THIẾT KẾ MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Đề bài: Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động
cho đối tượng. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền
động là động cơ một chiều kích từ độc lập. Với các thông số sau:
Thông số kỹ thuật Yêu cầu
• Công suất động cơ 10KW
• Điện áp nguồn 110 VDC
• Trọng lượng tải 4000kg
• Tốc độ lớn nhất 0.05m/s
• Hệ số ma sát 0.5
• Tỉ số hộp truyền 10/1
• Xây dựng mô hình động cơ một
chiều
• Xây dựng mô hình điều khiển cho
hệ
• Tính chọn các bộ điều khiển
• Mô phỏng đáp ứng trên simualink
với các nhiễu, tải khác nhau và đánh
giá kết quả


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

nhau nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy.
Hình 1.2. Lá thép stato
Chung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây
phần ứng. Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc. Ngoài ra trên lõi thép còn
dập một số lỗ thông gió để làm mát. Thân máy, cực từ và lõi thép phần ứng tạo
thành mạch từ của máy điện một chiều.
Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiều vòng
dây được xếp trong các rãnh của lõi thép. Hai đầu phần tử nối với với 2 phiến góp,
2 cạnh tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2 cực khác tên.
Phần ứng được bắt chặt trên trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn. Nắp máy giữ cố
định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bu-lông xuyên.
- Cổ góp – chổi than
Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện giữa phần ứng của máy điện với thiết
bị bên ngoài. Khi hoạt động ở chế độ máy phát điện cổ góp còn có nhiệm vụ chỉnh
lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều trước khi đưa ra mạch điện ngoài.
Hình 1.3. Cổ góp và chổi than
Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụ tròn,
sau đó gắn vào trục roto, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được cách
điện với trục bằng lớp mica mỏng. Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn với đầu
dây của phần tử dây quấn phần ứng.
Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hình
hộp. Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắt
chặt vào nắp máy. Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò xo
ép chặt.
Các đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng được nối với nhau tại cổ góp tạo thành
mạch điện khép kín. Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dây quấn phần
ứng thành các mạch nhánh song song.
c) Phân loại
Máy điện một chiều được phân loại theo dạng mạch kích từ:
- Mấy điện một chiều kích từ song song

k
+
ω = + ×
φ
φ
Với U
ư
: điện áp phần ứng
R
ư
: điện trở mạch phần ứng
R
f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng
Hình 1.5. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ điện một chiều có nhiều loại nhưng động cơ điện một chiều kích từ độc
lập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơ điện
một chiều như sau:
Hình 1.6. Hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- ĐC: Động cơ điện một chiều
- U
ư
: Điện áp phần ứng
- U
kt
: Điện áp kích từ
- I
ư
: Dòng điện phần ứng

N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a: số nhánh song song
Từ các biểu thức trên ta suy ra được biểu thức tính tốc độ góc:
( )
2
ö ö ö ö
ö đñt
R U R
I M
K K K
U
K
ω = −
φ
= −
φ φ φ
Biểu thức trên cho phép xây dưng đặc tính điện cơ và đặc tính cơ của động cơ điện
một chiều trong chế độ xác lập, cũng như các phương pháp điều chỉnh tóc độ và
đảo chiều quay của nó.
1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:
- Với mạch kích từ:
k k k k
U R .I N .p.(p) (p)
= + φ
-Với mạch phần ứng:
ö ö Nö ö ö
U R .I L .p.I( N .pp) ( .p) (p) (p) (p)E
= + ± φ +
- Phương trình cân bằng momen:

+ ∆ = + ∆ + + ∆ + φ + ∆φ ω +
     
 
∆ω
   
- Mạch kích từ:
0 0 0k k k k k k k
(p) (p)U U R . I I pLk I p)I (
+ ∆ = + ∆ + +
 
 
∆
 
 
Một cách gần đúng ta có phương trình gia số :
( )
0
1
B ö ö
U k k  R I T(p) [ (p) (p)] .( ) pp
∆ − ω ∆φ + φ ∆ω = ∆ +
( )
1
k k k k
U (p) R . I (p) T .p
∆ = ∆ +
0 0 0c
(p) (pKI ) (p. )K I M Jp
∆φ + φ ∆ − ∆ ∆ω=
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ kích từ độc lập

Sơ đồ nguyên lý mạch động lực
Hình 1.10. Mạch động lực
Hình 1.11. Sơ đồ tổng quát bộ biến đổi
Trong đó T
v0
kể tới sự không đồng thời của tín hiệu
T
đk
là hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu
K
cl
là hằng số khuếch đại của bộ chỉnh lưu
Kết luận: Động cơ một chiều với những ưu điểm như điều chỉnh tốc độ dễ dàng và
khả năng quá tải lớn nên được ứng dụng nhiều trong những ngành công nghiệp có
yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Cùng với những ưu điểm khác về cấu tạo, dải
điều chỉnh, cấu trúc mạch lực và ứng dụng của các phương pháp điều khiển thông
minh, hệ truyền động điện một chiều ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế
đem lại những hiệu quả cao trong sản xuất và góp phần giảm nhẹ sức lao động.
1.4 VISME
Cơ cấu vít-me và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành
chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Khi động cơ quay thì đai ốc sẽ chuyển động
tịnhtiến dọc theo trục của vít-me.
1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý
a) Cấu tạo
Vít me có kết cấu đa dạng nhưng chúng đề có dạng chung gồm: Trục vít me, đai ốc,
vòng bi, ống hồi tiếp…
Vít me đai ốc thường:Vit-me đai ốc thường bao gồm một trục được tiện ren và lắp
với một ống được tiện ren trong sao cho 2 ren nay phải cùng dạng và cùng bước ren
với nhau. Hình bên dưới là một minh họa về ăn khớp giữa trục vít và đai ốc. Cơ cấu
này chính làcơ cấu của bu-lông và đai ốc. Khi bu-lông di chuyển thì đai ốc sẽ

Nhược
điểm
- Khả năng chịu tải kém hơn Vít me thường
- Khó chế tạo, giá thành cao
- Ma sát cao do tiếp
xúc mặt trực tiếp
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Hình 2.1. Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện
Trong đó: Msx: máy sản xuất
M: động cơ truyền động
BĐ: bộ biến đổi
R: Các bộ điều chỉnh
ĐL: Thiết bị đo lường
Động cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ
xoay chiều, động cơ bước. Các động cơ điện được cấp nguồn điện từ bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi thường được dùng là các bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor, các bộ
biến tần tranzitor….Các bộ điều khiển ở đây có hai chức năng:
Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông
tin để điều khiển các thông số đầu ra bộ biến đổi.
* Hệ truyền động điện một chiều thường được phân loại:
- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước
không đổi. Ví dụ: Duy trì tốc độ không đổi, duy trì mômen không đổi.
- Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vịtrí, trong
đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng ta
thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt
kim loại…
- Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điều khiển
vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình định trước, thông
thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian

ö
ö
L
T
R
=
là hằng số điện từ của động cơ
i
T R.C
=
: Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng
điện
Bỏ qua sự ảnh hưởng của suất điện động ta có:
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua E
Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động thì ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau:
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
Trong đó S
I
là mô hình đói tượng của bộ điều khiển dòng
( ) ( )
1 1
1 1
1
= = × ×
+ + ×
+ × + ×
bñ
I
I
đk

I
i i
F (p)
=
+ τ + τ
Mặt khác theo hình 2.5 ta có:
1
= ⇒ =
+ −
I I I
I I
I I I I I
S (p).R (p) F (p)
F (p) R (p)
S (p).R (p) S (p) F (p)S (p)
( ) ( )
( )
1
2 1 2
1 1
I
CL I ö
i i
SI ö
(p)
.
.
R
K K R
p .p

1 2 2
1
I
SI
SI SI
I I
F (p)
T .p
T .p T .
K K
p
= ≈
+
+ +
2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ R
ϖ
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.
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ
Theo hình 2.6 ta có đối tượng cho bộ điều khiển:
1 2 1
1
I
SI
k
Cu
S
T .p J.p

T .p
T .p T
K K
(
.
p)
p
= ≈
+
+ +
Hình 2.7. Sơ đồ rút gọn mạch vòng tốc độ
( )
1 2
u
S
I
k
S
Jp T .p
.C K
ω
ω
ω
=
+
; với
2
S SI
T T T
ω ω

K J
. T
ω
ω ω
⇒ =
Từ công thức trên ta thấy
4
I
S
K .J
R
k .Cu. T
ω
ω ω
=
Vậy bộ điều khiển tốc độ tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu là một bộ P
Kết quả khi tổng hợp bằng modul tối ưu có T
S
ϖ
rất nhỏ nên ta có:
1
1
ñđ S
F
p
k
.T
ω
ω
ω

ω ϕ
= × ×
+ + ×
- Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có:
( )
( )
1 1
2 1
1
1
1 4 1
r
S
R
k
S. . .p p
k
k
.p p
T p T p
ϕ
ϕ
ω
ω ϕ
= =
τ + τ
× × ×τ
+ ×
+ τ
+

- n
đm
= 1500 v/p
- R
ư
= 0.197 Ω
- L
ư
= 0,014 H
- J = 0.56 kg.m
2
- Tỉ số truyền: i = 10
- Đường kính trục visme : D = 0.1m
3.1.2 Các thông số chọn:
- T
I
= 0.002s
- T
ϖ
= 0,001 s
- T
bd
= 0,002 s
- T
v
= 0,003 s
- T
ϕ
= 0,2 s
3.1.3 Tính toán thông số

T .
R .
(s)
- Hàm truyền động cơ:
1
1 0 197 5
1 1 0 07 1 0 07
= =
+ + +
=
×
ö
D
ö
(
R
.
W
p . p
p
.
)
T p
- Hàm truyền bộ biến đổi:
Chọn
220
10 22
10
ñ bñ
U V k

ö ö
I
bđ I SI ö
R .T
R
.K .K .T p.T
 
= × +
 ÷
 
⇒
0 197 0 07 1
1 0 2665 3 8072
2 22 0 168 0 007 0 07
I
. .
R . . p
. . . p
 
×
= + = +
 ÷
× × ×
 
- Bộ điều khiển tốc độ
0 5 2 0 0075
S SI
T . T T( (s.) )
ω ω
= + =

R .
φ = = =
10
0 1
100
đñ
U
k .
ϕ
= = =
ϕ
Hệ số khuếch đại
1
0 01
r
i
k .
= =
Vậy:
( )
1 4
2
S
r
k
R T .p
k .k T
ω
ϕ ω
ϕ ϕ

.
T p . p
ω
ω
=
+ +
- Khâu đo
ϕ
:
0 01
1 1 0 2
k
.
T p . p
ϕ
ϕ
=
+ +