tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Đồ án môn học
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
(Đề số 7)
Thầy giáo hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện :
Tên đề tài : Thiết kế hệ truyền động cho động cơ quay chi tiết mài tròn .
Các thông số kĩ thuật :
- Mômen cực đại M
max
: 20[Nm]
- Tốc độ quay chi tiết n : 30->900[vòng /phút]
- Tỉ số truyền i : 3
- Hiệu suất η : 0.85
- Mômen quán tính cơ cấu J: 0.007 [Kg/m
2
]
Yêu cầu nội dung :
- Nêu các yêu cầu về công nghệ và truyền dộng .
- chọn phương án truyền động . tính chọn công suất cho động cơ
và mạch lực .
- Xây dựng cấu trúc tổng hợp của hệ .
- Thiết kế mạch điều khiển .
- Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK .
Phương án thiết kế :
- Hệ truyền động động cơ xoay chiều dùng phương pháp điều chỉnh tần số .
- Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp chỉnh lưu
- Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp băm xung áp .
Tài liệu tham khảo :
- Điện tử công suất
- Truyền động điện

- nhóm vật liệu nitrit bo có cấu trúc mạng tinh thể lập phương (CBN) có
độ cứng , độ bền và đặc biệt có thể giữ được cơ tính ở nhiệt độ cao hơn
các nhóm vật liệu trên , vì thế mà loại vật liệu này đang được sử dụng
rộng rãi .
- nhóm diaman :là các bon có cấu trúc mạng tinh thể lập phương , tuy
nhiên diaman (tự nhiên hay nhân tạo) rất đắt , độ cứng tế vi giảm
nhanh khi nhiệt độ tăng .
* Chất kết dính :
2
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
chất kết dính ảnh hưởng quyết định tới độ bền cơ học và độ cứng của đá mài .
độ cứng của đá được đáng giá bằng khả năng tách các hạt mài ra khỏi bề mặt
đá mài dưới tác dụng cơ nhiệt của quá trình mài . Đá khó bị tách các hạt mài
ra khỏi bề mặt đá mài gọi là dá cứng và ngược lại .
chất kết dính thường được dùng là vật liệu gốm sứ , vật liêu silicat , vật liệu
tổng hợp hữu cơ , cao su tổng hợp , chất kết dính kim loại .
2 . các phương pháp mài ;
A . mài tròn ngoài :
• mài tròn ngoài có tâm : mài tròn ngoài có tâm có tính vạn năng cao
,khi mài có thể gá chi tiết trên hai mũi tâm hoặc mũi tâm và mâm cặp .
thông thường nên sử dụn phương pháp mài tròn ngoài có tâm tiến dao
dọc để lực hướng kính bé , chi tiết ít biến dạng , nâng cao độ chính xác
gia công . khi mài tinh ở những hành trình cuối không nên tiến dao
ngang mà chỉ nên tiến dao dọc cho tới khi hết hoa lửa . khi chi tiết
ngắn , đường kính lớn , độ cứng vững cao , người ta dùng phương
pháp tiến đá hướh kính để tăng năng suất .
• mài thô : mục đích của mài thô là lấy đi được nhiều thể tích của phôi
lớn nhất với chi phí gia công nhỏ nhất . công suất gia công tăng , vì thế
khi tăng thể tích phoi lấy đi thỉ phải đảm bảo công suất cắt nhỏ hơn
công suất của động cơ mang đá hoặc chọn máy mài có công suất lớn .

• mài lỗ có tâm ; mài lỗ có tâm thường được thực hiện trên các máy mài
lỗ chuyên dụng , máy mài vạn năng có đầu mài lỗ hoặc trên máy tiện
có trang bị đồ gá chuyên dụng mài lỗ .
• mài lỗ không tâm : là một trong những phương phá gia công tinh lỗ có
năng suất , độ chính xác và độ đồng tâm cao .chuẩn gia công là mặt
ngoài do đó trước khi mài lỗ , mặt ngoài của chi tiết gia công cần được
mài tinh hoặc bán tinh .
ưu điểm của mài lỗ là mài được lỗ của các chi tiết phức tạp , mài được
lỗ phi tiêu chuẩn , mài được lỗ có độ chính xác cao tới cấp 6 . Trong
sản xuất , dễ tự dộng hoá , cơ khí hoá .
4
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
nhược điểm là :cung tiếp xúc giữa đá ài và chi tiết lớn hơn trong
trường hợp mài tròn ngoài . đường kính lỗ càng bé càng giảm độ cứng
vững của đá , ảnh hưởng tới độ chính xác , cũng như năng suất mài .
C . Mài phẳng
Mài phẳng là phưong pháp gia công tinh các mặt phẳng sau khi đã qua phay
hoặc bào .
Mài phẳng thườg đạt độ chính xác tới cấp 7, nếu chuẩn công nghệ có thể đạt
tới cấp 6.
D .Mài định hình :
Có thể gia công được các bề mặt định hình . có đường sinh thẳng .
Mài định hình có thể thực hiện bằng cách sửa đá có hình dạng , kích thước
theo âm bản của chi tiết .
Như vậy thực tế đặt ra cho công nghệ mài là phải đạt được độ chính xác cao ,
độ nhẵn , độ bóng bề mặt . Tuỳ theo từng chế độ cắt mà cần các tốc độ quay
khác nhau , và máy mài làm việc ở chế độ làm việc dài hạn .
II . Yêu cầu truyền động :
Để đáp ứng yêu cầu về công nghệ đã đề ra , việc truyền động cho động cơ cần
đạt được một số yêu cầu như sau :

1. Phân tích các phương án truyền động
Để truyền động cho một cơ cấu bất kì , thông thường hệ thống gồm có hai
phần là : động cở biến đổi năng lượng điện thành cơ năng ở dạng mômen
quay trên trục động cơ và bộ biến đổi có tác dụng điều khiển dòng năng
lượng cấp cho động cơ theo đúng yêu cầu của phụ tải nhằm điều chỉnh tốc độ
động cơ theo ý muốn , đồng thời tiết kiệm năng lượng cần tiêu hao .
Trong thực tế thì có ba loại động cơ chính :
• động cơ một chiều
• động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ
• động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ
A . Động cơ điện một chiều : có phần cảm và phần ứng hoàn toàn độc lập , có
thể được cấp từ hai nguồn một chiều khác nhau . Phần cảm sinh ra từ thông
ψ trong động cơ , chỉ phụ thuộc vào dòng điện trong cuộn dây kích từ . Dòng
điện trong cuộn dây phần ứng Iư lại do nguồn một chiều khác đặt lên hai cực
động cơ sinh ra . Mômen động cơ tỉ lệ với dòng điên phần ứng và từ thông
của động cơ : M=k*ψ*Iư
Các quan hệ điện từ trong động cơ một chiều hoàn toàn là quan hệ tuyến tính
. do đó ta có thể điều khiển động cơ tương đối dễ dàng bằng cách điều chỉnh
độc lập dòng điện phần ứng với từ thông không đổi (thường giữ từ thông
bằng định mức) thông qua điều khiển điện áp đặt vào động cơ , để điều khiển
động cơ dưới định mức , hoặc điều khiển động cơ bằng cách điều khiển từ
thông lích từ với điện áp phần ứng không đổi (bằng định mức ) bằng cách
điều chỉnh điện áp kích từ , áp dụng cho điều chỉnh động cơ trên định mức .
6
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Do quan hệ tuyến tính nên ta có được mô hình động cơ dạng hàm truyền , do
đó thiết kế bộ điều khiển tương đối dễ dàng , và đạt được chất lượng hệ thống
rất tốt .
Nhược điểm của động cơ một chiều là phần tiếp xúc chổi than vành góp làm
cho kết cấu động cơ phức tạp , vận hành khó khăn , giá đắt . Ngoài ra còn có

v thi gian khụng cp ngun cho ng c , do ú iu khin in ỏp trung
bỡnh t vo ng c . Phng phỏp ny cng tng i n gin , d thc
hin , hot ng tin cy , n nh .
c . iu ỏp xoay chiu ba pha :
Dựng cỏc van bỏn dn bỏn iu khin iu khin in ỏp t vo ng c .
phng phỏp iu khin ng c bng cỏch iu chnh in ỏp t lờn ng
c cú phm vi iu chn hp , do ú ớt c ng dng trong thc t .
d . Bin tn :
Tc ng c xoay chiu ph thuc cht tr vo tn s ngun in cp cho
ng c , do ú iu chnh tc ng c ta thay i tn s ngun in cp
. Tuy nhiờn ng c b gii hn bi cỏc c tớnh vt lớ nờn khi thay i tn s
thỡ ng thi phi thay i in ỏp tng ng .
Khi s dng bin tn , vic iu khin ng c xoay chiu tr nờn n gin
hn rt nhiu .
2 . Chn phng ỏn truyn ng
Theo nh yờu cu ca ỏn thỡ ta la chn phng ỏn truyn ng ng c
in mt chiu , vi b bin i xung ỏp . õy l phng phỏp iu chnh
in ỏp t lờn ng c iu chnh tc . Phng phỏp ny cho kt qu
h truyn ng rt tt tuy nhiờn hn ch duy nht l dựng ng c mt chiu
cú chi than .
Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng :
Trong phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, bộ biến đổi cung
cấp điện áp cho mạch phần ứng.Vì nguồn có công suất hữu hạn nên các bộ biến
đổi có điện trở trong R
b
và điện cảm L
b
khác không.
8
tng hp h in c Nguyn c Duy

=




M
-)U(
ko đ
=
( )
b
dm
RR
k
M
+
==
2




* Nhận xét :
1.Vì từ thông động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng đợc
giữ không đổi, còn tốc độ không tải tuỳ thuộc vào điện áp U
đk
của hệ thống, do đó
có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để . khi thay i in ỏp U ,
cng c tớnh c khụng thay i , luụn l ng thng . Do vy vic iu
chnh tc ng c t c cht lng rt tt .

.||.M
đm
10
Vì thế với tải có đặc tính momen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc
độ không vợt quá 10.Do vậy với hệ truyền động đòi hỏi phạm vi điều chỉnh tốc độ
lớn thì ta không thể sử dụng các hệ thống hở nh trên . Khi ú ta s dng cỏc b
iu khin cú phn hi (h kớn ) va nõng cao cht lng h thng , va m
rng di iu chnh tc ng c . khi iu khin h kớn thỡ cng c
tớnh c tng lờn do ta cú mch phn hi õm tc .
S tng quỏt mt h kớn phn hi õm tc :
Phng trỡnh c tớnh c ca h thụng kớn:
* 1* ( )
1* * 1* *
(1 ) (1 )
Udk K Kb Ru Rb Iu
K Kb K K Kb K
K K
K K

+
=
+ +
Sai s tc ca h h :

h
=
( )Ru Rb Iu



<
+
Hay núi cỏch khỏc , d cng c tớnh c ca h thng kớn ln hn cng
c tớnh c ca h thng h .
10
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Khi cho K1->
∞
thì Δω
kín
->0 , độ cứng hệ kín :β
k
->
∞
Ta có
1
1
0
−
−
=
Μ
βω
k
M
.
D
dm

điều chỉnh thực hiện dẽ dàng hơn nhiều . tuy nhiên , khi tốc độ động cơ lớn
lên thì khả năng chuyển mạch của chổi than vành góp giảm đi . do đó để đảm
bảo khả năng chuyển mạch của chổi than vành góp thì phải giảm dòng điện
phần ứng , do đó mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh .
Trong phạm vi đồ án này , ta chỉ sử dụng phương pháp điều khiển điện áp
phần ứng độgn cơ tức là điều khiển dưới định mức , do đó phải chọn động cơ
có tốc độ định mức cao hơn tốc độ cao nhất của công nghệ .
Việc điều chỉnh điện áp phần ứng ở đây được thực hiện bằng bộ băm xung
áp một chiều . là phương pháp khá phổ biến và cho chất lương hệ thống cao .
11
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Do yêu cầu truyền động quay chi tiết mài tròn thì không cần đảo chiều , ta
sử dụng sơ đồ mạch đơn để điều chỉnh điện áp đặt lên hai cực của động cơ .
về nguyên lí hoạt động se được trình bày sau .
3 . Tính chọn công suất động cơ :
để chọn được công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động , ta phải
quy đổi toàn bộ các đải lượng trên tải về trục động cơ .
Các thông số kĩ thuật :
- Mômen cực đại M
max
: 20[Nm]
- Tốc độ quay chi tiết n : 30->900[vòng /phút]
- Tỉ số truyền i : 3
- Hiệu suất η : 0.85
- Mômen quán tính cơ cấu J: 0.007 [Kg/m
2
]
Mômen cực đại trên trục động cơ :

1 1 1 1

từ các thông số cơ bản trên , ta có thể tính được :
KΦđm =(U đm –R*I đm)/ ω đm
= 0.65
điện cảm phần ứng được tính theo công thức :Lư=K
l
*
* *
Udm
Idm p ndm
trong đó , K
l
=5.5 đến 5.7 đối với động cơ không bù và bằng 1.4 đến 1.9 đối
với động cơ có bù . ở đây động cơ có bụ , ta chọn K
l
=1.6
Lư=
220
1.6* 3
19* 2*3000
mH=

Phần III . CẤU TRÚC TỔNG HỢP CỦA HỆ
Cấu trúc tổng hợp của hệ thống như sau :
13
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Trong đó , CL là bộ chỉnh lưu điot(không điều khiển ) hình cầu một pha .
Cung cấp điện áp một chiều cho bộ biến đổi . Bộ biến đổi là bộ băm xung một
chiều , điều khiển điện áp đặt lên động cơ theo tín hiều điều khiển của bộ điều
khiển . Bộ điều khiển lấy tín hiệu phản hồi là dòng điện I và tốc độ ω để đưa
ra tín hiệu điều khiển phù hợp cho bộ biến đổi .

Ud0 . Khi khoá Tr khoá , không cho dòng điện chạy qua , điện áp đặt len
động cơ bằng 0 . lúc này điot có vai trò dẫn dòng điện vòng chạy qua động
cơ . Điện áp đặt lên động cơ được tính bằng điện áp trung bình trong một chu
kì đóng cắt . Như vậy bằng cách thay đổi khoảng thời gian đóng mở khoá Tr
ta có thể điều chỉnh điện áp đăt lên động cơ và do đó điều chỉnh tốc độ động
cơ theo ý muốn .
có nhiều phương pháp để điều khiển Tr . ở đây ta sẽ sử dụng phương pháp
phổ biến nhất là phương pháp độ rộng xung .
Nội dung phương pháp này là giữ nguyên tần số băm xung f , tức là chu kì
băm xung T0 là hằng số , thay đổi thời gian mở Tr là T1 và do đó sẽ thay đổi
thời gian khóa Tr là T2=T-T1
15
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
điện áp trung bình đặt lên động cơ là :
u=γUd0 .
trong đó : γ =T1/T .
Nguyên lí hoạt động của bộ băm xung được giải thích cụ thể dựa trên sơ đồ
nguyên lí và đồ thị làm việc của nó như trên hình vẽ :
Trong giai đoạn từ 0 đến T0 , Tr dẫn , động cơ được cấp nguồn U0 , dòng
điện qua động cơ tăng lên . trong giai đoạn từ T0 đến T , Tr khoá , do động
cơ có điện cảm Lư nên dòng điện tiếp tục chảy qua động cơ , vòng qua điot .
điện áp trên động cơ lúc này coi bằng 0 . lúc này dòng điện qua động cơ giảm
dần , năng lượng tích luỹ trong động cơ tiêu hao trên điện trở phần ứng và
điot . Ở đây sảy ra các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống :
16
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
• chế độ dàng điện liên tục : khi điện cảm động cơ đủ lớn , dòng điện
chưa giảm về 0 khi Tr khoá , do đó dòng điện liên tục chảy trong động
cơ .
• chế độ dàng điện gián đoạn : Dòng điện qua động cơ đã giảm về 0

min
=9.4 rad/s , sức điện động của động cơ là : Edmin=KΦω
=6.2 V .
vậy γth trong trường hợp động cơ làm việc ở tốc độ nhỏ nhất là :
γth=
0.4/1.59
1.59 6.2
( 1) 1 0.032
0.4 220
Ln e
 
− + =
 
 
trong khi đó , điện áp trên hai cực động cơ là :
Uư = Rư*Iđm +KΦđm*ω
17
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
= 1.94*19 +0.65*9.4 =43 V
tức là γ =Uư/U0=43/220=0.195
γth<<γlv . như vậy động cơ làm việc ở chế độ dòng điện liên tục khi tốc độ
làm việc là nhỏ nhất . do đó động cơ làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn
trong suốt dải đièu chỉnh tốc độ .
mạch điều khiển cho Tr có cấu trúc như sau :
A . FXCĐ : tạo ra tần số băm xung cố định . Thông thường , tần số băm xung
từ 2 đến 5 KHz , ở đây ta chọn tần số băm xung là 2.5 KHz , là tần số đủ để
đạt độ chính xác cần thiết .
Sơ đồ mạch tạo xung :
TP1
22nF

-12V
+
U3
LM318
Nguyên lí hoạt động như sau : khi xung vào ở mức thấp , transistor Q1 khoá ,
tụ C2 được nạp điện với điện áp bằng điện áp bão hoà của khuếch thuật
toán .(cỡ 12V) . khi có xung kích dương , Q1 thông , tụ phóng điện qua Q1 trở
về 0 ngay lập tức .tính chọn điện trở nạp sao cho hằng số thời gian nạp đủ lớn
, để trong một chu kì , điện tích trên tụ tăng tuyến tính tới một giá trị đủ lớn
trước khi phóng .
ở đây chọn điện trở nạp 1k
xung răng cưa thu được :
19
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
xung răng cưa được so sánh với điện áp điều khiển . điển cân bằng giữa điện
áp điều khiển và điện áp răng cưa chính là thời điểm khoá van Tr , ngừng cấp
nguồn cho động cơ . điều này được thực hiện bằng một khâu so sánh :

Vcc2
+12v
Vee2
-12V
+
U4
LM 318
R2
1k
R3
1k
TP1

Vcc1
+12v
Vee1
-12V
+
U3
LM318
10k
1k
10k
4.7k
R2
1k
R3
1k
RI1
1k
RF1
1k
Chọn van transisto Tr :
dòngđiện định mức của động cơ là 19 A , khi khởi dộng dòng khởi động là
2.5*Iđm =47.5A . do vậy phải chọn van chịu được dòng điện khởi động của
động cơ , đồng thời phải chịu được điện áp là việc của động cơ (điện áp
ngược) .
ta chọn van là loại : BUP54 , có các thông số kĩ thuật như sau :
Ccmax =50A
Uce max = 275V
F=8MHz
3 . Tính chọn cản biến :
3.1 chọn cảm biến dòng điện :

phát điện một chiều . trục của máy phát tốc gắn với trục động cơ , quay cùng
với trục động cơ . điện áp ra trên hai đầu cực máy phát phản ánh tốc độ động
cơ theo quan hệ :
Uω = Kω*ω .
Khi tốc độ là lớn nhất thì điện áp ra của máy phát tốc phải đạt được là 10V .
Tốc độ lớn nhất là 2700 vòng /phút hay là 283 rad/s .
Kω=
10
0.035
283
=
Ngoài ra , còn có các thiết bị lọc để đảm bảo tín hiệu ra ít bị nhiễu . sơ đồ tổng
quát như sau :
22
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy

Phần III . TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN
Để xây dựng được hệ thống điều khiển cho động cơ thì trước tiên ta phải có
mô hình của động cơ . Để thiết kế bộ điều khiển thuận lợi thì mô hình động cơ
phải được xây dựng trên cơ sở phép biến đổi laplace , với toán tử đạo hàm p .
Để xây dựng được mô hình động cơ dựa trên phép biến đổi laplace , ta xuất
phát từ các phương trình mô tả quan hệ điện từ trong động cơ .
Các quan hệ điện từ trong động cơ điện một chiều :
di
U E RI L
dt
= + +
M=KψI
E=Kψω
M-M

=
+
Cùng với các phương trình khác , ta có thể xây dựng được mô hình động cơ
trên miền ảnh laplace như sau :
Với mô hình động cơ đã xây dựng được , có thể dễ dàng thiết kế bộ điều khiển
cho động cơ .
Động cơ được nuôi bởi một bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều , do đó
ta cũng cần phải xây dựng mô hình laplace cho bộ biến đổi này :
bộ biến đổi gồm hai phần : phần điều khiển và phần mạch lực . trong đó ,
phần điều khiển có thể coi như là một khâu trễ ,có hằng số thời gian trễ là
Tđk . hàm truyền của nó là :1/(1+pTđk)
phần mạch lực :
Tần số làm việc của bộ băm xung rát lớn , tức là chu kì xung rất nhỏ so với
hằng số thời gian điện từ , cũng như hằng số thời gian điện cơ . Ta có thể thay
thế bằng mô hình tuyến tính hoá với thời gian trễ bằng ½ chu kì xung điều
chế : Tv0=1/2*f=0.2 ms .
Hàm trễ lại có thể xấp xỉ gần đúng là một khâu quán tính bậc một . như vậy
phần chuyển mạch có thể coi là hàm trễ : Kb/(1+pTv0) . trong đó , Kb là hệ
số khuếch đại của bộ băm xung .
24
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Mô hình bộ băm xung áp mọt chiều :Kb/(1+pTđk)(1+pTv0)
Các cảm biến dòng và tốc độ ta cũng coi như là các khâu trễ , với hệ số
khuếch đại tương ứng .
• cảm biến dòng điện : coi là khâu trễ , với hằng số thời gian Ti và hệ số
khuếch đại Ki . hàm truyền đạt :Ui(p)/I(p) = Ki/(1+pTi) .
Trong đó , Ki=
Ti=
• máy phát tốc :
do có điện trở và điẹnkháng lọc ở cửa ra nên cảm biến tốc độ có thể coi như