T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

PHẦN I

C

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC VÀ

89

07

M

K

ĐỘNG CƠ BƯỚC

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 1


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
I. Giới thiệu về động cơ một chiều
1. Khái niệm
Ngày nay, mặc dù điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi. song máy

trái.
Phương trình điện áp:
U = + Rư Iư .
Trong đó:

là sức phản điện.
Iư là dòng điện trong dây quấn phần ứng
Rư là điện trở của dây quấn phần ứng.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 2


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
U là điện áp đưa vào.
Sức điện động của động cơ điện một chiều:
Fu'

Trong đó :

PN
n
60a

p là số đôi cực từ chính.
N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần cứng.
a là số đôi cực nhánh song song của cuộn dây.
n là tốc độ quay (vòng / phút).


Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ:

n 


U  Ru , I u ,
K E .

Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng:

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ sẽ giảm. Tổn hao trên
phần ứng lớn nên chỉ số sử dụng với động cơ công suất nhỏ.


Thay đổi điện áp U:

Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dùng để cung cấp điện áp
cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều.
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 3


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
Thay đổi từ thông:



Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ.
Khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp trên với nhau.


07

Ru,
U

I ,
K E
K E u

n 



I u, 
n

M
K M .

89

Ta có : M = KM . Iư .

U  Ru ,
M
K E . K E .K M . 2

Để thay đổi tốc độ ta thêm điện trở Rp
n

phần ứng Iư và hiệu suất  theo công suất có trên trục P2 :

K
In

n

Iư

07

M



M

89

P2

Ta thấy đặc tính cơ cứng và tốc độ rất ít thay đổi khi P 2 thay đổi nên
được dùng trong máy cắt kim loại, máy công cụ. Điều chỉnh tốc độ với yêu
cầu cao sẽ được dùng động cơ kích từ độc lập.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 5



Iư

M

V

+
-

+

Kích từ nối tiếp
I = IƯ = Ikt
Đặc tính cơ:

n = f(M)

89

07

-

Iư = kI .
M = kM. IƯ.  = kM. kI. 2 = k2. 2 hay
Với

k

 Mk


C

đổi tốc độ hơn kích từ song song. Nhưng dễ gây hỏng động cơ khi tăng tốc
độ. Do đó, không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải

K

hoặc tải nhỏ.

 Đặc tính làm việc:

I

07

M
ngh

M



89

n

P2

Vùng làm việc


K
Đặc tính cơ

M

07

Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng chiều)
làm tăng từ thông, hoặc nối ngược (từ trường 2 dây quấn ngược nhau) làm giảm

89

từ thông.

Đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đường 1) sẽ là trung
bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ somg song (đường 2) và nối tiếp (đường
3) ở hình trên.

Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây kích từ
chính, dây quấn kích từ song song là phụ và nối thuận. Dây quấn kích từ song
song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi M nhỏ.
Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối
ngược, có đặc tính rất cứng (đường 4), tốc độ hầu như cố đònh khi momen thay
đổi. Thích hợp với các động cơ yêu cầu tốc độ ít thay đổi.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 8



mạch giảm, nghóa là độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém.
Phương pháp này không được khuyến khích thực hiện.

phần ứng động cơ.

07

2. Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho
Hệ thống máy phát- động cơ.

-

Hệ biến đổi van điều khiển (SCR)-động cơ.

-

Hệ điều áp van _ từ _ động cơ (khuếch đại từ _ động cơ).

-

Hệ điều áp nguồn _ động cơ.

89

-

Về các chỉ tiêu kỹ thuật và năng lượng thì phương pháp điều áp xung được
đánh giá tốt.
Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để, nghóa là có thể điều

C

4. Phương pháp điều rộng xung
Điện áp ra bao gồm những xung có bề rộng thay đổi được và biên độ là

K

hằng số. Yêu cầu là mạch có khả năng đóng ngắt ở tần số cao, có thể đóng ngắt
riêng cho từng ngắt khác nhau. Các loại mạch này thích hợp cho các mạch động

M

lực dùng transistor công suất, việc đóng ngắt nhiều lần, nếu ta thay đổi được các
độ rộng xung trong một chu kỳ thì ta có thể hạn chế được sóng hài bậc cao.

07

Với những nhận xét ưu điểm của bốn phương pháp điều chỉnh trên ta nhận
thấy: Để điều chỉnh tốc độ động cơ DC cần có dải điều chỉnh rộng, đòi hỏi chất
lượng điều chỉnh cao, ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng

89

phương pháp điều rộng xung nghóa là thay đổi được ton và fxung= 1/T = const.

III. CHỈ TIÊU CHẤT LƯNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Một hệ thống truyền động điện điều chỉnh có thể là tự động nếu có dùng
các khâu hồi tiếp để lập thành vòng kín hoặc là bán tự động khi chỉ điều khiển
vòng hở và chỉ bằng tay.
Chất lượng của hệ được đánh giá nhờ các chỉ tiêu sau đây:

 

MC

S% 

MC
 . od



C

(1-2)

K

Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của đặc tính cơ , tốc độ đặt
khi không tải lý tưởng od và phụ tải trên trục động cơ Mc.

M

Sai số  càng nhỏ nghóa là độ chính xác càng cao thì hệ càng tốt.
Nói chung các hệ bán tự động có độ chính xác không cao, đa số phương
hơn nhiều.

2. Phạm vi điều chỉnh

07



M dm

(1-4)



Với yêu cầu đảm bảo khả năng quá tải khi ta thấy đặc tính thấp nhất phải
có moment ngắn mạch bằng moment tải cực đại (hinh1-1).
M nm  M cMAX  K qt M dm

Trong đó: Kqt: Hệ số quá tải do máy gây ra.

0

C
max

min

M

K

0min



Mđm Mđm.Kqt
Hình 1_1






 * 1
K qt  1

(1-6)

Trong đó:

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 12


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
* 

 0 .



M dm

1
R  Rb*
*
u



 MIN 

M

Thay vào phương trình (1-7)
1  S cp M dm
.
S cp


(1-8)

07

Từ (1-4) và (1-8) ta xác đònh được:

D

 MAX
 MIN

(  *  1).S cp

89

D

M 


Trang 13


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
P2  E.I u  M . : Công suất đưa ra đầu trục
P1  P2  P  M . 

M 2 .R
*
: Công suất đưa vào

( K .) 2  *  R * .M *

Trong đó:
* 


0

M* 

M
M DM

R* 

1



-

Hệ thống kín.

a. Hệ thống hở

89

-

Hệ thống hở còn gọi là hệ thống bán tự động, nó thực hiện nguyên tắc
khống chế cứng, tức là tín hiệu ra không cần đo lường để hồi tiếp chuyển về đầu
vào. Mọi sự biến đổi của tín hiệu ra không phản ánh vào thiết bò điều khiển.
Khối điều khiển

Bộ biến đổi

Động cơ DC

Hình 1_2: Sơ đồ khối của hệ thống hở.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 14


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

 Nguyên lý điều chỉnh
Đối với động cơ DC khi giữ điện áp phần ứng không đổi, ta thay đổi độ


89

Khối điều khiển

Bộ biến đổi

Động cơ DC

Phản hồi
Hình1_4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín.
Khi sử dụng hệ thống điều khiển bán tự động thường sai số tốc độ tónh
tương đối lớn do đặc tính cơ tự nhiên của động cơ thường gặp đều có độ cứng
không đủ lớn. Đặc biệt là khi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản, độ cứng giảm hoặc
tốc độ không tải lý tưởng giảm. Vì vậy trong thực tế khi điều khiển động cơ
người ta thường dùng hệ kín để giảm sai số tốc độ và mở rộng dải điều chỉnh. Vì

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 15


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
sai số tónh của tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của động cơ nên biện pháp chủ yếu
dùng để ổn đònh hóa trong hệ là làm tăng độ cứng đặc tính cơ, muốn vậy thông
số điều chỉnh phải thay đổi tự động theo giá trò phụ tải sao cho đủ khả năng bù
trừ lượng sụt tốc do tải gây ra. Do đó người ta sử dụng các vòng hồi tiếp dòng
điện, tốc độ truyền động tự động vòng kín.
 Nguyên lý điều khiển tự động vòng kín
Trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đổi dấu điện áp

min thì sai số tónh vượt quá giới hạn cho phép.
S

 0 MIN   MIN
 MIN

(1-11)

5. Khảo sát hệ điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo vòng kín
Động cơ DC kích từ độc lập được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện,
điều khiển vòng hở không thoả mãn yêu cầu đặt ra về cơ cấu. Vì thế hệ thống
đòi hỏi yêu cầu chính xác cao nghóa là cần phải thay đổi góc kích trong quá trình
biến đổi tải, nên giải quyết bằng hệ thống điều khiển vòng kín.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 16


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

U
wđ

wt
-

Khối điều khiển

k

Nhờ hệ điều khiển vòng kín có đặc điểm làm hệ truyền động có độ chính
xác cao, tác dụng nhanh, ảnh hưởng của thành phần nhiễu bò hạn chế, tính được
hàm truyền với ẩn số là Iư.

U u ( s )  Eu ( s )
1 U u ( s )  Eu ( s )

.
Ru  Lu ( s) Ru
1  S .Tu



Tư: Thời hằng của mạch phần ứng.
Tu 

 (s) 

89

I u ( s) 

Iu
Ru

J



(1-13)

+

+
-

+
-

-

Vkt

Hình 1_7: Sơ đồ tương đương của động cơ

C

Phương trình cân bằng điện áp
.I u  Lu .

K

U u  E  Ru



dI u
dt

(1-15)
(1-16)

(1-19)

Eu (s)  K . dm . (s)

(1-20)

M (s)  M t (s)  B. (s)  s.J . (s)

(1-21)

M (s)  K . dm . (s)

(1-22)

từ phương trình (1-19) có quan hệ giữa tốc độ và điện áp phần ứng và
moment tải:
 ( s) 

G1 ( s)
G2 ( s )
U u (s) 
M t ( s) (1-23)
1  G1 ( s).H 1 ( s)
1  G2 ( s).H 2 ( s)

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 18



B(1  s.Tu )

(1-26)

( K .) 2
H 2 ( s) 
Ru (1  s.Tu )


C

(1-27)

K

Nếu xét ở chế độ không tải lúc Mt = 0, thay (1-26) vào (1-23) ta được:
 ( s)

( K)  Ru
2



K .
.B(1  s.Tu )(1  s.TM )

(1-28)

M


89

I u ( s)



(1-28)



B

TM

Đặt

Ru

TM 1

B


( K) 2  Ru

KM 

K .
( K)  Ru
2

I u ( s)

KM
1  s.TM 1

(1-31)

KM 2
K

B(1  s.TM ) 1  s.TM

(1-32)

Với
KM 2 

K .
B

C

Mt(s)
Iu(s)

Uu(s)

Ru



 u .
 M .
U u ( s)  ( s) U u ( s) K M 2 1  s.TM 1

(1-33)

Đặt
K M1 

KM
B

2
K M 2 ( K .)  Ru



B

Vậy:
I u ( s)
1  s.TM
 K M1
U u ( s)
1  s.TM 1

Khi phân tích động cơ DC kích từ độc lập có thể phân tích thành hai khối
sau:
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH



a. Đảo chiều dòng kích từ

M

Phương pháp này dùng một bộ biến đổi đơn trong mạch phần ứng và một
bộ tiếp điển đảo chiều trong mạch kích từ. Phương pháp này đơn giản về mặt
thiết bò, giá thành hạ, thuận tiện trong việc vận hành, bảo quản. Nhưng do quán
đến vài giây.

07

tính mạch từ của mạch kích từ lớn nên thời gian đảo chiều của động cơ có thể

89

b. Đảo chiều dòng phần ứng bằng một bộ biến đổi đơn và một bộ tiếp
điểm đảo chiều trong mạch phần ứng

Phương pháp này thời gian đảo chiều nhanh hơn phương pháp trên và sơ
đồ tương đối đơn giản. Nhược điểm của nó là phải dùng các tiếp điểm của mạch
động lực. Ta sử dụng quy luật điều khiển bộ biến đổi để đảm bảo đóng cắt tiếp
điểm khi dòng phần ứng gần bằng không, nhưng khi đó tác động của hệ thống
trong các quá trình quá độ phải bắt buộc diễn ra theo trình tự nhất đònh, do đó
làm tác động nhanh.
c. Đảo chiều cực tính điện áp trên mạch phần ứng dùng bộ biến đổi kép
Phương pháp này tuy phức tạp nhưng tránh được những nhược điểm của
hai phương pháp trên. Bộ biến đổi kép gồm hai bộ biến đổi đơn, một để tạo điện
áp thuận, một tương ứng với điện áp ngược. Tương ứng với hai chiều quay của


tốc không đổi ứng với vận tốc nào đó. Lúc đó trong hai bộ biến đổi có một bộ

07

biến đổi làm việc tích cực cung cấp dòng cho tải, bộ còn lại trong trạng thái chờ
và không có tác dụng gì đối với tải.
b. Chế độ máy phát

89

Giả sử khi có một xung kích cho bộ biến đổi với một chuỗi xung có các
khoảng ton khác toff nên khi có xung kích thì dòng qua tải là tăng dần lên đến
điểm cuối của ton thì dòng qua tải giảm dần, lúc này là động cơ trả năng lượng về
lưới nên động cơ được xem như máy phát, đến khi động cơ được kích dẫn bởi
xung kế tiếp thì lúc đó dòng bắt đầu tăng lên.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 22


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

Xung kích

Iư

Giản đồ xung kích

C

I. Khái niệm
Điều khiển vò trí động cơ DC là một hệ thống điều khiển được sử dụng
rộng rãi hiện nay như điều khiển robot tay máy, cơ cấu ăn giao máy cắt gọt kim
loại, kính viễn vọng…công suất có thể từ hàng chục watt đến hàng trăm kw.
Chỉ tiêu chất lượng được quan tâm nhiều nhất trong cơ cấu này là độ tác

C

động nhanh, nó phản ánh qua giãn đồ tối ưu về tốc độ w(t), gia tốc a(t), vò trí (t).
Có thể điều khiển vò trí bằng các phuong pháp: dùng khâu hiệu chỉnh PID,

K

dùng logic mờ hay dùng các vòng phản hồi tốc độ.

II. Điều khiển vò trí dùng PID

M

Phương pháp này rất hay được dùng trong công nghiệp vì nó lấy ưu điểm
của từng khâu P, PI, PD.

07

1. Dạng liên tục của khâu PID
Cấu trúc của khâu PID gồm có:

89

Thành phần UP (t) là tỷ lệ giữa sai số đầu ra của hệ thống thực với giá trò

=

K.[1+1/Ti.s+Td.s] . E(s)

= K.[1+Tis + Ti.Td.s]E(s)/Tis
 Khâu PID viết ở dạng rời rạc:
Ta cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể được xác lập
bởi một sai phân có giới hạn ;Và tích phân qua việc lấy tổng.Chúng ta quan tâm
mỗi dạng ở một thời điểm khác nhau,với sai số được tính toán ở mỗi khoảng lấy

C

mẫu:

e(kh)=uc (kh) - y(kh)

K

Với h là chu kỳ lấy mẫu.

2. Chức năng cụ thể các thành phần trong PID

M

Khâu tỉ lệ (P) : Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ được đưa vào hệ thống
nhằm làm giảm sai số xác lập. Nhưng với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây

07

vọt lố và có thể không chấp nhận được với mạch động lực.