Luận văn Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi không có vòng điều khiển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2 trường hợp potx

Luận văn
Xây dựng bộ điều khiển tốc độ
động cơ một chiều khi có vòng
điều khiển dòng và khi không có
vòng điều khiển dòng. Đánh giá
chất lượng điều khiển trong 2
trường hợp
1
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các
ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện 1
chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, các nhà
máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay robot ; để thực
hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp
trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ.
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và
bền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) được dùng phổ
biến trong các hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu của điều khiển là nâng cao
chất lượng các hệ thống điều khiển tự động.Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều
đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau.
Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ
truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí
thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền
động điện và trong các dây chuyền sản xuất.
Trong học kì này em đã nhận được đề tài :“Xây dựng bộ điều
khiển tốc độ động cơ một chiều khi có vòng điều khiển dòng và khi
không có vòng điều khiển dòng. Đánh giá chất lượng điều khiển trong 2
trường hợp”.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy
Trần Tiến Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã
dành nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em

mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Giang
2
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều
Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ
thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều
từ vài W đến MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng
yêu cầu momen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều
cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ
rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ.
1.1.1 Nguyên lí cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có stator , rotor, cổ góp và chổi điện.
Stator ( phần cảm ) :gồm các cuộc dây được quấn tập trung trên các cực
từ của rotor. Các cực từ của stator được ghép cách điện với các lá thép kỹ
thuật điện được dập hình sẵn có bề dày từ 0.5 đến 1mm và được gắn trên
gông từ làm bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy.
Rotor ( phần ứng ) : gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép phần
ứng được ghép từ các là thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau.Dây quấn
phần ứng gồm nhiều phần tử được đặt vào cách rãnh trên lõi thép rotor.Các
phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ
góp.Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor.
3
Hình 1.1: Mặt cắt ngang trục máy động cơ điện một chiều
Cổ gớp và chổi điện : làm nhiện vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn
phần ứng.
1.1.2 Phân loại động cơ điện một chiều
Dựa vàohình thức kích từ người ta chia động cơ điện một chiều thành các
loại sau:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập :Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn
riêng biệt so với phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ song song : Dây quấn kích từ được nối song
song với mạch phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp : Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp
với mạch phần ứng.
 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp : Dây quấn kích từ có hai cuộn dây,
dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp.
1.1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện
khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn
giản, dễ chế tạo. Dó đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có
yêu cầu chất lượng điều chỉnh tốc độ cao , phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng,
người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều.
4
Hình 1.2 : Các loại động cơ điện một chiều
a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b) Động cơ điện một chiều kích từ song song
c) Động cơ điện một chiều nối tiếp
d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
e)
Có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều cơ bản
như :
- Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng
- Thay đổi từ thông
- Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc
độ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong phạm vi
đồ án này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.

1.2 Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.2.1 Mô tả chung.
Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện 1 chiều được biểu diễn như sau:
Trong đó:
+ CKĐ: dây quấn kích từ độc lập
+ CKN: dây quấn kích từ nối tiếp
+ CB: dây quấn bù
+ CF: dây quấn cực từ phụ
+ UK : điện áp kích thích
+ U: điện áp phần ứng
+ N, p’,a, Lư, Rư :số thanh dẫn td, số đôi cực, số đôi mạch nhánh, hệ số tự
cảm, điện trở phần ứng.
5
Hình 1.3: Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều
+ R
K
, L
K :
điện trở và điện cảm cuộn kích từ độc lập
+ i
K
: dòng điện phần kích từ.
+ I : dòng điện phần ứng.
+ ω , M, MC là tốc độ góc, mômen điện từ và mômen cản của động cơ
1.2.2 Chế độ xác lập của động cơ 1
chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một
điện áp UK nào đó, thì trong dây quấn kích
từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của
máy sẽ có từ thông Φ . Tiếp đó lại đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì

trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện
phần ứng và từ thôngmạch kích từ sẽ tạo ra mômen điện từ có giá trị:
'.
.
2 .
p N
M I k I
a
π
= Φ = Φ
Trong đó :
p’ _ số đôi cực của động cơ;
N _ số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ ;
a _ số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng ;
k = p’N/2
π
a hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục. Các dây quấn phần ứng
quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức từ động :
'.
.
2 .
p N
E k
a
ω ω
π
= Φ = Φ
Trong đó
ω

_ tốc độ góc của roto.
Trong chế độ xác lập ta có phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
U = I.R
ư
+ E
Trong đó : E = kΦω _ sức điện động.
6
Hình 1.4: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
(1.1)
(1.2)
R
ư
: điện trở mạch phần ứng của động cơ.
=>
u
IRU
k
ω
−
=
Φ
1.2.3 Chế độ quá độ của động cơ 1 chiều
a) Mô tả chung.
Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương
trình mô tả sơ đồ thay thế hình 1 như sau :
- Mạch kích từ có 2 biến :
+ i
k
_ dòng điện kích từ.
+

Φ
_ từ thông máy phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa
của lõi sắt.
( ) ( )
. .
k t k k t k
d
U R i N
dt
φ
= +
Nk: số vòng dây cuộn kích từ
Rk: điện trở cuộn dây kích từ
⇒ biến đổi Laplap ta được :
- Mạch phần ứng :
N
N
: số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
=>
Hoặc dạng dòng điện:
L
ư
_ điện cảm mạch phần ứng ;
N
N
_ số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
T
ư
= L
ư

/R
ư _
hằng số thời gian mạch phần ứng
- Phương trình chuyển động của hệ thống :
M(p) – M
c
(p) = Jp
ω
Trong đó J là momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục
động cơ.
7
(1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một
chiều như sau :
Sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô
hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.
Chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hóa đoạn đăc tính từ hóa và đặ
tính mômen tải như sau :
8
Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều
Hình 1.6: Tuyến tính hóa đặc tính từ hóa Tuyến tính hóa đặc tính tải
Độ dốc của đặc tính từ hóa và đặc tính cơ momen tải tương ứng là :
0,K ko
k
k I
I
∆Φ

= Φ
∆
,
c
cb B
M
B M
ω
ω
∆
=
∆
Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0; dòng phần ứng I0, tốc
độ
B
ω
,điện áp kích từ U
ko
, từ thông Φ
o
dòng kích từ I
ko
và mômen tải M
cb
. Biến
thiên nhỏ của đại lượng trên tương ứng là:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
, , , , , ,
P P P K P K P P c P
U I U I M

ω
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆Φ ∆
* Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập thì NN = 0 =>các phương trình
sau:
- Mạch phần ứng :
Từ PT :
( ) ( )
di
U t RI t L e
dt
= + +
Ta có :
- Mạch kích từ :
( ) ( ) ( )
ko k ko k ko
k P k P k P
U U R I I PL I I
   
+ ∆ = + ∆ + + ∆
   
- Phương trình chuyển động cơ học :
Từ các phương trình trên nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các
phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số:
-> phần ứng :
9
(1.7)
(1.8)
(1.9)
( ) ( ) ( )
. . . .

B O
U p K p K p
ω ω
 
∆ − ∆Φ + Φ ∆
 
=R
ư
.∆I(p).(1+pT
ư
)
-> phần kích từ :
∆U
k
(p) = R
k
.∆I
k
(p)(1+pT
k
)
-> phương trình chuyển động cơ học :
K.I
o
.∆Φ(p) +K.Φ
o
.∆I(p) - ∆M
c
(p) = J.p∆ω(p)
b) Trường hợp từ thông kích từ không đổi.

Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích
thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số :
Ta có các phương trình cho động cơ như sau :
KΦ = const = C
u
-> phần ứng :
U(p) = R
ư
I(p)(1 + pT
ư
) + C
u
.ω(p)
-> phương trình động học :
C
u
.I(p) – M
c
(p) = Jpω(p)
10
(1.10)
(1.11)
Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa động cơ điện một chiều
(1.12)
(1.13)
Nhận thấy rằng các quan hệ của động cơ một chiều với từ thông không
đổi đều tuyến tính hay mô hình động cơ một chiều khi = const là mô hình tuyến
tính. Từ mô hình này hoặc từ các phương trình mô tả động cơ ta có thể biến đổi
để tìm được các mô hình rút gọn với đầu ra là dòng điện hay tốc độ theo giá trị
đầu vào là U

u
và M
c
.
CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1 Khái quát về bộ điều khiển PID
Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có 3 thành phần là khâu khuếch đại
(P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID phải
11
Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
nhất thiết lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số cho
các chế độ đã chọn. Một cách tổng quát, có 3 thuật toán được sử dụng là P, PI và
PID.
Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng
rộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp ( hỉnh
2.2 ). Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình
quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng :
- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần , tín hiệu điều
chỉnh u(t) càng lớn.
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần
( )
I
u t
, PID vẫn còn
tạo tín hiệu điều chỉnh.
- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần
( )
D
u t

,
phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào – ra :
( ) ( ) ( )
( )
0
1
( )
t
p D
I
de t
u t k e t e t d t T
T dt
 
= + +
 
 
∫
Trong đó : e(t) : tín hiệu đầu vào
12
Hình 2.1: Cấu trúc bộ điều khiển
PID
Hình 2.2: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID
(2.1)
u(t) : tín hiệu đầu ra
p
k
: hệ số khuếch đại
I

T
: hằng số tích phân
D
T
: hằng số vi phân
Từ mô hình vào – ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID :
( )
1
1
p D
I
R s k T s
T s
 
= + +
 ÷
 
2.2 Giới thiệu cấu trúc điều khiển
- Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng
Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền
động điện tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điều
chỉnh dòng điện,
R
ω
là bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều
chỉnh riêng được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng
Đểth
ựchiệnhailoạiphảnhồiâmlàtốcđộquay vàdòngđiệngây tácdụng
riêngrẽ,tronghệthốngbốtríhaibộđiềuchỉnh,mộtdùngchotốcđộquay vàmột
dùngchodòngđiện.Haibộnày ghépnốitiếpnhautứclàlấy đầuracủabộđiều

chỉnhtốcđộquayđể làmđầuvàocủabộđiềuchỉnhdòngđiện,sau đóđầura củabộ
điềuchỉnhdòngđiệnđikhốngchếthiếtbịphátxungcủabộchỉnhlưubándẫn
Thyristo.
13
(2.2)
I
d
dt
FX
-
BD
FT
Đ
ω
+
-
I
R
ω
ph
ω
sp
ω
R
ω
Isp
-Iph
GHD
Trong đó
R

ω
làbộđiềuchỉnhtốcđộquay
R
I
làbộđiềuchỉnhdòngđiện
FX-thiếtbị phátxung
FT- máyphátxungđotốcđộ
CL – chỉnh lưu
GHD – khâu giới hạn dòng
d
dt
- khâu giới hạn tốc độ tăng của tín hiệu
sp
ω
- Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng điều
khiển dòng
14
CL
Hình 2.3: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ
khi có mạch vòng điều khiển dòng
ω
ω
FT
Đ
ph
ω
d
dt
sp
ω

R
ω
2.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện
2.3.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng
Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thì
mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của
mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là
trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn có
chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc v.v
Một phương án đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện là dùng bộ điều chỉnh
tốc độ hoặc điện áp R có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện
phi tuyến R. Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến để ra vùng kém
nhạy thì bộ điều chỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ ( hay điện áp ) mà
không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện. Khi dòng điện đủ lớn, khâu
15
Hình 2.4: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ
khikhông có mạch vòng điều khiển dòng
I
R
BBĐ
Động cơ
-
Đo I
P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng hạn chế dòng
của bộ điều chỉnh R.
Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền
động điện tự động điện là sử dụng 2 vòng phân cấp, trong đó RI là bộ điều chỉnh
dòng điện,
R
ω

là bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng
được tổng hợp từ đối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng.
• Cấu trúc cơ bản của mạch điều khiển dòng
Mạch vòng điều khiển dòng có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện động cơ 1
chiều. Nó cũng hạn chế dòng của động cơ khi không vượt qua ngưỡng cho
phép Một mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là tiết lập dòng phần ứng bằng
giá trị đặt trước các sự thay đổi của nhiễu.
Đối với động cơ 1 chiều bộ điều khiển dòng có thể được tổng hợp theo 2
cách :
+ Tổng hợp bộ điều khiển RI khi bỏ qua sức điện động phần ứng.
+ Tổng hợp bộ điều khiển RI khi có tính đến sức điện động phần ứng.
Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so với
quán tính phần điện nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xem sự thay đổi của dòng
điện lớn hơn nhiều lần so với sự thay đỏi của tốc độ và tại những điểm đó xem
như tốc độ không đổi.
Khi cần điều khiển chính xác thì cần tính đến sức điện động của động cơ.
2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển dòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động
của động cơ
16
Hình 2.5: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện
I
R
(1 )(1 )
cl
v cl
k
T p T p+ +
1/
1
u

u
R
T p+
-
1
bd
bd
k
T p+
ph
I
R
-
I
R
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như hình sau :
Trong đó
T
cl,
T
v,
T
ư,
T
bd
- các hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển
mạch chỉnh lưu, phần ứng, biến dòng.
R
ư
- điện trở mạch phần ứng.

Để tổng hợp bộ RI ta đưa về mô hình dạng chuẩn :
Trong đó
I
S
làm mô hình đối tượng của bộ điều khiển dòng
1/
. .
1 (1 )(1 ) 1
u cl bd
I
u cl v bd
R k k
S
T p T p T p T p
=
+ + + +
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có bộ điều khiển dòng
I
R
1
.2 (1 )
I
R
S p p
τ τ
=
+
Ta thấy trong mô hình đối tượng
I
S

, các hằng số thời gianT
cl
, T
v
, T
bd
là rất
nhỏ so với thời gian điện từ T
ư
. Đặt T
SI
= T
cl
+ T
v
+ T
bd
thì có thể viết lại (2.1) ở
dạng gần đúng như sau :
17
Hình 2.6: Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện
Hình 2.7: Sơ đồ khối rút gọn mạch vòng dòng điện
(2.3)
ω
Cu
Cu
.
1
.
(1 )(1 )

bd cl
I
u u SI
k k
S
R T p T p
≈
+ +
Thay giá trị của
I
S
ta được
1
.
2 (1 )
.
(1 )(1 )
I
cl bd
u u SI
R
k k
p p
R T p T p
τ τ
=
+
+ +
Chọn
SI

T
τ
=
1 1
.
. 2 (1 )
. .2
.
(1 )(1 )
u
I u
cl bd SI SI
bd cl SI
u u SI
R
R T
k k T p T p
k k T p
R T p T p
 
= = +
 ÷
+
 
+ +
Vậy bộ điều khiển dòng tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu là 1 bộ điều
khiển PI. Theo tiêu chuẩn này hàm truyền kín của mạch vòng có dạng :
2 2
1/
1 2 . 2 .

u bd
sp SI SI
I k
I T p T p
=
+ +
2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với
vòng trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ. Tuy
nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chất
lượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện.
2.4.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển
dòng :
Cấu trúc này khi triển khai cho động cơ 1 chiều có mô hình như sau:
18
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
-
R
1/
1 2
bd
SI
k
T p+
Đo
-
Mc

1
.J p
Khi tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta sẽ được
hàm truyền của mạch vòng như sau :
2 2
1/
1 2 . 2 .
u bd
sp SI SI
I k
I T p T p
=
+ +
Do
SI
T
là giá trị nhỏ nên có thẻ lấy xấp xỉ hàm truyền kín của mạch vòng
1/
1 2 .
bd
I
SI
k
F
T p
≈
+
Khi đó sơ đồ điều khiển có thể rút gọn lại :
Như vậy đối tượng cho bộ điều khiển tốc độ có thể tính được :
1/

1
. . .
1 2 . 1 .
ft
bd
SI ft
k
k
S Cu
T p T p J p
ω
=
+ +
với hàm truyền khâu đo có dạng
1
ft
ft
k
T p+
xấp xỉ hàm truyền đối tượng
S
ω
ta được :
.
1
.
. (1 2 )
ft
bd S
k Cu

S
k J p T p
ω
ω
=
+
19
Hình 2.8: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi có mạch vòng điều khiển dòng
(2.8)
(2.9)
Hình 2.9: Sơ đồ rút gọn mạch vòng điều chỉnh tốc độ
(2.10)
(2.11)
với
2 2
SI ft
T T T
ω
= +
sp
ω
 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 khâu P
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có
1
.2 .(1 )
R
S p p
ω
ω
τ τ

=
+
ft
w
1
.
1
. .2 .(1 )
. (1 2 . )
bd s
Cu k
p p
J k p T p
τ τ
=
+
+
Chọn
2
s
T
ω
τ
=

.
. .4
bd
ft S
J k

R
Cu K T
ω
ω
=
 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 bộ PI
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng ta có
2 2
1 4
.8 .(1 )
p
R
S p p
ω
ω
τ
τ τ
+
=
+
2 2
bd
1 4
.
1
. .8 .(1 )
J.K (1 2 )
ft
S
p

Cu K
p p
p T p
ω
τ
τ τ
+
=
+
+
Chọn
2
S
T
ω
τ
=
2 2
(1 8 ). . .
1
8
. .32. . . .32.
S bd bd
S
ft S ft S
T p J K J K
R T
Cu K T p Cu K T p
ω
ω ω

ω ω
 
+
=> = = +
 ÷
 
2.4.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng điều
khiển dòng :
Sơ đồ cấu trúc:
20
(2.12)
(2.13)
Cu
Như vậy đối tượng cho bộ điều khiển tốc độ có thể tính được
1
. .
1 .
ft
ft
k
S Cu
T p J p
ω
=
+
với hàm truyền khâu đo có dạng
1
ft
ft
k

T p
+
 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 khâu P
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có
1
.2 .(1 )
R
S p p
ω
ω
τ τ
=
+
1
1
. . .2 .(1 )
1 .
ft
ft
k
Cu p p
T p J p
τ τ
=
+
+
Chọn
ft
T
τ

=
1
1
2. . .
. . .2 .(1 )
1 .
ft
ft ft
ft ft
ft
J
R
k
Cu k T
Cu T p T p
T p J p
ω
= =
+
+
 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ là 1 bộ PI
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng ta có
2 2
1 4
.8 .(1 )
p
R
S p p
ω
ω

τ
τ τ
+
=
+
2 2
1 4
1
. . .8 .(1 )
1 .
ft
ft
p
k
Cu p p
T p J p
τ
τ τ
+
=
+
+
Chọn
T
ω
τ
=
21
Hình 2.9: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ
khi không có mạch vòng điều khiển dòng

(2.14)
2 2
(1 4 ).
1
4
8. . . . 8. . .
ft
ft
ft ft ft ft
T p J
J
R T
Cu K T p Cu K T p
ω
+
 
=> = = +
 ÷
 
CHƯƠNG 3 : TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK
3.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển tốc độ
 Cho tham số của động cơ như sau:
Động cơ Л-11
- Công suất định mức : P
đm
=0.7 [kW]
- Điện áp định mức : U
đm
= 220 [V]

- Dòng điện định mức : I
đm
= 4.3 [A]
- Tốc độ định mức : n
đm
= 3000 [v/p]
- Điện trở phần ứng : R
ư
= 5.340 [Ω]
- Điện cảm phần ứng : L
ư
= 0.0972 [H]
- Mô men quán tính : J= 0.012 [kg.m
2
]
 Tính toán các giá trị của bộ điều khiển
- Bộ chỉnh lưu :
Hàm truyền đạt của khâu chỉnh lưu cầu 3 pha :
( )
cl
W
1
cl
cl
K
p
T p
=
+
trong đó :

220
22
10 10
udm
cl
U
K = = =
: là hệ số khuếch đại của khâu chỉnh lưu.
T
cl
= 0.002
- Máy phát tốc :
Hàm truyền đạt của máy phát tốc :
( )
ft
W
1
ft
ft
K
p
T p
=
+
Trong đó
1
ft
K =
Tft = 0.004 là hằng số thời gian của máy phát tốc.
22

l
à hệ số khuếch đại của máy phát tốc
- Biến dòng :
Hàm truyền đạt của biến dòng :
( )
bd
W
1
bd
bd
K
p
T p
=
+
trong đó :
1
bd
K =
: là hệ số khuếch đại của biến dòng.
Tbd = 0.001 là hằng số thời gian của cảm biến dòng.
Ta có :
0.0972
0.018
5.340
u
u
u
L
T

R
= = =
- Tốc độ định mức :
dm
2 2.3,14.3000
314
60 60
n
π
ω
= = =
- Tính Cu :
.
220 4,3.5.34
0,63
314
dm dm u
dm
U I R
Cu
ω
−
−
= = =
- Tính momen định mức
dm
0,7.1000
2,3
314
dm

dm
P
M
ω
= = ≈
- Ta có bộ điều khiển dòng có dạng như sau
1
1
I P
I
R K
T p
 
= +
 ÷
 
Trong đó : T
I
= T
U
= 0.018, T
SI
= T
v
+ T
bd
+ T
cl
= 0,004
0,018

0,55
. 1.22
2. .0,004
2
5,340
I
P
bd cl
SI
u
T
K
K K
T
R
= = =
Vậy hàm truyền của bộ điều khiển mạch vòng dòng điện là :
1 1
1 0,55 1
0,018
I P
I
R K
T p p
 
 
= + = +
 ÷
 ÷
 

 
23
- Tính bộ điều khiển tốc độ ( theo phương pháp modul tối ưu ) :
 Khi có mạch vòng dòng điện :
Ta có bộ điều khiển tốc độ có dạng như sau
.
0,012.1
0,79
4. . . 4.1.0,63.0,006
bd
ft S
J K
R
K Cu T
ω
ω
= = =
Trong đó :
2
2.0,004 0,004
0,006
2 2
SI ft
S
T T
T
ω
+
+
= = =


Khi không có mạch vòng dòng điện :
0,012
2,38
2. . . 2.0,63.1.0,004
ft ft
J
R
Cu k T
ω
= = =
3.2 Mô phỏng trên Simulink và kết quả mô phỏng
3.2.1 Mô phỏng động cơ điện 1 chiều
- Sơ đồ mô phỏng:
XY Graph
Sum 1
Step
Mc
0
Cu1
0.63
Cu
0.63
1/Jp
1
0.012 s
(1/Ru)/(1+Tup )
0.18
0.018 s+1
Với giá trị của U nhảy từ 50 lên 100 vào giây thứ 10

24
Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng động cơ điện một chiều
- Kết quả mô phỏng
Khi Mc = 0
Khi Mc = 2
25
Hình 3.2: Cài đặt thông số cho Step
Hình 3.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi Mc = 0