đồ án điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ 1 chiều

Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

Chương I: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền
động.
I.1: Giới thiệu công nghệ bài toán.

Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ
+Hệ truyền động điện ở đây bao gồm:
-Một động cơ servo một chiều kích từ độc lập
-Hai bánh đà có bán kính r = 0.45m
-Một băng tải
-Nguồn cung cấp cho hệ truyền động là nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V.
Yêu cầu của hệ truyền động này là động cơ hoạt động kéo băng tải chứa tải có khối lượng M=
7Kg đáp ứng theo yêu cầu của bài toán như đồ thị trên hình 1.2
I.2 : Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải.
I.2.1: Phân tích yêu cầu công nghệ.
u(m/s)
5
0

4s

6s

7s
t(s)

1s

3s

-5
Hình 1.2: Đồ thị tốc độ của động cơ
+Đáp ứng của hệ truyền động phải bám sát theo đồ thị tốc độ mong muốn của tải đã cho trong
yêu cầu của đồ án này.

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

1


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

-

Trong khoảng thời gian từ 0s-1s động cơ tăng dần đều tốc độ từ 0m/s-5m/s. Trong
khoảng thời gian từ 1s-3s động cơ gữ nguyên tốc độ 5m/s. Tiếp đến trong khoảng thời
gian từ 3s-4s động cơ giảm dần tốc độ tại thời điểm 3.5s động cơ đạt día trị 0m/s sau đó
động cơ đảo chiều và tăng tốc tại thời điểm 4s động cơ quay với vận tốc 5m/s. Từ 4s-6s
động cơ giữ nguyên tốc độ 5m/s và từ 6s-7s động cơ giảm tốc độ dần đều cho đến 0m/s
tại thời điểm 7s.
+Thiết kế các mạch biến đổi nguồn điện xoay chiều 3pha 220V/380V thành nguồn điện phù hợp
với động cơ chúng ta sử dụng trong hệ truyền động điện
+Hệ thống sau khi hoàn thành hoạt động ổn định sai số thấp có độ tin cậy cao
I.2.2: Phân tích đặc tính cơ của tải.
+Tính tốc đọ quay của trục của động cơ.
u

Áp dụng công thức: Ꞷ= (rad/s) thay các số liệu ta có đồ thị tốc độ quay của động cơ theo
r
thời gian
Ꞷ(rad/s)
11.11
0

4s

6s

7s
t(s)

1s

3s

-11.11
Hình 1.3: Đồ thị tốc độ quay của động cơ
+Tính toán momen trên trục của động cơ.
du
 fL
Áp dụng công thức:
F= M
dt
Trong đó: M: Khối lượng của tải (kg)
u: Tốc độ dài của tải (m/s)
fL: Lực bên ngoài tác động vào tải (N)
Mặt khác

T= F.r
Thay các số liệu từ đồ thị vận tốc mong muốn của tải ta có
du 5  0

5(m / s 2 ) Suy ra T= 5.7.0.45=15,75 (Nm)
-Tại thời điểm từ 0-1s:
dt
1
-Tại thời điểm từ 1-3s: u không đổi nên T=0 (Nm)
du 0  5

 10(m / s 2 ) Suy ra T= -10.7.0,45= -31,5 (Nm)
-Tại thời điểm từ 3-3,5s:
dt
0,5
du  5  0

 10(m / s 2 ) Suy ra T= -10.7.0,45= -31,5 (Nm)
- Tại thời điểm từ 3,5-4s:
dt
0,5
-Tại thời điểm từ 4-6s: u không đổi nên T=0 (Nm)
- Tại thời điểm từ 6-7s:

du 5  0

5(m / s 2 ) Suy ra T= 5.7.0,45=15,75 (Nm)
dt
1

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

2


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

T(N.m)
15,75
0

3s

4s
t(s)

1s

6s

7s

-31,5
Hình 1.4: Đồ thị momen trên trục của động cơ
+Tính toán công suất của động cơ
Áp dụng công thức: P= TꞶ
- Tại thời điểm 0s: P= 0.15,75=0 (W)
- Tại thời điểm 1s: P= 11,11.15,75=174,9825 (W)

- Tại thời điểm 1-3s: P=11,11.0=0 (W)
- Tại thời điểm 3s: P= 11,11. (-31,5) =-349,965 (W)
- Tại thời điểm 4s: P= -11,11.(-31,5) =349,965 (W)
- Tại thời điểm 4-6s: P= -11,11.0=0 (W)
- Tại thời điểm 6s: P= -11,11.15,75=-174,9825 (W)
- Tại thời điểm 7s: P= 0.15,75=0 (W)
P(W)
349,96
174,98
0

3s
t(s)
1s

4s

6s

7s

-174,98
-349,96
Hình 1.5: Đồ thị công suất của động cơ
1.3: Tính chọn công suất động cơ.
- Dựa vào tính toán công suất theo thời gian đã tính được ở trên sử dụng ta có công suất đẳng
trị của động cơ :
4

Pdt =

p t
2

i 0

t ck

i

=

1
1
1
1
174,98 2.  349,96 2.  ( 349,96) 2 .  ( 174,98) 2 .
2
4
4
2 114 ,55 W
7

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

3


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

- Dựa vào tính toán momen theo thời gian đã tính được ở trên sử dụng ,ta có momen đẳng trị
của động cơ :
4

1
1
15,75 2.1  ( 31,5) 2 .  ( 31,5) 2 .  15,75 2.1
=14,58 N.m
i 0
2
2
t ck
7
Công suất và momen cần phải chọn cho động cơ :
Pdc = 1,2. Pdt =114,55.1,2 =137,46 (W)
I.4: Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện

M

Mdt=

2

ti

=

Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện






Bộ chỉnh lưu ta sử dụng ở đây là bộ chỉnh lưu có điều khiển và đảo chiều :
Do động cơ kích từ độc lập ở đây ta điều khiển bằng phương pháp thay dổi điện áp
phần ứng và động cơ có đảo chiều nên ta sử dụng hai bộ chỉnh lưu cầu Thyristor mắc
song song ngược để đáp ứng được điện áp đặt vào đọng cơ.
Động cơ một chiều kích từ dộc lập ở đây ta sử dụng động cơ servo có thông số phù
hợp.
Bộ điều khiển ta sử dụng là bộ điều khiển mà ta cài đặt thuật toán điều khiển của
chúng ta bên trong đó, xử lí các tín hiệu tốc độ và dòng điện để điều khiển đầu ra
mong muốn.
Bộ cảm biến dòng điện và tốc độ được chọn phù hợp với yêu cầu.

I.5: Tính toán và chọn các thiết bị, phần tử trong hệ thống.
I.5.1 Tính chọn động cơ.
Dựa vào Pdc, Mdc đã tính ở mục I.3 ta chọn động cơ RE 50 Ø50 mm, Graphite Brushes, 200 
Watt
Part number 370355

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

4


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

Hình 1.7: Động cơ DC RE-50 của maxon
Thông số của động cơ
Stt
Thông số
Giá trị
1
Điện áp định mức
36V
2
Tốc độ không tải
5680 vòng/phút
3
Dòng điện không tải
147 mA
4
Tốc độ định mức
5420 vòng/phút
5
Momen định mức
418 mNm
6
Dòng điện định mức
7,07 A
7
Momen cực đại
8920 mNm
8
Dòng điện cực đại
148 A

9
Hiệu suất
94 %
10
Ra
0,244Ω
11
La
0,177 mH
12
Hằng số lực
60,4 mNm/A
13
Công suất định mức
200 W
14
Momen quán tính
560 gcm 2
+Kiểm tra lại động cơ đã chọn :
2n dm 2.3,14.5420
-Tốc độ định mức của động cơ: Ꞷ=
=
=567,3 (rad/s)
60
60
Do tốc độ của động cơ lớn mà momen của động cơ lại nhỏ vì vậy ta cần lắp thêm bộ Gearbox
567,3
Ta có: Tỉ số vận tốc Kvt=
≈51
11,11

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

5


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

16,04
≈38,37
0,418
Nên chọn bộ Gearbox có tỉ số truyền là 51
Tỉ số momen Km=

Ta chọn Gearbox Planetary gearhead GPX 22 Ø22 mm, 2­stage

Hình 1.8:Gearbox GPX-22 của maxon
Stt
1
2
3
3
4
5

Thông số
Tỉ số truyền
Momen max liên tục

Momen max gián đoạn
Tốc độ đầu vào max liên tục
Tốc độ đầu vào max gián đoạn
Hiệu suất

Tốc độ động cơ quy đổi ở đầu ra Gearbox :
567,3
Ꞷqd=
=11,12(rad/s)>11,11(rad/s)
51
Momen quy đổi đầu ra của Gearbox :
Mqd=0,418.51.0,7= 14,922(Nm)> 14,58 (Nm)
Mô men đỉnh của động cơ quy đổi ở dầu ra Gearbox :
Mđqd=8,92.51.0,7=318,44 (Nm)> 31,5 (Nm)

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

Giá trị
51/1
120 N
120 N
8000 vòng/phút
8000 vong/phút
70%

Thỏa mãn
Thỏa mãn
Thỏa mãn

6

Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

P(W)
349,96
Tqt
200
174,98
0

3s
t(s)
1s

4s

6s

7s

-174,98
-200
Tqt
-349,96
Thời gian quá tải của động cơ :
200
.0,5 0,285 (s)

349,96
Ta thấy thời gian quá tải của động cơ khá bé nên không ảnh hưởng tới qua trình làm việc của
động cơ nên để bảo vệ động cơ ta chọn thêm role nhiệt và cài đặt thời gian đóng cắt t= 1s
Tqt =

I.5.2 Tính chọn cảm biến tốc độ
Ở đây ta chọn cảm biến Encoder ENC 16 EASY, 1024 pulses
Part number 499361

Hình 1.9: Cảm biến tốc độ ENC 16 của maxon
Thông số của cảm biến
Stt
1
2
3
4
5
6
7
8
9
SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

Thông số
Số xung trên đĩa
Số kênh
Max tốc độ điện
Max tốc độ cơ
Điện áp cung cấp
Dòng ra trên mỗi kênh

Thời gian đáp ứng
Chiều quay
Vị trí biểu thị

Giá trị
1024
3
90000
30000
5V±10%
-20…20mA
20ns
A before B CW
A low và B low
7


Đồ án điều khiển truyền động điện
10
11
12

Nhiệt độ hoạt động
Khối lượng
Mô men quán tính

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY
-40…..100ºC
9g
2

0,1 g/cm

I.5.3 Tính chọn cảm biến dòng điện.
Ta chọn cảm biến ACS712- 20A có các thông số sau :
-Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp
-Thời giant hay đổi điện áp đầu ra ứng với dòng điện đầu vào là 5μs
-Điện trở dây dẫn trong là 1,2 mΩ
-Điện áp hoạt động là 5V
-Sai số điện áp đầu ra là 1,5% ở 25 ºC
-Độ nhạy đầu ra từ 66 đến 185 mV/A
-Khoảng đo từ -20 đến 20 A
+Sơ đồ của cảm biến ACS712-20A

Nguyên lí hoạt động cuả cảm biến
-ACS712-20A là cảm biến dòng tuyến tính dựa trên định luật Hall. ACS xuất ra một tín hiệu
analog. Điện áp được thay đổi tuyến tính dựa trên dòng lấy mẫu Ip của dòng DC. Tại 2,5 V thì
dòng điện bằng 0,từ 0-2,5V là dòng âm, từ 2,5-5V là dòng dương
-Công thức tính:
dataADC
.5 (V)
U=
1023
I.5.4 Tính toán bộ chỉnh lưu.
Do động cơ cần dung là động cơ diện một chiều kích từ độc lập, tải có đảo chiều nên ta sử
dụng phai bộ cỉnh lưu cầu ba pha mắc song song ngược.

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

8

Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

T
1

T
3

T
5

T
4

T
6

T
2
D
M

T
4

T
6

T
2

T
1

T
3

T
5

+ Tính toán các thông số trong mạch chỉnh lưu:
Nguồn ta sử dụng ở đây là nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380V nên điện áp đầu vào của
bộ chỉnh lưu là U2 =220V.

Đế góc điều khiển α từ 0 ta sử dụng một biến áp để hạ điện áp dầu vảo của bộ chỉnh lưu
2
 .U d
15,38 V
xuống giá trị U’2 =
3 6
U 2 220
Suy ra cần một biến áp có hệ số biến đổi N= ' =
=14,3
U 2 15,38
3 6
U’2 cosα



Ud
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên thyristor : Unmax= Knv.
= .36= 37,68 V
Ku
3
3 6
Trong đó Knv = 6 , Ku =

Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1,8 ta có điện áp ngược van cần chọn Uv =37,68.1,8=67,824V
Idm 7,07
Dòng điện trung bình chạy qua mỗi thyristor : Itb=
=
= 4,08 A
3
3
Chọn hệ số dự trữ Ki = 3,2 ta có I max = 4,08. 3,2= 13,056 A
Giá trị trung bình trong bộ chỉnh lưu: Ud =

Dựa vào các thông số trên ta chon thyristor S1015J phụ lục 2 sách Điện tử công suất-Lê Văn
Doanh

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

9


Đồ án điều khiển truyền động điện
Có thông số:
Stt

1
2
3
4
5
6
7

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

Thông số
Itb
Iđỉnh
Irò
Cấp điện áp
▼U
Udk
Idk

Giá trị
50 A
650 A
40 mA
100-1600V
1,8 V
1,5 V
50 mA

10


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

CHƯƠNG II : Mô hình hóa cùa hệ thống truyền động điện
2.1 Mô hình toán học của động cơ :

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí động cơ điện một chiều
Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều:
di a (t )
v(t) = e(t) + Raia (t) + La dt
Suất điện động cảm ứng:
e(t) = KɸꞶ(t) = KbꞶ(t)
Mô men điện từ:
Te = KTia(t) =Kbia(t)
Phương trình mô tả quan hệ điện cơ:
d ( t )
+ BlꞶ(t) = Te(t) – Tl (t)
dt
Chuyển qua miền Laplace:
J

V(s) = KꞶ(s) + RaIa(s) + LasIa(s)
Nên suy ra:

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

11


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

V ( s)  K b ( s )
La s  R a
Phương trình mô tả quan hệ điện cơ:
JsꞶ(s) + BlꞶ(s) =KbIa(s) –Tl(s)
Ia(s) =

Nên suy ra:
K I ( s )  Tl ( s)
 ( s)  b a
Js  Bl
Từ những phương trình trên ta có mô hình toán học của động cơ điện một chiều:

Hình 2.2: Mô hình toán học của động cơ điện một chiều

Thay gái trị từ động cơ ta chọn được ở phần I ta có:
1
1
=
Ra  sLa 0,244  0,177 s
U udm  Ra I udm 36  0,244.7,07
0,06
Kb = KꞶ =
=

 dm
567,3
1
1

Bl  sJ 0,0007368  s.0,56
Hàm truyền đạt tốc độ/ điện áp và tốc độ/momen tải :
Kb
 ( s)
 2
GV (S)=
V ( s) s ( JLa )  s ( Bl La  JRa )  Bl Ra  K b2





 ( s)
 ( sLa  Ra )
 2
Tl ( s ) s ( JLa )  s ( Bl La  JRa )   Bl Ra  K b2 
2.2 Mô hình toán học của các cảm biến
Gl (S)=

Phản hồi dòng điện:
Mô toán học của phản hồi dòng điện có thế biểu diễn bằng một hệ số khuếch đại Hc.
Trong đa số trường hợp không yêu cầu bộ lọc.
Hc=

U dr 2,5

=
=0,125
I dv 20

Trong trườn hợp dùng bộ lọc, một bộ lọc thông thấp được sử dụng. Hằng số thời
SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

12


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

gian của bộ lọc thường nhỏ hơn 1ms.
Phản hồi tốc độ:
Trong các hệ thống trước đây thường dùng máy phát tốc để đo tốc độ. Một bộ lọc thông thấp
có hằng số thời gian bé hơn 10ms thường được sử dụng. Hàm truyền đạt của khâu phản hồi
tốc độ là:
K
G 
T s  1
Trong đó: KꞶ là hệ số khuếch đại của cảm biến, TꞶ là hằng số thời gian của bộ lọc.
Thay các thông số của cảm biến đã chọn ta có
1
G 
20.10  9 s  1
2.3 Mô hình toán học của bộ biến đổi
Điện áp chỉnh lưu có điều khiển:
Vdc Vd 0 cos 

Chọn nguyên tắc điều khiển arcos:

Vc
)
Vcm
Điện áp ra chỉnh lưu:
V
V
Vdc Vd 0 c  d 0 Vc
Vcm Vcm
Vd 0 36
Đặt K r 
= =24
Vcm 1,5
=> Vdc  K rVc

 cos  1 (

Vdc  K r .Vc

U db  Vcm .cos 

tại điểm giao nhau thì

Vc  udb

Bộ biến đổi hoạt động theo chu kỳ lấy mẫu của mạch điều khiển. Khoảng thời gian lấy mẫu
SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

13

Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

gây ra sự trễ của bộ biến đổi.
Khi thay đổi điện áp điều khiển hoặc khi các thyristor thay đổi trạng thái đóng mở, thì điện
áp chưa thay đổi ngay lập tức.
Góc trễ có thể hiệu chỉnh và sẵn sàng thực thi trong khoảng 60o giữa 2 khoảng góc mở của
thyristor. Nên thời gian trễ có thể lấy một nữa khoảng này.

Tr 

60 / 2
1 1
�Time period of one cycle  .
360
12 fs

fs = 50Hz nên Tr = 1.667ms
Bộ biến đổi đó được mô hình hóa bằng hàm trễ:

Gr ( s )  K r .eTr .s
Gr ( s ) 
Thay các gái trị tính toán được ở trên ta có Gr =

Kr
Tr .s  1
24

1,667.10 3 s  1

2.4 Xây dựng mô hình toán học cho cả hệ thống:
Tổng hợp hệ thống truyền động điện một chiều cho đọng cơ hoạt động ở hai góc phần tư cấp
nguồn từ chỉnh lưu cầu 3 pha:
Trong đó, hàm truyền đạt của bộ Current controller và speech controller xác định theo
phương pháp hàm chuẩn là khâu PI:
Kc 1
K (1  sTc )
.  Kc  c
Gc=
Tc s
sTc
K (1  sTs )
Ks 1
.  Ks  s
Gs=
Ts s
sTs

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

14


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

Chương III : Tổng hợp các mạch vòng điều khiển

3.1 Sơ đồ mạch vòng tổng hợp điều khiển tốc độ động cơ:

3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện:
Ta biến đổi sơ đồ khối mô hình hàm truyền đạt của động cơ:

Suy ra:

Suy ra:

Suy ra:

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

15


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

m ( s )  m ( s ) I a ( s )

.
Va ( s )
I a ( s ) Va ( s )
Trong đó:

m ( s )
Kb


I a ( s ) Bt (1  s.Tm )

I a ( s)
K1 (1  s.Tm )

Va ( s ) (1  s.T1 )(1  s.T2 )
J
Bt
Bt = B l + B l
Theo đề ra của yêu cầu bài toán Tl=0 nên suy ra Bl =0
Thay các giá trị tính chọn của động cơ trước đó vào ta có Bt = Bl =0,015 (T)
J
560.10  3.10  4
0,0037
 Tm =
=
Bt
0,015
Tm =

2

1
1 �B R � 1 �Bt Ra � �K b2  Ra .Bt �
   � t  a �
�  � �
�= -588,235
T1
2 �J La � 4 �J La � � J .La
�

 T1 = 0,0017 (s)
2

1
1 �Bt Ra � 1 �Bt Ra � �K b2  Ra .Bt
   �  �
�  � �
T2
2 �J La � 4 �J La � � J .La

�
�= -909,09
�

 T2 =0,0011 (s)
K1 =

Bt
2,066
K b  Ra Bt

Từ đó ta có tổng hợp mạch vòng dòng điện:

Sau một vài phép biến đổi, ta có hàm khuếch đại (loop gain function) của mạch vòng dòng điện
như sau:

�K .K .K .H �
(1  sTc )(1  sTm )
GH i ( s)  � 1 c r c �.
Tc

s.(1  sT1 )(1  sT2 )(1  sTr )
�
SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

16


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

Ta thấy hàm khuếch đại của hệ có bậc 4, vì vậy cần đơn giản hóa hàm truyền để việc tổng hợp
hệ thống dễ dàng hơn.
Trong vùng lân cận của tần số cắt ta có thể xấp xỉ như sau:

(1  sTm )  sTm

Nhờ vậy hàm khuếch đại của hệ đơn giản hóa thành:

GH i ( s ) 

K .(1  sTc )
(1  sT1 )(1  sT2 )(1  sTr )

Trong đó hệ số K được xác định như sau:

K

K1.K c .K r .H c .Tm
Tc

(*)

Có thể thấy được các hằng số thời gian ở mẫu số của hàm truyền đạt GHi(s) của hệ có giá trị
khác nhau:
TrNếu chúng ta chọn hằng số thời gian của bộ điều khiển dòng điện là:
Tc=T2
Thì hàm khuếch đại của hệ thống sẽ được đơn giản thành hệ bậc 2 như sau:

GH i ( s) 

K
(1  sT1 )(1  sTr )

Do đó phương trình đặc tính của hệ kín như sau:

(1  sT1 )(1  sTr )  K  0

Phương trình đặc tính có thể viết lại như sau:
�
�
T  Tr
�2
T1.Tr . �
s  s. �l
�
�Tl .Tr

� K  1�

�
� 0
�
� Tl .Tr �

Từ phương trình đặc tính ta có tần số tự nhiên và hệ số tắt dao động như sau:

.n 2 

K 1
Tl .Tr

�
Tl  Tr �
�
�
Tl Tr
�
�
 
K 1
2
Tl Tr
Để hệ thống có đặc tính động học tốt thì có thể chọn hệ số tắt dao động bằng 0.707. Vì vậy thay
vào phương trình của ξ chúng ta có thể có:
2

�
Tl  Tr �
�

�
TlTr �
�
K 1 
�2 �
� �
Tl Tr �
�
Trong thực tế mô hình của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta có:
K>>1 và T1>>Tr
SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

17


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

Do đó ta có hệ số K có thể xấp xỉ thành:
T
T12
 1
2Tr
2T1Tr
Từ phương trình của hệ số K chúng ta giải ra hệ số khuếch đại của bộ điều khiển PI là:
1 T1 .Tc
1
Kc = 2 . T .( K K H T )
r

1 r
c m
1 0,0017.0,0011
1
= 2 . 1,667.10  3 . 2,066.24.0,125.0,076 =0,0238
Thay các số liệu vào (*) ta có
Tl
2,066.0,0238.24.0,125.0,0037
K=
=4,96≈
0,0011
2Tr
Ta xấp xỉ mô hình mạch vòng dòng điện thành mô hình bậc nhất vì để thiết kế mạch vòng tốc
độ, mô hình bậc 2 của dòng điện thay thế bằng mô hình xấp xỉ bậc nhất.
Mạch vòng dòng điện được xấp xỉ bằng cách cộng them hằng số thời gian trễ trong bộ biến đổi
vào hằng số thời gian T1 của động cơ. Kết quả ta có hàm truyền đạt và sơ đồ của mạch vòng
dòng điện như sau:
K c K r T1Tm
1
.
I a ( s)
Tc
1  sT3 

*
KK K HT
1
I a ( s)
1 1 c r c m .
1  sT3 

Tc
K

Trong đó: T3=T1+Tr= 2,6658.10  3 + 1,667.10  3 = 4,3328.10  3 s

Hàm truyền đạt có thể đơn giản hóa thành:
I a ( s)
Ki

*
I a ( s ) (1  sTi )
K K KT H
0,0238.0,125.2,066.0,0037.24
KG  c r l m c 
Trong đó:
=0,509
Tc
0,0011
KG
1
0,509
1
.
.
2,7
Ki=
=
H C (1  K G ) 0,125 (1  0,509)
T3
0,0034

Ti 

=0.0022 (s)
1  KG
1  0,509
3.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ:
Ta có mạch vòng tốc độ sau khi đã xấp xỉ bậc nhất của mạch vòng dòng điện là:

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

18


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

Trong đó hàm số khuếch đại (loop gain function) của hệ là:
�K K K H �
(1  sTs )
GH s ( s )  � s i b  �.
s(1  sTi )(1  sTm )(1  sT )
� BtTs
Để đơn giản bậc của hệ thống, ta sử dụng phép xấp xỉ sau đây của tần số cắt:
(1+sTm)=sTm
Tiếp theo, ta xây dựng một hằng số thời gian tương đương với thời gian trễ của mạch phản hồi
tốc độ và thời gian của mạch vòng dòng điện. Tổng hai thời gian trễ này rất nhỏ so với hằng số
thời gian phân tích. Do đó ta có sự xấp xỉ sau:

GH s ( s)  K 2 .

Trong đó:

K s (1  sTs )
.
Ts s 2 .(1  sT4 )

T4=Ti+Tω ≈ Ti = 0,0022(Tω=20.10  9 <K2 =

Ki Kb H
2,7.0,06.1
=
=2891
Bl Tm
0,015.0,0037

Hàm truyền đạt của hệ kín như sau:

K2 Ks
�
.(1  sTs )
m ( s )
Ts
1 �

.�
r*
H  �s 3T  s 2  sK K  K 2 K s
4
2 s

�
Ts
�

�
� 1
(a0  a1s )
�
.
2
3
� H  a0  a1s  a2 s  a3 s
�
�

Trong đó: a0=K2Ks/Ts
a1= K2Ks
a2=1
a3=T4
Hàm truyền đạt này được tối ưu để có giải tần rộng và biên độ bằng 1 trong giải tần đó. Biên
độ của hàm truyền được cho bởi phương trình:

m ( j ) 1
a02   2 a12
 .
r* ( j ) H   a02   2 (a12  2a0 a2 )   4 (a22  2a1a3 )   6 a32 
Bằng cách làm cho các hệ số của ω2 và ω4 bằng 0 chúng ta có:

a12  2a0 a2
a22  2a1a3

Thay các điều kiện này bằng các tham số của động cơ và bộ điều khiển chúng ta có:

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

19


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

Ts2 

2Ts
K s .K 2

� Ts K s 

2
K2

Ts2 2Ts2T4

K s2 K 22 K s K 2
Từ các phương trình cân bằng hệ số ở trên, cuối cùng ta có:
1
1
Ks =
=
=0,155

2 K 2T4 2.2891.0,0022
Ts = 4T4 = 4.0,0022= 0,0088
Thay các phương trình của hệ số Ks và Ts vào hàm truyền đạt của hệ kín, ta có:

�
m ( s ) 1 �
1  4T4 s

.
�
�
r* ( s) H  �1  4T4 s  8T42 s 2  8T43s 3 �
Với hàm truyền đạt hệ kín như trên, hệ sẽ có độ quá điều chỉnh lớn. Do đó một khâu bù được
them vào phía trước để giảm độ quá điều chỉnh:

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

20


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

CHƯƠNG IV : Mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá chất lượng
4.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm matlap-simulink
-Mô hình hóa của toàn hệ thống

Hình 4.1 : Mô hình hóa của hệ thống
- Mô hình hóa của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 4.2 : Mô hình hóa của động cơ
-Tín hiệu đặt đầu vào của hệ thống

Hình 4.3 : Đồ thị tín hiệu đặt

-Các giá trị đặt của hệ thống từ các số liệu tính toán từ chương 3
SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

21


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

La = 0.177/1000
Ra = 0.244
J = 560/ (1000*10000)
B1 = 0.0015
Bl = 0
Kb = 0.06
Bt = 0.015
T1 = 0.017
T2 = 0.011
Kr = 24
Tr = 0.001667
Kgx = 51
Hc = 1
Hw=1

Tc =0.011
K1 = 2.066
Kc = 0.0238
T3 = 0.0043328
Kg = 0.509
Ki = 2.7
Ti = 0.0022
K2 = 2891
Tw = 0.000
T4 = 0.0022
Ts = 0.0088
Ks = 0.155
4.2 Phân tích kết quả mô phỏng
+Khi chưa đóng tải
- Đồ thị biểu diễn tốc độ đầu ra bám sát theo tốc độ đặt

Hình 4.4 : Đồ thị tốc độ đáp ứng và tốc độ đặt

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

22


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

-Đồ thị dòng điện đặt và dòng điện đáp ứng:

Hình 4.4 : Đồ thị dòng điện trên động cơ và dòng điện đặt

-Đồ thị điện áp đặt vào động cơ:

Hình 4.5 : Đồ thị điện áp đặt vào động cơ

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

23


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

-Đồ thị momen của động cơ:

Hình 4.6 : Đồ thị điện momen trên trục động cơ

+Khi đóng tải
- Đồ thị biểu diễn tốc độ đầu ra bám sát theo tốc độ đặt

Hình 4.7 : Đồ thị tốc độ đáp ứng và tốc độ đặt

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

24


Đồ án điều khiển truyền động điện

GVHD: TS.GIÁP QUANG HUY

-Đồ thị dòng điện đặt và dòng điện đáp ứng:

Hình 4.8 : Đồ thị dòng điện trên động cơ và dòng điện đặt

-Đồ thị điện áp đặt vào động cơ:

Hình 4.9: Đồ thị điện áp đặt vào động cơ

SVTH: Nguyễn Văn Tuấn

25