MỤC LỤC
1
LỜI MỞ ĐẦU
Trong thực tế, ta hay gặp hệ thống điều chỉnh tốc độ cho truyền động điện
một chiều có đảo chiều. Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng
được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp. Hệ
thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện. Các
hệ thống này có thể đảo chiều hoặc không đảo chiều. Do các yêu cầu công nghệ
mà hệ cần đạt vô sai cấp một hoặc vô sai cấp hai. Nhiễu chính của hệ là mômen
tải Mc.
Mục đích nghiên cứu: Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo hai tiêu chuẩn
module tối ưu và module tối ưu đối xứng đánh giá quá trình quá độ và đặc tính
động học của hệ kín
2
Chương 1:Tổng quan về động cơ một chiều
1.1. Cấu tạo động cơ một chiều:
Cấu tạo vật lí của động cơ một chiều gồm có ba phần:
Phần tĩnh (Stator) hay còn gọi là phần cảm.
Phần quay (Rotor) hay còn gọi là phần ứng.
a)Phần tĩnh:
Phần tĩnh hay phần cảm là phần nhận năng lượng điện một chiều để tạo ra từ
trường kích từ trong máy.
Cực từ chính (hình 1-1) là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi thép và dây
quấn kích từ lồng ngoài lõi thép cực từ, dòng điện chạy trong dây quấn kích từ
sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính làm
bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại, tán chặt và gắn vào vỏ máy nhờ các
bulông.
Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép
cực từ phụ thường làm bằng thép khối và gắn vào vỏ máy nhờ các bulông.
Hình 1-1: Cực từ chính của phần tĩnh động cơ điện một chiều
Gông từ dùng làm mạch từ, nối liền giữa các cực từ đồng thời dùng làm vỏ

(Hình 1-3.b). 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
lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rotor cũng theo một chiều nhất
định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi
Hình 1-3: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
1.3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- Phương trình đặc tính cơ: Là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc
độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung :
2
.
( )
u f
u
R R
U
M
K K
ω
+
= −
Φ Φ
(1.1)
Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ
động cơ vào momen động cơ và các thong số khác (mômen, từ thông…), từ đó
đưa ra phương án để điều chỉnh tốc độ động cơ với phương án tối ưu nhất.
Với những điều kiện U
ư
= const, I
t
= const thì từ thộng của động cơ hầu

momen (hoặc dòng điện) của động cơ.
- Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: Nếu động cơ vận hành ở chế độ định
mức(điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối them các điện kháng, đienj
trở vào động cơ). Trên đó có các điểm làm việc định mức có giá trị M
đm,
ω
đm
.
- Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số
nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng.
Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặc
tính cơ
M
β
ω
∆
=
∆
(tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc).
• Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện dưới đây :
6
R
f
E
+ -
U

R
kt

sức điện động phần ứng (V)
R
ư
: điện trở mạch phần ứng (
Ω
)
R
f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng (
Ω
)
I
ư
: dòng điện mạch phần ứng (A)
Suất điện động E
ư
được tính
E
ư
=
.
. .
2
P N
k
a
φ ω φ ω
π
=
(1.3)

+
= −
(1.6)
Giả sử
φ
= const ta có đồ thị đặc tính cơ có dạng như hình 1.3
ω
M
ω
0
ω
®m
Μ
®m
Μ
nm
Hình 1.3
7
Khi
ω
=0 ta có :
I =
nm
u f
U
I
R R
=
+
(1.7)

F
= K
F
.
ω
F
.C.i
KF
(1.13)
Trong đó :
K
F
: là hệ số kết cấu của máy phát
C : là hệ số góc của đặc tính từ hóa
Sơ đồ của hệ F - Đ
§F
M
S
ω
U
F
= U
®
I
ω
§
K
8
Hình 1.7 Sơ đồ hệ F - Đ
Nếu đặt R = R

= −
(1.16)
Từ các biểu thức ta thấy, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy
phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống.
Chế độ làm việc
Trong hệ thống không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính
động rất tốt, rất linh hoạt khỉ chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ hình 1.6
động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh cả hai chiều, kích
thích máy phát và kích thích động cơ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng
kích thích máy phát.
• Đặc điểm của hệ F – Đ
Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt,
khả năng quá tải lớn, nó thường được dùng ở các máy khai thác công nghiệp
mỏ. Nhược điểm quan trọng của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay, gây ồn
lớn, công suất lắp đặt máy ít ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra do
các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh sâu
tốc độ.
b. Hệ truyền động T – Đ
• Khái quát chung
Do chỉnh lưu Tiristo dẫn dòng theo một chiều và chỉ khi điều khiển khi
mở khóa dẫn đến truyền động van thực hiện đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn
truyền động F – Đ. Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T – Đ
đảo chiều : Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ
động cơ.
• Sơ đồ và nguyên lý làm việc
9
i
®1
L
c0

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý
Giả thiết
1 2
;
2 2
π π
α α
< >
sao cho
1 2
Ed Ed
≤
thì dòng chỉ có thể chạy từ
BĐ1 sang động cơ mà không thể chạy từ BĐ1 sang BĐ2 được, để đạt được
trạng thái này cần có góc điều khiển phải thỏa mãn
2 1
α π α
≥ −
. Nếu tính đến góc
chuyển mạch
µ
và góc khóa
δ
thì giá trị lớn nhất của góc điều khiển của bộ
biến đổi ở chế độ nghịch lưu là :
ax ax
( )
m m
α π µ δ
= − +

xấu điện áp nguồn và lưới xoay chiều
10
Chương 2: Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển
tốc độ động cơ
2.1. Các phương pháp mô hình hóa đối tượng
Mô hình là hình thức biểu diễn lại những hiểu biết của chúng ta về hệ thống
một cách khoa học, về mối quan hệ giữa tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra y(t)
nhằm mục đích mô phỏng, phân tích và tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống .
Việc xây dựng mô hình được gọi là mô hình hoá. Có hai phương pháp mô
hình hoá là: phương pháp thực nghiệm và phương pháp lý thuyết.
Phương pháp lý thuyết: Là phương pháp thiết lập mô hình dựa theo các định
luật có sẵn về quan hệ vật lí bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên
ngoài của hệ thống. Các quan hệ này được mô tả theo quy luật lí hoá, quy luật
cân bằng .v.v. dưới dạng những phương trình toán học.
Phương pháp thực nghiệm: Trong trường hợp hiểu biết của chúng ta về các
mối quan hệ lí hoá bên trong cũng như quan hệ giao tiếp với bên ngoài của đối
tượng không được đầy đủ để xây dựng hoàn chỉnh mô hình đối tượng mà chỉ có
thể nhận dạng mô hình đối tượng thuộc một lớp mô hình nào đó. Thông qua việc
quan sát tín hiệu vào ra để nhận dạng mô hình thích hợp trong lớp mô hình đã
biết. Đây là phương pháp nhận dạng hệ thống.
11
Các đối tượng trong thực tế thường có các thông số một cách gần đúng vì
vậy để nâng cao chất lượng điều khiển cũng như hiểu biết chân thực về đói
tượng điều khiển thì ta phải áp dụng kết hợp cả hai phương pháp mô hình hoá
này.
2.1.1. Lựa chọn các thông số cần thiết :
- Công suất định mức : P
dm
=14(kW)
- Điện áp định mức : U

2.2.Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
15
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều được chia làm hai vùng điều
chỉnh đó là điều chỉnh dưới tốc độ định mức và điều chỉnh trên tốc độ định mức.
2.2.1. Điều chỉnh tốc độ dưới định mức:
Vùng điều chỉnh tốc độ từ 0 đến
dm
ω
có hai phương pháp điều chỉnh đó là
thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch điện phần ứng và thay đổi điện áp đặt vào
phần ứng.
a) Thay đổi điện trở phụ mắc vào phần ứng:
Sơ đồ điều chỉnh gồm điện trở phụ R
p
chế độ làm việc dài hạn mắc nối tiếp
với mạch điện phần ứng. Khi giá trị của R
p
tăng lên thì tốc độ động cơ thay đổi
theo chiều giảm. Đặc tính điều chỉnh như hình 1-4. Ta thấy khi tăng R
p
thì đặc
tính cơ của động cơ mềm đi. Nếu tăng R
p
lớn có thể xảy ra quá trình hãm nối
ngược do mômen động cơ bị giảm nhiều.
Ưu, nhược điểm của phương pháp điều chỉnh này là:
- Tốc độ điều chỉnh nằm dưới tốc độ định mức.
- Khi tải bé điều chỉnh kém hiệu quả.
- Độ trơn và số cấp tốc độ có thể cao.
- Hiệu suất thấp do tổn hao nhiệt trên R

mức.
2.3. Tổng hợp các mạch vòng điều khiển tốc độ
18
Ta có sơ đồ khối chức năng của hệ thống mạch vòng điều chỉnh tốc độ có
sự tham gia của mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Hình 2.6 Mạch vòng tốc độ
Động cơ là đối tượng điều khiển có đại lượng điều chỉnh là tốc độ
- tác động điều khiển là U
ư
- nhiễu loạn là Mc
Tác dụng của mạch vòng dòng điện giữ cho đại lượng ra không đổi .
Trong đó phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng điện trong quá
trình quá độ . Khâu hạn chế này làm việc khi Uđk tăng lên quá lớn hoặc khi đứt
mạch phản hồi.
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn modul tối ưu, ta
có :
F
Omi
(p)=
)(
)(
pUid
pUi
=
22
221
1
pTsiTsip
++


+
φ
=
)1.().(
.
ω
ω
φ
sci
u
pTTKK
KR
+
Với T
S
ω
= 2T
si
+ T
ω
, T
sw
rất nhỏ
Ta tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ theo hai tiêu chuẩn : tiêu chuẩn
modul tối ưu và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng.
2.3.Cách phương pháp tổng hợp mạch vòng tốc độ
2.3.1. Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul
F
M
(p)=

+
=
+
F(p) = F
M
(p)
→
)(
)().(1
)().(
221
1
00
00
22
pF
pSpR
pSpR
pp
M
=
+
=
++
ττ

→
R
w
(p) =

sw
T
τ
=

→
R
w
(p)=
wwsw
ci
RK
TKK
.
2
τ
φ
Vậy khâu R
w
là khâu tỉ lệ (P)
Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, không
coi I
c
là nhiễu

2.3.2. Theo tiểu chuẩn tối ưu đối xứng
F
ĐX
=
3322

−
+
+++
+
p
ppp
RK
pTpTKK
uw
swci
τ
τττ
φ
=
)
41
)1(8
(.
)1(
22
p
pp
RK
ppTKK
uw
swci
τ
ττ
τφ
+

Các thông số cho trước:
P
đm
: công suất địng mức của động cơ 14 kw
U
đm
: Điện áp định mức phần ứng 220 V
n
đm
: Tốc độ quay định mức 1500 V/ph
dm
η
: Hiệu suất danh định của động cơ 90 %
21
L : Điện cảm phần ứng 0,0114 H
T
i
: Hằng số thời gian máy biến dòng 0,002 S
T
V
: Hằng số tời gian bộ chỉnh lưu 0,0025S
T
đk
: Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 0,0001S
T
ω
: Hắng số thời gian máy phát tốc 0,001S
Ta có :
55.960
2 nn

+
−=
Phương trình đặc tính cơ :
M
K
RR
K
U
fu
u
2
)(
φ
φ
ω
+
−=
Trong đó: I
u
=
φ
K
M
dt
M
dt
=M
w
=M
-Tính momen định mức :

= = =
L
u
=L
b
+L
k
+L
ud
=0.0114H
→
T
u
=
0.0114
0.089
0.127
u
u
L
s
R
= =
U
ω
d
=
ω
ω
K.

dk
=4.6.10
3
−
→

T
sw
= 0.01s
T
c
=
2 2
.
0,65.0,127
0.056
( ) (1,21)
u
J R
s
K
ϕ
= =
Chọn U
id
=7V
→
K
i
=

R
K T
ϕ
= =
-Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, ta có
R
w
(p) =
2 2
(1 4 )
8
i c
s
w u
K K T p p
K R p
ω
ϕ
τ
τ
+
K
i
=0.095; K
1.21
ϕ
=
; T
c
=0.056; T

1 1 1 1 10,52
.
1 2 0.095(1 2.0,0046 ) 0.095 0,000874 1 0,0092
si i
p K p p p
τ
= = =
+ + + +

23
Chương 3. Mô phỏng mạch vòng tốc độ động cơ
điện 1 chiều
3.1. Mô phỏng bằng simulink
3.1.1. Bộ điều chỉnh tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển tốc độ khi tổng hợp theo phương pháp
modul tối ưu
24
Hình 3.1 Mạch vòng tốc độ tiêu chuẩn module tối ưu
Kết quả mô phỏng
25