Xây dựng bộ điều khiển vị trí của động cơ một chiều kích từ độc lập có bù lượng điều khiển để nâng cao chất lượng

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.Khái quát về động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo
giống nhau. Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần
tĩnh) và phần ứng (phần quay).
1.1.1. Phần cảm (stator)
- Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa
là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng điện chạy
trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên
nhau.

Hình 1.1: Cực từ chính
- Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ các bulông.Là bộ phận sinh ra từ
trường,gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.Lõi sắt
cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5 đến 1 mm ép lại
và tán chặt.Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối.
- Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện ,có thể gồm
cuộn kích từ nối tiếp hoặc kích từ song song.
- Cực từ phụ : lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối. Cực từ
phụ được đặt lên các cực từ chính và dùng để cải thiện quá trình đảo chiều.Có
thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ.Sau khi điều chỉnh
xong thì dùng vít cố định lại.

1


- Vỏ máy : để đảm bảo an toàn cho người khỏi chạm vào điện.Làm nhiệm
vụ bảo vệ máy.Phía cổ góp thì nắp có các cửa sổ cúp xuống để thông gió và
tránh nước bắn vào. Có thể mở cửa sổ này để quan sát tia lửa điện trên cổ góp.
- Cơ cấu chổi than :để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài.Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ

góp.Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi
trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ
chính.
- Gông từ : dùng làm mạch từ nối liền các cực từ ,đồng thời làm vỏ máy
1.1.2.Phần ứng ( Rotor)
- Phần ứng của máy điện một chiều còn gọi là rôtor, gồm lõi thép, dây quấn
phần ứng, cổ góp và trục máy.

Hình1. 2: Lá thép rotor
- Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5
mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh
để đặt dây quấn phần ứng (hình 2).
- Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các
rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây quấn là
một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp của
vành góp (hình 3a). hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai
cực từ khác tên (hình 3b).

2


Hình 1.3: Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều
a

Phần tử dây quấn; b) Bố trí phần tử dây quấn

- Cổ góp ( vành góp) :Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng
một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau bằng lớp
mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trục tròn.
- Ngoài ra còn bộ phận khác như cánh quạt ,trục máy …

1.1.3 Nguyên lý làm việc
- Trên hình 4 : khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong
dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm
trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng
lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay
trái (hình 1.4a).

Hình 1.4: Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình
1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi
thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác
dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.
3


1.1.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
- Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ
phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.
Ta mắc động cơ theo 2 cách sau :
a.Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ
được mắc song song với mạch phần ứng

Hình1.5a: Mạch kích từ mắc song song mạch phần ứng
b. Nếu nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì nguồn kích từ phải
độc lập với nguồn phần ứng.

Hình1.5b : Mạch kích từ mắc độc lập mạch phần ứng
- Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng :
Uư = Eư + ( Rư + Rf ).Iư

(1)

Trong đó :
Uư –Là điện áp phần ứng (V)
Eư –Là sức điện động phần ứng (V)
Ω

Rư –Là điện trở của mạch phần ứng ( )
4


Ω

Rf –Là điện trở phụ trong mạch phần ứng ( )
Iư –Là dòng điện mạch phần ứng (A)
Ta có : Eư =k.

Với k =

Φ.ω

(2)

P.N
2.Π.a

Trong đó :
P –Là số dôi cực
N –Là tổng số thanh dẫn của cuộn dây phấn ứng

a –Là số mạch nhánh song song.
Từ (1) và (2) ta có :
Uư = k.
⇒ ω

=

Φ.ω

Uu
Κ.Ω

-

+ ( Rư + Rf ).Iư
Ru + Rf
Κ.Ω

. Iư

(3)

(3) -Là phương trình đặc tính cơ – điện.
Κ Ω.
Ta có : Mômen điện từ là : M = . Iư

ω

=

Uu
Κ.Ω

-

Ru + Rf
( Κ.Ω ) 2 Μ

.

⇒

Iư =

Μ
Κ.Ω

Thay vào (3) ta được:

(4)

Phương trình (4) là phương trình đặc tính cơ.
Ι

- Khi = 0 hoặc M =0 thì

ω

=

Uu
Κ.Ω

=

ωo

là tốc độ không tải lý tưởng của động

cơ.

- Khi

ω

= 0 thì I =

Uu
Ru + Rf

= Inm.

Κ Ω.
Với M = . Inm =Mnm. (Inm và Mnm là dòng điện và moomen ngắn mạch).

5


Hình 1.6: Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập
1.1.5.Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào hình 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. Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ
được tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi là động cơ điện một chiều
kích từ vĩnh cửu.
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 quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong đó, cuộn kích từ
song song thường là cuộn chủ đạo.

6


Hình 1.7: 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 kích từ nối tiếp

d)

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.2.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và
bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được phổ biến
trong các hệ điều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các
tham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển
PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy
trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với
thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các
thông số và kiểu của đối tượng cần điều khiển. Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ
chính xác trong giai đoạn tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các
phương pháp điều khiển kinh điển không thực hiện được.
1.2.1.Khái quát về bộ điều khiển PID
Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại
(P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất
thiết phải 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 ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P,
PI và PID.

7


Hình 1.8: Cấu trúc bộ điều khiển 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. 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 up(t), tín hiệu điều
chỉnh u(t) càng lớn.

-

Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần u I(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 u D(t),
phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.

Hình 1.9: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:
t

1
de(t ) 
u (t ) = k P e(t ) + ∫ e(τ ) dτ + TD

TI 0
dt 


Trong đó:
e(t) - tín hiệu đầu vào
u(t) - tín hiệu đầu ra
kP - hệ số khuếch đại

8


TI - hằng số tích phân
TD - hằng số vi phân
Từ mô hình vào-ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:



1
R ( s ) = k P 1 +
+ TD s 
 TI s

Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID:
-

Phương pháp Ziegler-Nichols

-

Phương pháp tối ưu modul

-

Phương pháp tối ưu đối xứng

1.2.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID
a)

Phương pháp Ziegler-Nichols
Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác định

tham số bộ điều khiển P, PI hoặc PID bằng các dựa vào đáp ứng quá độ của đối
tượng điều khiển. Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng , Ziegler và Nichols
đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:
•

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các
đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S như lò nhiệt
độ, tốc độ động cơ,…

Hình 1.10: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

9


•

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đối tượng
có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền
động dùng động cơ,…. Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vô
cùng. Phương pháp này được thực hiện như sau:

Hình 1.11: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
-

Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại.

-

Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn k th để hệ kín ở chế độ biên
giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa.

-

Xác định chu kỳ Tth của dao động.

Hình 1.12: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k=kth
b)

Phương pháp module tối ưu
Phương pháp module tối ưu là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều
khiển PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng
hình chữ S. Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 8. Bộ điều khiển
R(s) điều khiển cho đối tượng S(s).
10


Hình 1.13: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín
Tiêu chuẩn module tối ưu được sử dụng để tổng hợp nên bộ điều khiển với
hàm kín của toàn hệ phải thỏa mãn dạng:

F=

1
1 + 2τ . p + 2τ 2 . p 2

Hàm truyền kín của hệ khi thỏa mãn dạng này sẽ có các đặc điểm sau:
-

Vô sai cấp 1 theo tín hiệu điều khiển.

-

Độ quá chỉnh là 8,6%.

-

Hệ có dao động.

Ta có:
F=

R.S
1 + R.S

⇒R=

F
S .(1 − F )

Với F có dạng mong muốn thì bộ điều khiển R được xác định:
1
1 + 2τ . p + 2τ 2 . p 2
R=


1
S . 1 −

2
2 ÷
 1 + 2τ . p + 2τ . p 

Như vậy, bộ điều khiển tổng hợp theo tiêu chuẩn module tối ưu có dạng:

R=

1
S .2τ . p.(1 + τ p)

Nếu đối tượng điều khiển S có dạng:

S=

k
n

(1 + T . p ). Π (1 + Ti . p)
i =1

Với Ti là những hằng số thời gian nhỏ.
11


Với những hằng số thời gian nhỏ ta có thể xấp xỉ gần đúng bằng cách bỏ
qua các hệ số bậc cao.
n

Π (1 + Ti . p ) ≈ 1 + TΣ . p

i =1

Với

TΣ = T1 + T2 + ... + Tn
S=

Khi đó đối tượng S có dạng:
c)

k
(1 + T . p).(1 + TΣ . p)

Phương pháp module tối ưu đối xứng
Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp module tối ưu đối xứng
có nhược điểm là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ
0 và có dạng hình chữ S. Trong trường hợp này có thể chọn tham số PID theo
nguyên tắc module tối ưu đối xứng.
Tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng sẽ cho hệ
là vô sai cấp 2 và hàm truyền kín mong muốn của hệ đạt được thỏa mãn dạng:

F=

1 + 4τ . p
1 + 4τ . p + 8τ 2 . p 2 + 8τ 3 . p 3

Ta có hàm kín mong muốn của hệ:
F=

R.S

1 + R.S

⇒R=

F
S .(1 − F )

Theo dạng hàm kín mong muốn ta tìm được bộ điều khiển R có dạng:

1 + 4τ . p
1 + 4τ . p + 8τ 2 . p 2 + 8τ 3 . p 3
R=


1 + 4τ . p
S . 1 −
2
2
3
3 ÷
 1 + 4τ . p + 8τ . p + 8τ . p 

⇒R=

1 + 4τ . p
S .8τ 2 . p 2 .(1 + τ . p)
12


Khi tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng, đáp

ứng của hệ tuy có vô sai bậc 2 nhưng độ quá chỉnh lại lên đến 43%. Vì vậy, để
giảm được độ quá chỉnh người ta mắc thêm vào một bộ lọc tín hiệu điều khiển
với hàm truyền:

Floc =

1
1 + 4τ p

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN BÁM
2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng vì nó có nhiều
ưu điểm. Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập như sau:

13


Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập
ĐC: Động cơ điện một chiều
Uư: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Iư: Dòng điện phần ứng
Ikt: Dòng điện kích từ

φkt

: Từ thông kích từ

CF: Cuộn dây cực từ phụ
CB: Cuộn dây bù
Me: Momen điện từ

Mc: Momen cản

ω

: Tốc độ góc của động cơ

2.1.1 Mô hình toán ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc
lập
+ Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
Uư = E + Iư.Rư
+ Phương trình sức điện động động cơ:

E = K .φ .ω
+ Phương trình momen điện từ:
14


M e = K .φ .I u
+ Phương trình đặc tính cơ:

ω=

U u − I u .Ru
Kφ

2.1.2 Mô hình toán ở chế độ quá độ của động cơ một chiều kích từ độc
lập
Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:
+ Với mạch kích từ: UKT(p) = RKT.IKT + NKT.pφ(p)
+ Với mạch phần ứng: Uu(p) = Ru.Iu(p) + Lu.p.Iu(p) ± NN.pφ(p) + E(p)

Trong biểu thức trên (-) khi khử từ, dấu (+) khi tham gia từ hóa.
+ Phương trình cân bằng momen:

M e ( p ) − M c ( p) = Jpω ( p)

Từ phương trình phần ứng ta có:

I u ( p) =

1/ Ru
[ U ( p) mN N pφ ( p) − E ( p)]
1 + Tu p

Tu =
với

Lu
Ru

Trên cơ sở đó ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều
tổng quát:

15


Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc tổng quát động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ
đồ là rất cao. Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các
phương trình tuyến tính hóa được viết như sau:
- Mạch phần ứng:

U0 + ∆U(p) = Rư [.I0+∆I(p) ] +pL[I0 + ∆I(p)] + K[φ0 + ∆φ(p)][ωB +∆ω(p)]
- Mạch kích từ:
Uk0 + ∆Uk(p) = Rk.[Ik0+∆Ik(p)] +pLk[Ik0 + ∆Ik(p)]
Một cách gần đúng ta có phương trình gia số:
∆U(p) - [k. ωB . ∆φ(p) +k.φ0. ∆ω(p)] = Rư. ∆I(p)(1+ Tư .p)
∆Uk(p) = Rk. ∆Ik(p)(1+ Tk.p)
K.I0. ∆φ(p) + K.φ0. ∆I(p) - ∆M0(p) = Jp.∆ω(p)

16


Từ hệ phương trình trên ta xác định được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa như
sau:

Hình 2.3: Sơ đồ tuyến tính hóa của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi

3

Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và không điều khiển từ thông
thì có thể xem từ thông là một hằng số. Khi đó, ta không còn mạch kích từ mà
chỉ còn phương trình cân bằng mạch phần ứng. Vì vậy, ta có thể bỏ các chỉ số để
chỉ mạch kích từ và mạch phần ứng. Trong trường hợp này mô hình toán của
động cơ chỉ có hai phương trình là phương trình cân bằng điện áp mạch phần
ứng và chuyển động cơ học:
-

Phương trình cân bằng mạch phần ứng:
U u ( p) = Ru .I u ( p ).(1 + Tu p) + E ( p)

Với

E ( p ) = Kφ .ω ( p )

Tu =
-

Lu
Ru

Phương trình chuyển động cơ học:
17


M e ( p) − M c ( p) = Jpω ( p )

Với
Do

M e ( p) = Kφ .I u ( p)

φ = Const

, đặt

Kφ = Cu = Const

ta có:

M e ( p) = Cu .I ( p )

E ( p ) = Cu .ω ( p )

Từ các phương trình này ta xây dựng được mô hình của động cơ một chiều
kích từ độc lập từ thông không đổi như sau:

1

I u ( p) =

Ru
.(U − Cu .ω ( p ))
1 + Tu p

ω ( p) =

1
.(Cu .I − M c )
Jp

Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi:

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không
đổi
2

Tổng hợp các bộ điều khiển
Việc tổng hợp các bộ điều khiển

RI , Rω , Rϕ

đều được tiến hành theo phương

pháp tiêu chuẩn module tối ưu hoặc tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng.

18


Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển ba mạch vòng kín là: Bắt
đầu từ vòng trong , từng vòng từng vòng một mở rộng ra ngoài. Nghĩa là trước
tiên ta phải thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi cả mạch vòng dòng
điện là một khâu trong hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế bộ điều chỉnh
tốc độ quay, tiếp tục coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu trong hệ điều chỉnh vị
trí để thiết kế bộ điều chỉnh vị trí.
2.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện
Mạch vòng điều khiển dòng điện có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện
khi điều khiển động cơ điện một chiều, nó cũng làm hạn chế dòng của động cơ
không vượt quá ngưỡng cho phép. Mặt khác, nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết
lập dòng phần ứng bằng giá trị đặt trước sự tác động của nhiễu.

Hình 2.5: Cấu trúc mạch vòng dòng điện.
Đối với động cơ một chiều, bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo 2
cách:
-

Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần ứng.

-

Tổng hợp bộ điều khiển dòng khi tính đến suất điện động phần ứng.

Trong những trường hợp quán tính cơ của động cơ lớn hơn nhiều so với
quán tính điện, nghĩa là tại một thời điểm có thể xem sự thay đổi về dòng điện
lớn hơn nhiều lần so với sự thay đổi của tốc độ và tại những điểm đó xem như
tốc độ không đổi. Khi cần chính xác ta phải tính đến suất điện động của động cơ.
Ta tổng hợp bộ điều khiển dòng RI khi bỏ qua suất điện động phần ứng:

19


Hình 2.6: Mô hình bộ điều khiển dòng khi bỏ qua suất điện động phần
ứng
Khi đó đối tượng điều khiển dòng SI được tính như sau:
1
Ru
K BD
KI
SI =
.
.
(1 + TV . p)(1 + TBD . p ) 1 + TI . p 1 + Tu . p

Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có:

R=

1
S .2.τ . p.(1 + τ . p)

Trong mô hình đối tượng SI có các hằng số thời gian TBD, TV, TI là những
hằng số thời gian nhỏ, chỉ có T u là hằng số thời gian lớn nên trước hết ta đơn

giản mô hình đối tượng SI về dạng:
SI ≈

với

K I .K BD
1
.
Ru
(1 + Tu . p )(1 + TS I . p )

TSI = TBD + TV + TI

Thay giá trị của SI ta được:
RI =

Chọn

(1 + Tu . p)(1 + TSI . p)
K I .K BD
.2.τ . p.(1 + τ . p)
Ru

τ = TSI

20


⇒ RI =

⇒ RI =

⇒ RI =

(1 + Tu . p )(1 + TSI . p)
K I .K BD
.2.TSI . p.(1 + TS I . p)
Ru

1 + Tu . p
K I .K BD
.2.TSI . p
Ru

Ru .Tu
2.K I .K BD .TSI

 1

.
+ 1÷
 Tu . p 

Vậy bộ điều khiển dòng tổng hợp theo tiêu chuẩn module tối ưu là bộ điều
khiển PI.
Theo tiêu chuẩn này thì hàm truyền kín của mạch vòng dòng có dạng:

F=

I ph I u .K I

1
=
=
1 + 2τ p + 2τ 2 p 2 I sp
I sp

1
Iu
KI
⇒
=
I sp 1 + 2TSI . p + 2TS2I . p 2
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ
Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ

Rω

:

21


Hình 2.7:Cấu trúc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập
Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn module
tối ưu:
1
Iu
KI
=
= FI ( p )

I sp 1 + 2TS I . p + 2TS2I . p 2

Do

TSI

là giá trị nhỏ nên có thể nên có thể xấp xỉ hàm truyền kín của mạch

vòng dòng:
1

FI ≈

KI
1 + 2TS I . p

Khi đó sơ đồ điều khiển cho mạch vòng tốc độ có thể rút gọn lại:

Hình 2.8: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn

Hàm truyền của khâu đo tốc độ có dạng:

Kω
1 + Tω . p

Vậy đối tượng của bộ điều khiển tốc độ tính được là:

1

Sω =

Kω
KI
1
.Cu .
.
1 + 2TSI . p
1 + Tω . p J . p

22


⇒ Sω =

Kω .Cu
1
.
K I .J p (1 + 2TSω . p)

với

2TSω = 2TS I + Tω

Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có:

Rω =

1
S .2.τ . p(1 + τ p )

⇒ Rω =

Chọn

1
Kω .Cu
1
.
.2τ . p.(1 + τ p)
K I .J p(1 + 2TSω . p)

τ = 2TSω

⇒ Rω =

⇒ Rω =

1
Kω .Cu
1
.
.4.TSω . p.(1 + 2TSω . p )
K I .J p (1 + 2TSω . p )
K I .J
4.Kω .Cu .TSω

Vậy bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn module tối ưu là bộ điều khiển P.
Theo tiêu chuẩn này, hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ có dạng:
1

Fω ( p) =

Kω
1 + 2τ . p + 2τ 2 . p 2

1

1
Kω
Kω
⇒ Fω ( p ) =
≈
2
2
1 + 4TSω . p + 8TSω . p
1 + 4TSω . p

2.2.3 Tổng hợp bộ điều khiển vị trí
Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ như sau:
1

Fω ( p) ≈

Kω
1 + 4TSω . p

23


k

p
Khâu truyền lực:
Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí:
1

Sϕ =

Kϕ
Kω
k
.
.
1 + 4TSω . p 1 + Tϕ . p p

Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có:

Rϕ =

1
S .2.τ . p.(1 + τ p)
1

⇒ Rϕ =

1

Kω
1
k
.

. .2.τ . p.(1 + τ p)
1 + 4TSω . p 1 + Tϕ . p p

Chọn

τ = Tϕ

⇒ Rϕ =

1
1

Kϕ
Kω
k
.
. .2.Tϕ . p.(1 + Tϕ . p )
1 + 4TSω . p 1 + Tϕ . p p

⇒ Rϕ =

Kω
. 1 + 4.TSω . p
2.k .Kϕ .Tϕ

(

)

Vậy bộ điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn module tối ưu là bộ điều khiển PD.

Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí
động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

24


Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích
từ độc lập.
Sơ đồ điều khiển vị trí động cơ điện có thể rút gọn lại :

Hinh 2.10 : Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ một chiều kích từ động lập
thu gọn
3

Mạch điều khiển khi có bù lượng điều khiển

25