Tải bản đầy đủ

Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ một chiều với điều khiển vị trí tối ưu thời gian

Mục lục

Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, truyền động điện có
vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của xã hội. Truyền động điện làm tăng
năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Để đáp ứng được yêu cầu thực tế
các hệ truyền động điện có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngày
càng cao đã ra đời.
Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết
kế hệ thống truyền động, góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học
nên em được thầy giao cho đề tài: “Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động

cơ một chiều với điều khiển vị trí tối ưu thời gian”.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Tâm Thành, cùng các thầy cô giáo
khoa Điện - Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt
thời gian vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này.
1


Trong quá trình thiết kế còn tồn tại những sai sót, mong các thầy cô giáo
góp ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương1: Tổng quan về động cơ một chiều và vấn đề áp dụng điều khiển
tối ưu thời gian để điều khiển vị trí cho động cơ 1chiều.
1.1.Cấu tạo chung của động cơ 1 chiều kích từ độc lập.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập bao gồm 2 phần chính: phần
tĩnh và phần động.
1.Phần tĩnh (Stato).
Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:
a, Cực từ chính: 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 những lá thép
kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1 mm ép lại và tán chặt. Trong động
cơ điện công suất nhỏ có thể dung thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy
nhờ các bu lông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng cách điện trước khi
đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối
tiếp với nhau.

Hình 1.1 Cực từ chính.
b, Cực từ phụ: cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải
thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ được làm bằng thép khối và trên than
2


cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ
phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông.
c, Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm
vỏ máy. Trong động cơ điện vừa và nhỏ thường dùng thép dày uốn và hàn lại.
Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc.
d, Các bộ phận khác:
-Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người vận hành. Trong máy điện công suất nhỏ và vừa nắp
máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi.
2. Phần quay (Rôto).

Hình 1.2: Lá thép rôto

Hình 1.3: Dây quấn phần ứng

Bao gồm những bộ phận chính sau:
a, Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ

thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt lại để giẩm tổn
hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi
ép lại thì đặt dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thong
gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo thành những lỗ thông gió dọc trục.
3


b. Dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện
chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng bọc cách điện. Trong
máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện tròn.
Trong máy điện vừa và lớn thường có dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được
cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
c. Các bộ phận khác.
-Cánh quạt: dùng để làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo
theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục
máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành
góp, cực từ lõi sắt và dây quấn qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.
-Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy
thường làm thép cacbon tốt.
1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 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
4


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.
Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một
chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy
định. Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là
những đại lượng định mức.
1.

Công suất định mức Pđm (kW hay W).

2.

Điện áp định mức Uđm (V).

3.

Dòng điện định mức Iđm (A).

4.

Tốc độ định mức nđm (vòng/ph).

Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…
Chú ý: Công suất định mức chỉ công suất đưa ra của máy điện. Đối với
máy phát điện đó là công suất đưa ra ở đầu cực máy phát, còn đối với động cơ
đó là công suất đưa ra trên đầu trục động cơ.
1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điên một chiều có những tính năng
khác nhau biểu diễn bằng các đặc tính làm việc, đặc tính khác nhau. Trong các
đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác định điểm
làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ thống truyền
động điện.
Đặc tính cơ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa tốc độ với mômen
ω = f(M).Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều
kích từ độc lập.
Phương trình đặc tính cơ
Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn
cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược
với điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
Phương trình đặc tính cơ ở mạch phần ứng động cơ:
5


U = E + I ( R + Rf)

Hình 1.5: Sơ đồ khối của động cơ 1 chiều kích từ độc lập
Trong đó:
+ U : điện áp phần ứng (V)
+ E: sức điện động phần ứng (V)
+ R: điện trở của mạch phần ứng (Ω)
+ Rf : điện trở phụ của mạch phần ứng (Ω)
+ Iư : dòng điện mạch phần ứng (A)
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ tỷ lệ với tốc độ quay của rôto: E=
k.ɷ.Φ
Trong đó:

+ k=

pN
2πa

hệ số cấu tạo động cơ

+Φ: từ thông qua một cực từ (Wb)
ω=

+ɷ: tốc độ góc của rôto,

n
9,55

(rad/s)
6


+ p: số đôi cực từ chính
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
+ a: số đôi mạch nhánh song song
+ n: tốc độ quay (v/p)
Mặt khác, mômen điện từ của động cơ:

→I =
Mđt = k.Φ.Iư

M dt


Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì Mcơ = Mđt = M
Từ các phương trình trên ta có: Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một
chiều:
ω=

ω=

R + Rf
U

M
k.Φ
( k.Φ ) 2

U
R

M
k.Φ ( k.Φ ) 2

Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và

không mắc thêm điện trở phụ vào mạch điện trở phụ vào mạch điện trở thì
phương trình đặc tính cơ trở thành:

Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên.
Tốc độ ɷ0 = Uư /k.Φ là tốc đọ không tải lý tưởng.
Khi phụ tải tăng dần từ Mc = 0 đến Mc= Mđm thì tốc độ động cơ giảm
dần từ ɷ0 xuống ɷđm nên phương trình đặc tính cơ có dạng:

7


R

Với : Δɷ =

( kΦ ) 2

độ sụt tốc trên đặc tính cơ.

Đặc tính cơ:
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const thì phương trình đặc tính cơ
của động cơ một chiều kích từ độc lập tuyến tính có dạng hàm bậc nhất y = ax +
b nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ là một đương thẳng cắt trục 0ɷ tại ɷ0 với
độ dốc âm.

o
®m
§TTN

M
0

M®m

Hình 1.6: Đặc tính cơ tự nhiên
Khi ɷ = 0 ta có
I =

U
= I nm
R + Rf

Và M = K.Φ.Inm = Mnm
Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn
mạch.
Ngoài ra phương trình đặc tính cũng có thể viết dưới dạng:

ω=

U
RI

= ω0 − ∆ω
K.φ Kφ

8


ω=

U
RM

2 = ω0 − ∆ω
K.φ ( K.φ )

ω0 =
Trong đó R = Rư + Rf
∆ω =

U
K.φ

R
R
.I =
2 .M
K.φ
K.
φ
( )

Δɷ được gọi là độ sụt tốc độ tương ứng với giá trị của M.
1.3. Các nguyên tắc cơ bản khi xây dựng hệ điều khiển vị trí
Ngày nay, các hệ điều khiển vị trí đặc biệt là các hệ điều khiển các Robot
công suất lớn, hệ truyền động điện một chiều kiểu T- Đ đang ngày càng được
ứng dụng rộng rãi vì nó đảm bảo tốt các tiêu chí tĩnh và động của hệ thống, dễ
dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn và tính bền vững cao. Tùy
thuộc vào cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải rộng từ vài chục W
đến hang trăm kW.
Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt φ w) có ý nghĩa
quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển của hệ.Thông thường lượng điều
khiển φw là một hàm của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính
hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol và hàm điều hòa.
Tùy thuộc vào lượng điều khiển vị trí chuyển dịch trong các chỉ tiêu chất
lượng chung người ta quan tâm nhiều đến tốc độ tác động nhanh của hệ. Điều
này có lien quan đến giản đồ tối ưu về tốc độ ɷ(t), gia tốc ε(t),và vị trí φ(t). Để
xây dựng hê điều khiển người ta dựa trên qui luật tối ưu tác động nhanh truyền
động điện bằng việc nghiên cứu quĩ đạo pha chuyển động.

9


Cấu trúc chung của hệ điều khiển vị trí gồm 3 mạch vòng từ trong ra
ngoài là: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mạch vòng vị trí như trên
hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí sử dụng hệ
chấp hành T- Đ
Trong đó:
RI: Bộ điều khiển dòng điện.
Rɷ: Bộ điều khiển tốc độ.
Rφ: Bộ điều khiển vị trí.
ĐC: động cơ một chiều kích từ độc lập.
Ki, Kɷ, Kφ: Các hệ sô khuếch đại.
Ti,Tɷ, Tφ: Các hằng số thời gian.
FT: Máy phát tốc.

10


Chương 2: Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh.
2.1.Xây dựng mô hình toán động cơ một chiều kích từ độc lập
Cho đến nay động cơ một chiều vẫn còn dùng phổ biến trong hệ thống
truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài W
đến hàng MW. Sơ đồ mạch thay thế động cơ mộy chiều kích từ độc lập được
đưa ra như trên hình 1.2

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập
Phần ứng được biểu diễn bởi một vòng tròn bên trong có sức điện động E,
ở phần Stato có thể có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập KTĐ, dây
quấn kích từ nối tiếp KTN, dây quấn cực từ phụ CF, dây quấn cực bù CB. Hệ
thống các phương trình mô tả động cơ một chiều (Đ) thường là phi tuyến, trong
đó có các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U,
điện áp kích thích Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ của động cơ ɷ, mômen quay
M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của roto φ.
Mômen tải Mc là mômen do cơ cấu làm việc truyền động điện.
Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều, khi ta đặt lên dây quấn kích
từ điện áp Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện i k và do đó mạch
từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một điện áp U lên mạch phần ứng sẽ
có dòng điện chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ
tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

11


M =

p , .N
.φ .I = k .φ .I
2πa

(1 − 1)

Trong đó:
p: Số đôi cực của động cơ.
N: Số thanh dẫn mạch phần ứng dưới một cực từ.
a: Số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.
K = p.N/ 2π.a : Hệ số kết cấu máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần
ứng quét qua từ thông và trong dây quấn này cảm ứng sức điện động:
E=

p , .N
.φ .ϖ = k .φ .ϖ
2.π .a

(1 − 2)

Trong đó ɷ là tốc độ góc của roto.
Trong chế độ xác lập có thể tính được tốc độ qua phương trình
cân bằng điện áp phần ứng:
ω=

U − Ru .I
k .φ

(1 − 3)

Trong đó Rư là điện trở phần ứng của động cơ.
Nếu các thông số của động cơ không đổi thì ta có thể viết được
các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 2.2 như hình 2.3 như sau:

12


Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa.
Mạch kích từ có hai biến: dòng điện kích từ ik và từ thông máy Φ là phụ
thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt:
U k ( p ) = Rk .I k ( p) + N k . p.φ ( p )

(1 − 4)

Trong đó:
Nk – Số vòng dây cuộn kích từ.
Rk – Điện trở mạch phần ứng.
Mạch phần ứng:
U 0 + ∆U ( p ) = Ru [ I 0 + ∆I ( p )] + p.Lu [ I 0 + ∆I ( p )] + K [ Φ 0 + ∆Φ( p )].[ωB + ∆ω ( p)]

Mạch kích từ:
U k 0 + ∆U k ( p ) = Rk [ I ko + ∆I k ( p )] + p.Lk [ I k 0 + ∆I k ( p)]

(1 − 6)

Phương trình chuyển động cơ học:
K [ Φ 0 + ∆Φ( p )].[ I 0 + ∆I ( p )] − [ M B + ∆M C ( p )] = J p [ω B + ∆ω B ( p )]
13

(1 − 7)

(1 − 5)


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:
∆U ( p ) − [ K .ω B ∆Φ( p ) + K .Φ 0 .∆ω ( p)] = Ru ∆I ( p )(1 + p.Tu )

(1 − 8)

∆U k ( p) = Rk .∆I k ( p).(1 + p.Tk )

(1 − 9)

K .I 0 .∆Φ( p ) + K .Φ 0 ∆I ( p ) − M C = J . p.∆ω ( p )

(1 − 10)

Hình 2.3 trình bày sơ đồ cấu trúc đã được tuyến tính hóa theo các phương
trình từ (1-8) đến (1-10) của động cơ một chiều kích từ độc lập.

Hình 2.3: Mô hình tuyến tính hóa động cơ một chiều.
Đặt Cu = K.Φ = const ta có mô hình tuyến tính như hình 2.3 Dùng khâu
khuếch đại KΦ thay cho khối nhân phi tuyến, ta có
U ( p) = Ru .I ( p )(1 + p.Tu ) + Cu.ω ( p )

(1 − 11)

Cu.I ( p ) − M C ( p ) = J . pω ( p )

(1 − 12)

Từ trên mô hình 1.4 ta tính được:
U ( p ) − Cu.ω ( p) = R.I ( p )(1 + pTu )

14

(1 − 13)


Cu.I ( p ) − Mc ( p )
= ω ( p)
Jp

⇒ U ( p) −

Cu
[Cu.I ( p ) − Mc ] = R.I ( p )(1 + pTu )
Jp

⇒ U ( p) +


Cu.Mc ( p)
Cu 2 

= R.I ( p )1 + pTu +
Jp
pJR 


(

p.U ( p).I ( p ) + Cu.Mc ( p ) I ( p ) pJR + p 2 JRTu + Cu 2

=
Cu 2
Cu 2

)

Vậy ta có:
JR
Mc ( p )
pU ( p ) +
2
Cu
I ( p ) = Cu R
JR
JR
1+
p+
T p2
2
2 u
Cu
Cu

(1 − 14)

Hình 2.4: Mô hình tuyến tính hóa động cơ một chiều kích từ độc lập.
Tc =

JR
Cu 2

Gọi
là hằng số thời gian điện cơ, ta có mô hình dòng điện của
động cơ một chiều như trên hình 2.4
2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển.
Trong hệ điều chỉnh vị trí có ba mạch vòng: mạch vòng dòng điện, mạch
vòng tốc độ, mạch vòng vị trí. Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảo
chiều được.
15


Hình 1.7 là sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ một chiều.
t

ϕ = ϕ 0 + ∫ ωdt

Quan hệ giữa ɷ và φ:

(1 − 15)

o

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí.
16


2.3. 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 2.6: 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:

17


Hình 2.7: 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 + TSI . 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 = TS I

18


⇒ 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 + 2TS I . p + 2TS2I . p 2
2.4.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ
Mô hình hệ thống điều khiển tốc độ động cơ

19



:


Hình 2.8: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 + 2TSI . 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 + 2TSI . p

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

20


Hình 2.9: Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ rút gọn

Hàm truyền của khâu đo tốc độ có dạng:


1 + Tω . p

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

1

Sω =


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

⇒ Sω =

Kω .Cu
1
.
K I .J p(1 + 2TSω . p )

với

2TSω = 2TSI + 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

21


⇒ 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) =


1 + 2τ . p + 2τ 2 . p 2

1

1


⇒ Fω ( p ) =

2
2
1 + 4TSω . p + 8TSω . p
1 + 4TSω . p

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

Fω ( p ) ≈


1 + 4TSω . p

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

Sϕ =



k
.
.
1 + 4TSω . p 1 + Tϕ . p p

Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có:
22


Rϕ =

1
S .2.τ . p.(1 + τ p)
1

⇒ Rϕ =

1


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

Chọn

τ = Tϕ

⇒ Rϕ =

1
1



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

⇒ Rϕ =


. 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:

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện một chiều
kích từ độc lập.
23


Chương 3: Mô phỏng trên Matlab và Simulink
3.1.Tính toán thông số
 Thông số cho trước:
Pdm = 25 KW
Udm = 220 V
Idm = 132 A
ndm = 1500 v/p
Ru = 0,0966



Lu = 0,0063 H
kg.m2

J = 1,2
Tỉ số truyền: i = 10
Đường kính: D = 700 mm = 0,7 m
Chọn:
TI = 0,002 s



= 0,001 s

Tbd = 0,0015 s
Tv = 0,003 s




= 0,3 s

Tính toán thông số:

24


ω=
-

Tốc độ góc:

2π .n 2π .1500
=
= 157,1( rad / s)
60
60
U dm − I dm .Ru 220 − 132.0, 0966
=
= 1,3
ω
157,1

Kφ = Cu =
-

-

Từ thông:

Momen định mức:

M dm = Kφ .I dm = 1,3.132 = 172( N .m)

Tu =
-

Hằng số thời gian phần ứng:

Lu 0, 0063
=
= 0, 066( s )
Ru 0, 0966

1

1
Ru
10,35
0, 0966
WD ( p) =
=
=
1 + Tu . p 1 + 0, 066 p 1 + 0, 066 p

-

Hàm truyền động cơ:

-

Hàm truyền của bộ biến đổi:
Chọn Udat = 10 (V)
kbd =

U dm 220
=
= 22
U dat
10

WBBD ( p ) =

-

kbd
22
=
(1 + TV . p)(1 + Tbd . p) (1 + 0, 003 p)(1 + 0, 0015 p)

Bộ điều khiển dòng:
TSI = TBD + TV + TI = 0, 0015 + 0, 003 + 0, 002 = 0, 0065( s )

KI =

U dat 10
=
= 0, 076
I dm 132

RI =

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


1 
0, 0966.0, 066 
1 
. 1 +
. 1 +
÷=
÷
 Tu . p  2.0, 076.22.0, 0065  0, 066 p 
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×