1
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 hệ điều khiển công nghiệp. Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất
lượng các hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối
tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do
đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cho hệ
truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí
thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền
động điện và trong các dây chuyền sản xuất.
Trong học kì này em đã nhận được đề tài :“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”.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến
Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã dành nhiều
cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được
sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô.
2
Chương 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều
a) Khái niệm
Động cơ điện một chiều là loại máy điện làm việc với nguồn điện một chiều.

Hình 1.3. Cổ góp và chổi than
4
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
- Máy điện một chiều kích từ độc lập
- Máy điện một chiều được kích từ hỗn hợp
d) Ưu – nhược điểm của máy điện một chiều
- Ưu điểm của máy điện một chiều:
Ưu điểm nổi bật của máy điện một chiều là có momen mở máy lớn, do vậy
kéo được tải nặng khi khởi động. Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng,
khoảng nhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa khi cần thay đổi
mịn tốc độ.
- Khuyết điểm:
Nhược điểm của máy điện một chiều là bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp và
đắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận
hành nên cần bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên. Ngoài ra tia lửa điện phát
sinh trên cổ góp – chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ.
Nhược điểm nữa là do mạng điện cung cấp chủ yếu ở dạng xoay chiều nên khi

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
6
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
- I
kt
: Dòng điện kích từ
- CF: Cuộn dây cực từ phụ
- CB: Cuộn bù
- M
đt
: Momen điện từ
- M
c

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:
đñt c
(p) (M –M Jp) pp ( )
= ω
Từ phương trình phần ứng ta có:
1
1
ö
ö N
ö
R
I (p) U(p) N p (p) E(p)

∆
 
 
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=
9
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ kích từ độc lập
1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi
Khi từ thông kích từ của động cơ kích từ độc lập không đổi (
const
=
) thì với
ký hiệu
u
K. const Cφ = =
ta có:
u
M C .(p) )I(p
=

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
11
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 chuyển động tịnh tiến. Tiếp xúc giữa bu-lông và đai ốc là
tiếp xúc mặt nên đai ốc sẽ di chuyển tương đối khó do ma-sát lớn.
Hình 1.12. Vít me đai ốc thường
Vít me đai ốc bi: Để khắc phục hiện tượng trên ta tiện các rãnh của trục vít-
me có hình tròn thay vì hình thang hoặc tam giác và những rãnh này sẽ được đặt
vào những viên bi sắt. Mối ghép vít me bi và đai ốc là những đường được lắp
đầy bởi những viên bi thép. Khi trục vít xoay, những viên bi cuộn tròn trong mối
ren của trục vít và đai ốc.
12
Hình 1.13. Vít me đai ốc bi
b) Nguyên lý

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 vị trí,
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…
14
- 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 phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chương
trình điều khiển được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ…thường gặp các hệ điều
khiển theo chương trình trong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động của
robot trong sản xuất.
2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG
2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng

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:
16
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
ö
ö I
bñđ v
k

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
T p T p.
=
× τ + τ
+ +
Chọn

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
17
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
K
T .p
ω

.
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
= +
Áp dụng phương pháp tối ưu ta có:
18

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

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
+

- I
đm
= 59.5 A
- 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

L
.
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
21
- Hàm truyền bộ biến đổi:
Chọn
220
10 22

2
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

  (rad)
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

k
.
T p . p
ω
ω
=
+ +
- Khâu đo
ϕ
:
0 01
1 1 0 2
k
.
T p . p
ϕ
ϕ
=
+ +
23
khau han che
khau han che
3.8072
s
bu tich phan
Scope5Scope4
Scope3
Scope2Scope1
100
Mc

1
0.56s
1/Jp
1
0.002s+1
1/(Tv.p+1)
5
0.07s+1
1/(Tu.p+1)
3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK
24
3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.3.1 Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v
- Vị trí:
Nhận xét: Cần hơn 6s để đạt được vị trí mong muốn.
- Tốc độ:
25