằng biểu thức

Từ biểu thức này chúng ta thấy để giảm dòng khởi động ta có các phương pháp sau:

- Giảm điện áp nguồn cung cấp

- Đƣa thêm điện trở vào mạch rotor

- khởi động bằng thay đổi tần số

Để giảm điện áp khởi động, người ta thường áp dụng các phương pháp như sử dụng cuộn kháng, biến áp tự ngẫu và đổi nối sao-tam giác Tất cả các phương pháp này đều có đặc điểm chung là giảm dòng khởi động, đồng thời cũng làm giảm mô men khởi động.

 Khởi động bằng phương pháp tần số

Với sự phát triển của công nghệ điện tử, các bộ biến tần hiện nay có tính năng kỹ thuật cao và giá thành hợp lý, cho phép áp dụng phương pháp khởi động bằng tần số Phương pháp này hoạt động bằng cách cấp điện cho động cơ từ bộ biến tần tĩnh, bắt đầu với tần số và điện áp thấp Sau khi động cơ được kết nối, tần số và điện áp sẽ được tăng dần, giúp tốc độ động cơ tăng lên Khi tần số đạt giá trị định mức, tốc độ động cơ cũng đạt mức tối ưu Phương pháp khởi động này đảm bảo dòng khởi động không vượt quá giá trị định mức, giúp bảo vệ động cơ và tiết kiệm năng lượng.

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

1.4.1 Thống kê năng lƣợng của động cơ

Máy điện không đồng bộ có thể hoạt động như máy phát điện hoặc động cơ không đồng bộ Khi ở chế độ động cơ, nó nhận năng lượng điện từ lưới điện và chuyển đổi năng lượng này sang rotor thông qua từ trường quay Dòng năng lượng được thể hiện rõ ràng trong quá trình này.

Công suất nhận từ lưới điện: P 1 =m 1 U 1 I 1 cosφ 1 Ở stato, năng lƣợng bị mất một phần do tổn hao ở điện trở cuộn dây

( ∆ PCu1)và trong lõi thép ( ∆PFe1) Vậy công suất điện từ chuyển từ stato sang rotor nhƣ sau:

Tổn hao thép phụ thuộc vào tần số, trong đó tổn hao lõi thép phía rotor có thể bỏ qua khi làm việc ở tần số định mức f 2 = (1 - 3)Hz Công suất điện từ chuyển sang rotor tương ứng với công suất tác dụng sinh ra ở điện trở R 2.

Thành phần thứ nhất là tổn hao đồng ở cuộn dây rotor:

Phần công suất còn lại đƣợc chuyển sang công cơ học trên trục động cơ vậy:

Công suất cơ được chuyển đổi thành công suất hữu ích P2, trong khi đó, tổn hao cơ bao gồm các yếu tố như ma sát ổ bi, quạt gió và ma sát rotor với không khí Bên cạnh đó, còn có tổn hao phụ do sóng bậc cao và mạch từ có răng, với giá trị rất nhỏ (∆Pp ≈ 0,005P1).

Vậy công suất hữu ích tính nhƣ sau:

P2 = Pcơ - Pcơ - Pp Tổng tổn hao của động cơ có giá trị:

           Hiệu suất của động cơ:

Sơ đồ năng lƣợng của máy điện dị bộ biểu diễn trên hình

Hình 1.2 Sơ đồ năng lƣợng của động cơ di bộ

1.4.2 Moment quay (moment điện từ) của động cơ dị bộ

Công suất cơ học của máy điện không đồng bộ phụ thuộc vào tốc độ quay của rotor (tốc độ cơ): Pcơ = Mcơ

Do đó mô men điện từ của máy điện không đồng bộ có thể tính đƣợc bằng biểu thức: dt c

     trong đó : n - tốc độ của rotor tính bằng vòng phút ωtt - tốc độ góc quay của từ trường đo bằng rad/giây, p - số đôi cực Thay

Công suất cơ học của máy điện không đồng bộ phụ thuộc vào tốc độ quay

Biểu thức mô men điện từ của máy điện không đồng bộ còn có thể nhận đƣợc ở dạng khác nhƣ sau:

Thay vào một giá trị của I 2 " bằng biểu thức và lưu ý E 2 " cos  2 tính từ đồ thị véc tơ (hình trên) có giá trị:

Có dạng của mômen máy điện dòng một chiều, trong đó:

  chúng ta có cách khác để tính momen điện từ của máy điện không đồng bộ

Trước hết tính dòng I 2 " Ta dùng sơ đồ tương đương gần đúng

Theo sơ đồ ta có:

Thay vào (công thức trên) ta đƣợc:

20 Đây là biểu thức mô men điện từ của máy điện không đồng bộ, có giá trị đo bằng

1.4.3 Đặc tính cơ của động cơ dị bộ ba pha Đặc tính cơ đƣợc định nghĩa là mối quan hệ hàm giữa tốc độ quay và mô men điện từ của động cơ n= f(M) Để dựng được mối quan hệ này, trước hết ta nghiên cứu công thức là mối quan hệ M= f(s) và đƣợc gọi là đặc tính tốc độ của động cơ Từ biểu thức ta nhận thấy mối quan hệ giữa mô men và độ trƣợt là mối quan hệ phi tuyến Để khảo sát chúng ta hãy tìm cực trị Đầu tiên ta tính: dM 0 ds  Sau khi tính đạo hàm mô men rồi, cho bằng 0 ta tìm đƣợc độ trƣợt tới hạn có giá trị sau:

Độ trượt tới hạn, ký hiệu là sth, là giá trị mà tại đó xuất hiện mô men cực đại và cực tiểu Dấu “+” biểu thị cho chế độ động cơ, trong khi dấu “-” đại diện cho chế độ máy phát.

Thay Sth vào (công thức trên) ta có:

Dấu “+” cho chế độ động cơ, còn dấu trừ cho chế độ máy phát Để dựng đặc tính M = f(s) ta nhận thấy, khi s nhỏ thì R 1 R 2 X 1 X 2

 S  do đó có thể bỏ qua X1 +X2 ta có mối quan hệ tuyến tính, còn khi s lớn thì R 1 R 2 X 1 X 2

R  S  , ta đƣợc M=k/s nó là một hình hypecbol

21 Đường M = f(s) là đường 3 trên hình

Giữa M và độ trƣợt còn có thể biểu diễn bời biểu thức sau:

 Để dựng đặc tính tốc độ người ta thường dùng công thức này và có tên là công thức Kloss

Hệ số quá tải là tỷ số giữa mô men cực đại đối với mô men định mức : max qt dm

Hình 1.3 đặc tính M= f(s) khi U1= const, f 1 = const

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor Rf

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ

- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa

- Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

Phương pháp điều chỉnh tần số là một trong những cách hiệu quả nhất để điều chỉnh momen và tốc độ của động cơ, đạt chất lượng tương đương với việc thay đổi điện áp phần ứng trong động cơ điện một chiều Hiện nay, hệ thống truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ Bài viết này sẽ trình bày về phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ thông qua việc thay đổi tần số nguồn f1.

1.5.1 Điều chỉnh động cơ dị bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn

Nhƣ ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ theo công thức:

Mà ta lại có, tốc độ của rotor động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức:

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ, có thể thay đổi tần số nguồn f1 hoặc số đôi cực từ Tuy nhiên, số đôi cực từ không thể thay đổi sau khi động cơ đã được chế tạo, vì vậy chỉ có thể điều chỉnh tần số nguồn Khi tần số giảm, trở kháng của động cơ cũng giảm, dẫn đến dòng điện và từ thông tăng lên Nếu điện áp không giảm tương ứng, mạch từ có thể bị bão hòa, làm giảm hiệu suất hoạt động của động cơ Do đó, cần có một luật điều khiển để duy trì từ thông của động cơ ổn định, có thể là từ thông của stato, rotor, hoặc tổng mạch từ.

Momen động cơ tỉ lệ thuận với từ thông trong khe hở từ trường, vì vậy việc duy trì từ thông ổn định sẽ giúp đảm bảo momen cũng không thay đổi Một số luật điều khiển quan trọng có thể được liệt kê như sau:

- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const

- Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const

- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)

1.5.2 Phương pháp điều chỉnh U/f = const

Sức điện động của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều thức:

Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó:

Để duy trì từ thông không đổi, cần giữ tỷ số U1/f1 ổn định, theo phương pháp U/f = const Tỷ số này phải bằng tỷ số ở định mức Cần lưu ý rằng khi momen tải tăng, dòng điện của động cơ cũng tăng, dẫn đến sụt áp trên điện trở stato, làm giảm E1 và từ thông động cơ Điều này khiến động cơ không hoàn toàn hoạt động ở chế độ từ thông không đổi.

Ta có công thức tính momen cơ của động cơ nhƣ sau:

Khi hoạt động ở định mức:

2 dm dm dm dm dm

3 2 dm thdm dm dm dm

Ta có công thức sau :

Với f1 - là tần số làm việc của động cơ, f1dm - là tần số định mức Theo luật U/f const :

Phân tích tương tự, ta cũng thu được :

0 a 0 dm ; X 1 aX 1 dm ; X 2 aX 2 dm

Thay các giá trị trên vào ta thu đƣợc công thức tính momen và momen tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức:

Theo công thức đã nêu, các giá trị X1 và X'2 có sự phụ thuộc vào tần số, trong khi R1 giữ vai trò là hằng số Do đó, khi hoạt động ở tần số cao, giá trị của chúng sẽ thay đổi đáng kể.

Giá trị E trong hệ thống gần như không đổi do sụt áp trên R1 rất nhỏ, dẫn đến momen cực đại của động cơ cũng gần như không thay đổi.

Khi hoạt động ở tần số thấp, điện trở R1/a trở nên lớn so với tổng trở (X1 + X’2), dẫn đến sụt áp đáng kể trên điện trở stato khi momen tải cao Hiện tượng này làm giảm giá trị E, gây suy giảm từ thông momen cực đại Để khắc phục tình trạng suy giảm từ thông ở tần số thấp, cần cung cấp thêm cho động cơ điện một điện áp Uo, đảm bảo từ thông của động cơ đạt định mức khi f = 0.

U1 = Uo + Kf1, với K là hằng số được chọn để đảm bảo U1 cấp cho động cơ bằng U = Udm tại f = fdm Khi a > 1 (f > fdm), điện áp giữ nguyên ở mức định mức, khiến động cơ hoạt động trong chế độ suy giảm từ thông Dưới đây là đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f = const.

Hình 1.4 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const

Từ đồ thị ta có nhận xét sau:

+ Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

Vùng làm việc ổn định của động cơ đã được mở rộng, cho phép động cơ hoạt động từ 5% đến tốc độ định mức thay vì chỉ ở tốc độ định mức Momen tạo ra bởi động cơ có thể được duy trì trong khoảng vùng làm việc này.

Chúng ta có thể điều khiển động cơ vượt quá tần số định mức bằng cách tăng tần số, nhưng điện áp không thể vượt quá mức cho phép Kết quả là, khi tần số tăng, momen sẽ giảm Ở vùng trên vận tốc cơ bản, các yếu tố ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp hơn.

+ Việc tăng tốc giảm tốc có thể đƣợc thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian

1.5.3 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ

Sau khi phân tích và so sánh các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, tôi nhận thấy rằng phương pháp thay đổi tần số không chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ mà còn có khả năng điều chỉnh momen, mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa hoạt động của động cơ.

Phương án tối ưu nhất hiện nay cho các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ của các nhà sản xuất là đạt tốc độ 26 và chất lượng cao nhất.

Phương pháp đọc tốc độ động cơ dùng encoder

Encoder được sử dụng để quản lý vị trí góc của các thiết bị quay như bánh xe, trục động cơ hoặc bất kỳ thiết bị nào cần xác định vị trí góc chính xác.

Hình 1.5 encoder Những vấn đề cơ bản về encoder quay quang

Encoder là một loại cảm biến vị trí, cung cấp thông tin về góc quay dưới dạng số mà không cần bộ ADC Encoder quay quang, hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay, là một thiết bị quan trọng trong việc đo lường và kiểm soát chuyển động.

1.6.2 Cấu tạo cơ bản của 1 encoder quay quang

- Đĩa quay đƣợc xẻ rãnh gắn vào trục

- Một nguồn sáng và 1 tế bào quang điện bố trí thẳng hàng

Hình 1.6 Cấu tạo của encoder

- Encoder tuyệt đối (Absolute encoder): Mã nhị phân, mã gray, mã BCD

- Encoder tương đối (Incremental encoder): loại 1 kênh, 2 kênh 4 Ứng dụng của encoder quay

- Trong các bài toán đo tốc độ động cơ

- Xác định khoảng dịch chuyển của đối tƣợng thông qua xác định số vòng quay của trục

- Ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vƣc: Robot, máy công cụ,hàng không vũ trụ,

TÌM HIỂU CHUNG VỀ BIẾN TẦN, BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC HỆ THỐNG GIÁM SÁT WINCC

PHÂN LOẠI BIẾN TẦN

Biến tần thường được chia làm hai loại:

Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

Biến tần trực tiếp là thiết bị chuyển đổi tần số từ lưới điện xoay chiều mà không cần qua bộ chỉnh lưu một chiều Tần số đầu ra của biến tần này được điều chỉnh và thường nhỏ hơn tần số của lưới điện (f1 < fl) Hiện nay, loại biến tần này ít được sử dụng.

Hình 2.1 Sơ đồ bộ biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp, hay còn gọi là biến tần phụ thuộc, bao gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song ngược, cho phép tạo ra dòng xoay chiều trên tải Hình 2.1 minh họa bộ biến tần một pha, trong đó có 6 thyristor được chia thành 2 nhóm: nhóm katod chung (T1, T3, T5) và nhóm anod chung (T2, T4, T6) Nhóm katod chung tạo ra nửa chu kỳ điện áp dương, trong khi nhóm anod chung tạo ra nửa chu kỳ điện áp âm.

Hai nguyên tắc điều khiển các nhóm thyristor để tạo điện áp ra bao gồm điều khiển đồng thời Phương pháp này cho phép một nhóm thyristor hoạt động ở chế độ chỉnh lưu với góc mở α, trong khi nhóm còn lại hoạt động ở chế độ nghịch lưu với góc mở β Tuy nhiên, điều khiển đồng thời cũng có nhược điểm, đó là dòng cân bằng có thể chạy quẩn trong các pha của nguồn hoặc biến áp, dẫn đến dòng liên tục không ổn định.

Điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp được điều khiển riêng biệt cho từng nhóm thyristo, đảm bảo rằng khi một nhóm hoạt động, nhóm còn lại không hoạt động Để thực hiện phương pháp này, cần có bộ cảm biến dòng tại lối ra của các nhóm thyristo Hình 2.2 minh họa điện áp ra của bộ biến tần trực tiếp một pha.

Sơ đồ trên giúp giải thích mối quan hệ giữa f1 và f2 Một bộ chỉnh lưu toàn thyristo tạo ra điện áp ra ud là một đường cong với q đoạn sinus Đối với bộ chỉnh lưu 3 pha hình tia, q bằng 3, trong khi đó, với sơ đồ cầu, q bằng 6 Chỉ số chuyển mạch q thể hiện số lần dòng điện tải được chuyển từ thyristo này sang thyristo khác trong một chu kỳ điện áp nguồn Nếu ký hiệu N là số đoạn sinus trong nửa chu kỳ điện áp ra, ta có thể tính toán các giá trị liên quan.

Giới thiệu về PLC và modoul mở rộng EM- 235

PLC là chữ viết tắt của Programmable Logic Controller có nghĩa là bộ điều khiển logic lập trình đƣợc

PLC là thiết bị có cấu trúc máy tính bao gồm bộ xử lý trung tâm CPU, bộ nhớ ROM,RAM và các cổng vào ra INPUT/OUTPUT

Trong hệ thống điều khiển tự động hóa, PLC được coi là trái tim của toàn bộ quá trình Chương trình ứng dụng được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC, cho phép nó điều khiển trạng thái của hệ thống thông qua tín hiệu phản hồi từ đầu vào Dựa trên chương trình logic, PLC quyết định cách thức hoạt động và xuất tín hiệu đến các thiết bị đầu ra.

PLC có khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối với nhau và máy tính chủ qua mạng truyền thông, giúp điều khiển các quy trình phức tạp Việc này giảm thiểu công sức đấu nối dây trong thiết kế hệ thống, khi mà giá trị logic của nhiệm vụ điều khiển được thực hiện thông qua chương trình thay vì phải đấu nối dây.

 So sánh PLC với các thiết bị điều khiển khác

Hiện nay, hệ thống điều khiển bằng PLC đang ngày càng được ưa chuộng và thay thế cho hệ thống điều khiển truyền thống bằng relay và contactor Việc so sánh ưu nhược điểm của hai hệ thống này sẽ giúp hiểu rõ hơn về lợi ích và hạn chế của từng loại.

+ Hệ thống điều khiển thông thường:

- Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn trên bảng điều khiển

- Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế, lắp đặt

- Công suất tiêu thụ lớn

- Tốc độ hoạt động chậm

- Khó bảo quản và sửa chữa

- Mỗi lần muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời gian

+ Hệ thống điều khiển bằng PLC:

- Những dây kết nối trong hệ thống giảm đƣợc 80% nên nhỏ gọn hơn

- Công suất tiêu thụ ít hơn

- Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mền điều khiển bằng máy tính hay trên console

- Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn

Bảo trì và sửa chữa hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ vào khả năng điều chỉnh chương trình bên trong bộ PLC bởi người lập trình Việc giải quyết các vấn đề sản xuất có thể thực hiện ngay tại chỗ, với các trạng thái hoạt động được nhận diện thông qua công nghệ điều khiển chu trình trước đây Người lập trình có thể kết nối PLC với công nghệ điều khiển, đồng thời sử dụng các công cụ phần mềm để phát hiện lỗi phần cứng và phần mềm, từ đó giúp quá trình sửa chữa và theo dõi trở nên hiệu quả hơn.

- Độ bền và tin cậy vận hành cao

- Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng

- Có thiết bị chống nhiễu

Ngôn ngữ lập trình PLC rất dễ hiểu và phần mềm lập trình PLC cũng dễ sử dụng, cho phép người dùng không cần phải là chuyên gia Hệ thống này hoạt động hiệu quả với cả rơle tiếp điểm và không tiếp điểm, giúp thực hiện nhanh chóng các chức năng điều khiển Khác với máy tính, PLC được thiết kế chủ yếu để thực hiện các nhiệm vụ điều khiển mà không phải là công cụ để thực hiện chức năng đó.

Ngôn ngữ lập trình PLC được thiết kế dễ hiểu, không yêu cầu kiến thức chuyên môn sâu về PLC Điều này hỗ trợ hiệu quả trong việc sửa chữa và duy trì hệ thống PLC tại nơi làm việc.

- Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó

- Các modul dời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết

PLC nổi bật với nhiều ưu điểm so với các thiết bị điều khiển truyền thống, đặc biệt là khả năng thay đổi và thêm lệnh theo yêu cầu công nghệ Điều này cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh chương trình, thể hiện tính linh hoạt cao trong việc điều khiển.

Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số

Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D) Nó chuyển tín hiệu tươngtự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra Và ngược lại

Đầu vào của các module analog thường là tín hiệu điện áp hoặc dòng điện, trong khi các tín hiệu cần xử lý lại thường là tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng và khối lượng Do đó, cần có thiết bị trung gian để chuyển đổi các tín hiệu này thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện, gọi là đầu đo hoặc cảm biến Để thuận tiện, tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu công nghiệp, với hai loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.

Dòng điện tiêu chuẩn trong các thiết bị cảm biến thường là 4 – 20 mA, 0-20 mA hoặc ± 10 mA Tuy nhiên, tín hiệu từ các cảm biến thường không tuân theo chuẩn này, do đó cần sử dụng thiết bị chuyển đổi để đưa tín hiệu về chuẩn công nghiệp Việc kết hợp các đầu cảm biến với thiết bị chuyển đổi tạo thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh, thường được gọi là thiết bị cảm biến hoặc thiết bị đo và chuyển đổi đo (bộ transducer).

Tổng quan về WinCC

WinCC (Windows Control Center) là phần mềm IHMI đầu tiên tích hợp giao diện người máy, cho phép kết hợp điều khiển với quá trình tự động hóa Các thành phần dễ sử dụng của WinCC giúp tích hợp ứng dụng mới hoặc có sẵn một cách thuận lợi Đặc biệt, WinCC cho phép người dùng tạo giao diện điều khiển dễ dàng quan sát mọi hoạt động trong quá trình tự động hóa.

Phần mềm này hỗ trợ trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều loại PLC từ các hãng khác nhau như Siemens, Mitsubishi, Allen Bradley, và đặc biệt, nó tối ưu hóa khả năng truyền thông với PLC của Siemens.

WinCC có đặc điểm mở, cho phép người dùng dễ dàng tích hợp với phần mềm chuẩn và phần mềm tùy chỉnh, từ đó tạo ra giao diện người-máy chính xác với nhu cầu thực tế Các nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ dựa trên giao diện mở của WinCC, biến nó thành nền tảng để mở rộng hệ thống.

2.4.2 Các thành phần cơ bản trong một project của WinCC

- Computer:Quản lý tất cả các trạm vận hành (WorkStation) và trạm chủ (Server) nằm trong project

Khu vực này đảm nhận việc quản lý tất cả các kênh, mối quan hệ logic, cùng với các biến nội (Internal tag), biến ngoại (External tag), biến quá trình (tag process) và các nhóm tag (tag groups).

Các tag có thể được lưu trữ trong bộ nhớ PLC hoặc trên các thiết bị khác, và WinCC kết nối với PLC thông qua các tag này Để quản lý khối lượng lớn dữ liệu với nhiều biến, người dùng có thể nhóm các biến thành các nhóm thích hợp Nhóm biến là cấu trúc dưới sự kết nối PLC, cho phép tạo nhiều nhóm và nhiều biến trong mỗi nhóm.

Các biến nội (Internal) được tạo ra một cách dễ dàng và có thể được gán vào một PLC thực tế Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và giám sát quá trình hoạt động cũng như vận hành của hệ thống.

Các kiểu dữ liệu của biến:

- Binary Tag: Kiểu nhị phân

- Unsigned 8- bit value: Kiểu nguyên 8 bit không dấu

- Signed 8- bit value: Kiểu nguyên 8 bit có dấu

- Unsigned 16- bit value: Kiểu nguyên 16 bit không dấu

- Signed 16- bit value: Kiểu nguyên 16 bit có dấu

- Unsigned 32- bit value: Kiểu nguyên 32 bit không dấu

- Signed 32- bit value: Kiểu nguyên 32 bit có dấu

- Text Tag 8 bit character set: Kiểu ký tự 8 bit

- Text Tag 16 bit character set: Kiểu ký tự 16 bit

- Raw Data type: Kiểu dữ liệu thô

Chứa các loại dữ liệu đƣợc gán cho các tag và các kênh khác nhau

Hệ thống đồ họa (Graphics Designer) là một công cụ cho phép người dùng tạo ra hình ảnh từ đơn giản đến phức tạp thông qua việc cung cấp các đối tượng đồ họa và bảng màu Mỗi đối tượng đồ họa có thể được tùy chỉnh với các đặc tính động riêng, và người dùng có thể tạo ra hoặc lấy các đối tượng này trực tiếp từ thư viện của WinCC.

Bản các Action (Global Script) cho phép người dùng tạo ra các hành động cho các đối tượng, với trình soạn thảo hỗ trợ tạo hàm tương tự như C hoặc VB Những hành động này có thể được áp dụng trong một hoặc nhiều dự án, tùy thuộc vào mã code đã được phát triển.

Hệ thống thông báo (Alarm Logging) cho phép người dùng thu thập và lưu trữ kết quả của các quá trình, đồng thời chuẩn bị để hiển thị các thông báo một cách hiệu quả.

Lưu trữ các giá trị đo của quá trình, hay còn gọi là Tag Logging, là phương pháp quan trọng để thu thập dữ liệu từ các quy trình sản xuất Quá trình này không chỉ giúp chuẩn bị dữ liệu cho việc hiển thị mà còn đảm bảo lưu trữ hiệu quả Dữ liệu sẽ được định dạng phù hợp cho việc lưu trữ, và thời gian thu thập cũng như lưu trữ có thể được lựa chọn theo nhu cầu cụ thể.

Hệ thống báo cáo (Report Designer) là một công cụ tích hợp, cho phép tạo ra các báo cáo theo lịch trình hoặc dựa trên sự kiện, bao gồm thông báo, thao tác và dữ liệu lưu trữ Nó cung cấp cho người dùng khả năng tạo ra các dạng báo cáo đa dạng thông qua các công cụ đồ họa, giúp trực quan hóa thông tin một cách hiệu quả.

Tag và Nhóm Tag là các thành phần trung gian quan trọng trong việc truy cập giá trị quá trình Mỗi Tag trong một dự án có tên và loại dữ liệu duy nhất, được gán thông qua các mối quan hệ logic Những mối liên hệ này được xác định bởi kênh phân phối giá trị tới các Tag tại các điểm nối Tags trong WinCC được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của dự án, giúp quản lý và truy xuất thông tin hiệu quả.

37 khi chạy WinCC thì tất cả các Tag đều được tải vào và tương ứng với cấu trúc Runtime đƣợc dựng lên

Tag Groups được sử dụng để tổ chức các Tag thành phần cấu trúc trong dự án, giúp tăng cường sự rõ ràng Tất cả các Tag có thể được sắp xếp trong các nhóm Tag, nhằm cải thiện tính tổ chức của project WinCC Tags mô tả một dạng dữ liệu thành phần duy nhất và quy định các luật cho phép truy cập vào dữ liệu này.

Tag Logging có 2 loại hệ thống Timer khác nhau:

- Timer thu nhận: Là khoảng thời gian mà các giá trị đƣợc Tag Logging copy từ hình ảnh quá trình của bộ quản lí dữ liệu

- Timer lưu trữ: Là khoảng thời gian mà dữ liệu được nạp vào vùng lưu trữ

Bộ định thời lưu trữ luôn luôn là một số nguyên lần bộ định thời thu nhận được thiết lập

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Xác định hàm truyền của hệ thống

3.1.1 Hàm truyền đạt và đặc tính động học

Cho một hệ thống nhƣ hình vẽ:

Quan hệ của tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tuyến tính có thể đƣợc mô tả bằng phương trình vi phân hệ số hằng:

U b dt b d dt b d dt b d dt a a d dt a d dt a d m m m m m m n n n n n n

Trong đó: ai ( i  0 , n ), b j (j=0 , m ) là các thông số của hệ thống; a0 ≠ 0, b0 ≠ 0 n là bậc của hệ thống Giả sử điều kiện đầu bằng 0, biến đổi Laplace 2 vế ta đƣợc: Đặt:

Hàm truyền đạt H(s) của hệ thống được định nghĩa là tỷ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra và biến đổi Laplace của tín hiệu vào, với điều kiện đầu vào bằng 0.

3.1.2 Cách xác định hàm truyền đạt

Dựa vào hàm quá độ của đối tượng, có thể ước lượng gần đúng hàm truyền đạt của nó Đối tượng được phân thành hai loại chính: đối tượng tự cân bằng và đối tượng không tự cân bằng, do đó, thuật toán xác định hàm truyền đạt cho hai loại này cũng có sự khác biệt.

 Đối tƣợng có tính tự cân bằng

- Dạng tổng quát của hàm truyền

Dạng tổng quát hàm truyền của đối tƣợng có tính tự cân bằng đƣợc mô tả:

W d (s)= K d W 1 (s)e –τp Trong đó: K – hệ số truyền của đối tƣợng τ - Thời gian trễ

W 1 (s) là hàm truyền của thành phần tĩnh, bao gồm hai khâu mắc nối tiếp: khâu trễ với hàm truyền e – τs và khâu tĩnh với hàm truyền K.W1(s) Giá trị τ được gọi là trễ vận chuyển Trong thực tế, có thể xấp xỉ ba dạng: khâu bậc nhất có trễ, khâu quán tính bậc hai, và khâu bậc hai có trễ.

- Cách xác định hàm truyền Đối tƣợng có tính tự cân bằng có hàm truyền đạt dạng tổng quát:

W d (s)=K d W 1 (s) e –τs σ (t) là hàm so chuẩn: σ(t) k t h 1 ( ) có thể coi W1 (s) là một trong 3 dạng hàm truyền:

K e –τs +) Khâu bậc hai không dao động:

+) Khâu bậc hai có trễ:

Cách chọn dạng hàm truyền W 1 (s)

Hình 3.1 Xác định hàm truyền từ hàm quá độ

Dựa vào hàm quá độ của hàm h(t) để xác định:

Trên trục tung, ta lấy điểm 0,7 dóng ra cắt đồ thị tại điểm A,từ A hạ vuông góc xuống cắt trục hoành tại điểm t 7 Ta lấy t 3 7

3t 7 , dóng lên đồ thị, cắt tung độ tại điểm σ(t 3 ) Căn cứ vào giá trị của σ(t 3 ) ta sẽ xác định đƣợc dạng hàm truyền của

W 1 (p) theo các công thức thực nghiệm sau:

Nếu 0,31  σ(t 3 )  thì W 1 (p) có dạng (II)

Nếu0,19 < σ(t3) thì W1 (p) có dạng (III)

- Xác định tham số mô hình của đối tƣợng

Ta sử dụng phương pháp đồ thị hoặc phương pháp đồ thị giải tích để xác định tham số của mô hình (các tham số T,T1,T 2 ,τ)

- Trường hợp đối tượng có hàm truyền dạng (I): W 1 (s)1

Phương pháp đồ thị, hay còn gọi là phương pháp tiếp tuyến, giúp xác định hệ số khuyếch đại k bằng cách kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạng thái xác lập Tiếp theo, việc kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn, nơi đường cong có độ dốc lớn nhất, cho phép xác định thời gian trễ xấp xỉ τ thông qua giao điểm của tiếp tuyến với đường trục thời gian Cuối cùng, điểm tương ứng trên đường cong với giá trị 0,623 y∞ cho T + τ được xác định để hoàn thiện quá trình phân tích.

Hình 3.2 Phương pháp kẻ tiếp tuyến trên đồ thị đáp ứng

Phương pháp đồ thị giải tích là công cụ hữu hiệu giúp xác định các tham số một cách chính xác hơn, bằng cách kết hợp giữa đồ thị và giả tích.

Hình 3.3 Phương pháp xác định tham số bằng đồ thị giải tích

Trên đồ thị, hai điểm A và B được xác định với σ A = 0,283y ∞ và σ B = 0,623y ∞ Phương pháp này được minh họa rõ ràng trong hình 3.3, trong đó các tham số T và τ được ước lượng gần đúng theo công thức.

Đối tượng không có tính tự cân bằng là những đối tượng trong cấu trúc có thành phần tích phân, dẫn đến hàm quá độ của chúng tiến xa vô cùng Dạng tổng quát của hàm truyền đạt cho những đối tượng này không có tính tự cân bằng.

Trên thực tế hàm truyền dạt của đối tƣợng không có tính tự cân bằng đƣợc mô tả gần đúng bằng một trong bốn dạng sau:

1 e –τs +Quán tính tích phân có trễ:

Các thông số của đối tượng có thể được xác định gần đúng thông qua phương pháp đồ thị hoặc giải tích, đặc biệt là khi đối tượng có tính tự cân bằng.

3.1.3 Ứng dụng tìm hàm truyền cho hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ

Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ hoạt động dựa trên đầu vào là các xung và đầu ra là điện áp cần điều chỉnh Để thiết lập hàm truyền nhằm ổn định tốc độ động cơ, cần khảo sát phương trình vi phân mô tả mối quan hệ giữa năng lượng và điện áp, đây là một bài toán phức tạp nếu muốn đạt độ chính xác cao.

K: là hệ số tỷ lệ cho biết quan hệ vào ra ở chế độ xác lập T: là hệ số thể hiện quán tính của hệ thống

Mô hình hàm truyền cho thấy quá trình quá độ khi đầu vào là hàm bước nhảy có dạng hàm mũ chỉ là gần đúng Mặc dù hệ thống có bậc cao hơn, nhưng quá trình quá độ của hàm bước nhảy vẫn không xuất hiện độ vọt lố lớn.

Hình 3.4 Xác định hàm truyền của hệ thống

Theo Ziegler-Nichols thì mooht hệ thống như vậy có thể biêu diễn dưới dạng hàm truyền sau

T 1 : Thời gian trễ ( thời gian không nhạy của bộ điều chỉnh)

T 2 : Thời gian quán tính của bộ điều chỉnh

- Các hằng số thời gian đƣợc tính trên đồ thị

Triển khai Taylor của e -T1s ta đƣợc:

Để xác định hàm truyền cho động cơ, cần thực hiện thử nghiệm bằng cách cho động cơ chạy trong 1 phút và ghi lại sự biến đổi của tốc độ theo thời gian.

Bảng 3.1 tốc độ động cơ sau 1 phút hoạt động t[s] 0 3 6 10 20 30 40 50 60 r/min 0 30 60 202 400 650 1000 1340 1340 Áp dụng phương pháp đồ thị để xác định hàm truyền đạt cho hệ thống như sau:

Thiết kế, chỉnh định tham số cho các bộ điều khiển

3.2.1 Tìm hiểu về một số bộ điều khiển thường dùng đối với tốc độ động cơ

 Bộ điều khiển ON/OF

Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ đƣợc thể hiện qua hình sau:

Phương pháp điều khiển động cơ ON-OFF, hay còn gọi là phương pháp đóng ngắt, sử dụng khâu relay có độ trễ Cụ thể, cơ cấu chấp hành sẽ cung cấp điện áp tối đa cho động cơ khi tốc độ đặt w(k) lớn hơn tốc độ đo y(k) Ngược lại, nếu tốc độ đặt nhỏ hơn tốc độ đo, mạch điều khiển sẽ giảm điện áp.

Vùng trễ được thiết lập nhằm hạn chế tần số đóng ngắt, trong đó nguồn chỉ tăng khi sai số e(k) lớn hơn ∆ và giảm khi e(k) nhỏ hơn -∆ Điều này dẫn đến tốc độ đo y(k) dao động quanh giá trị đặt w(k), với 2∆ được gọi là vùng trễ của rơ le.

Khâu rơ le có trễ, hay còn gọi là mạch so sánh Smith, sử dụng giá trị thềm ∆ trong mạch điện tử Hệ thống điều khiển ON-OFF mang lại nhiều ưu điểm như độ tin cậy cao, thiết kế đơn giản và chắc chắn, khả năng hoạt động ổn định với mọi loại tải, đồng thời việc tính toán thiết kế không quá phức tạp và dễ dàng trong việc cân chỉnh.

Một nhược điểm của hệ thống là sai số xác lập lớn do cân bằng động quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải Tuy nhiên, khuyết điểm này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng phần tử đóng ngắt điện tử trong mạch công suất để giảm vùng trễ.

PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích – vi phân (Proportional-Integral-Derivative)

Bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tƣợng SISO theo nguyên tắc sai lệch:

Hình 3.6 Bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai trò của khâu P)

Nếu e(t) chƣa bằng không thì thông qua thành phần tích phân, PID vẫ tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I)

Nếu e(t) thay đổi lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp x(t) càng nhanh (vai trò của khâu D)

Bộ điều khiển PID đƣợc mô tả bởi hàm truyền đạt sau:

  T p  k p là hệ số khuyếch đại

Trong đó các thông số điều chỉnh là: Độ lợi tỉ lệ, K p

Giá trị lớn dẫn đến phản ứng nhanh chóng, tuy nhiên cũng làm tăng sai số và yêu cầu bù khâu tỷ lệ lớn hơn Nếu độ lợi tỷ lệ quá cao, hệ thống có thể trở nên không ổn định và gây ra dao động Độ lợi tích phân, K i, cũng cần được xem xét trong bối cảnh này.

Giá trị lớn dẫn đến sai số ổn định bị khử nhanh chóng, nhưng đồng thời cũng tạo ra độ vọt lố lớn Mọi sai số âm trong quá trình đáp ứng quá độ cần được triệt tiêu bởi sai số dương trước khi đạt trạng thái ổn định Điều này liên quan đến độ lợi vi phân, K d.

Giá trị lớn giúp giảm thiểu độ vọt lố, nhưng lại làm chậm quá trình đáp ứng và có thể gây ra sự mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.

Bộ điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điều khiển nhiệt độ, tốc độ động cơ và mức chất lỏng trong bồn chứa Với khả năng giảm thiểu sai số, tăng tốc độ đáp ứng và hạn chế độ vọt lố khi các thông số được lựa chọn hợp lý, bộ điều khiển PID trở thành lựa chọn phổ biến Nhiều nhà sản xuất đã phát triển các bộ điều khiển PID thương mại tiện dụng Tuy nhiên, các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID như QĐNS, biểu đồ Bode hay phương pháp giải tích ít được sử dụng do khó khăn trong việc xây dựng hàm truyền Phương pháp Zeigler-Nichols hiện nay là cách phổ biến nhất để chọn thông số cho các bộ điều khiển PID thương mại.

3.2.2 Thiết kế một số bộ điều khiển cho động cơ

 Thiết Kế Bộ Điều Khiển ON/OF

Ta thiết lập sơ đồ điều khiển trên simulink nhƣ hình sau

Hình 3.7 Sơ đồ điều khiển ON/OFF trên simulink

+ động cơ đƣợc biểu diễn bằng khâu bậc 1 có trễ

+ Đầu vào U=Ud (Ud=4V) ở đây tín hiệu điện áp đắt nhận dải từ 0v – 10v ứng với dải đầu vào của Modul analog

+ Tín hiệu ra lấy ở Scope

+ Relay là khâu Rơle có trễ

+ Khối Gain dùng để khuếch đại tín hiệu sau khi qua Relay để ta quan sát cho rõ

Ta điền giá trị vùng trễ (Switch on/Switch off) là 0.1/-0,1 Sau khi chay Simulink ta sẽ đƣợc đáp ứng đầu ra nhƣ sau

Hình 3.8 Đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển on/off Nhìn vào đồ thị đáp ứng ta thấy độ quá điều chỉnh

U%=(4.34)/4*100=7,5