TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
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
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

Yêu cầu
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


ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
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
1.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập
1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi
1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI
1.4 VISME
1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý
1.4.2 Ưu - nhược điểm của visme
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
2.2 TỔ HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG
2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI
2.3 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
2.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ khi có mạch điều khiển dòng
2.4 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
Chương 3 MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI
KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MÔ PHỎNG
3.1.1 Các thông số đã biết
3.1.2 Các thông số chọn
3.1.3 Tính toán các thông số
3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK
3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
2

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý ……………..……………..………………………….16
a) Cấu tạo ……………..……………..……………..……………..………………16
b) Nguyên lý……………..……………..……………..……………..……………17
1.4.2 Ưu - nhược điểm của visme ……………..……………..……………..…….17
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ……………..………….18
2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG………....……………………….19
2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng ……………..………………………..19
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI ……………..……………..…………………….20
2.3 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ……………..………………...22
2.4 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ……………...…………………..24
Chương 3. MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI
KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4


3.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MÔ PHỎNG.……………..…………………...25
3.1.1 Các thông số đã biết …...…………………………………………………...25
3.1.2 Các thông số tính chọn ..……………………………………………………25
3.1.3 Tính toán thông số ………….……………..……………..…………………25
3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK ……………..……………..……………….28
3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ……………..……………..………………………..29
3.3.1 Với momen cản Mc = 0; điện áp đặt 10v …………………………………..29
3.3.2 Với momen cản Mc = 0; điện áp đặt 10v……………………………………32

5


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công

Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc theo chế độ động cơ. Nghĩa là
máy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại.
b) Cấu tạo
Cấu tạo máy điện một chiều gồm 3 phần chính:
- Stato: Còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy,
thường được chế tạo bằng gang hay thép đúc. Stato là mạch từ cũng là vỏ máy bao
bọc các bộ phận bên trong. Phía mặt trong của stato được gắn các cực từ, phần cuối
của cực từ được làm loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ có gắn cuộn dây
kích từ.

Hình 1.1. Cấu tạo máy điện một chiều
- Roto: còn gọi là là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng.
- Lõi thép: có hình trụ được ghép từ các lá ghép kĩ thuật điện, ghép cách điện với
nhau nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy.

7


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

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 chủ yếu 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 cần cho
máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một chiều
đi kèm.
1.1.2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi mạch điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào 2 nguồn độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động
cơ kích từ độc lập.

Hình 1.4. Sơ đồ nối dậy của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ϖ=
Phương trình đặc tính cơ:

Uö
R + Rf
+ ö
×M đñt
kφđñm ( kφ ) 2
đm

Với Uư: điện áp phần ứng
10

p: số cặp cực từ chính của động cơ
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:

ϖ=

Uö Rö
U
Rö
−
Iö = ö −
M
Kφ Kφ
Kφ ( Kφ ) 2 đñt

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: U k (p) = R k .I k + N k .p.φ(p)
-Với mạch phần ứng: U ö ( p) = R ö .I ö (p) + L ö .p.I ö (p) ± N N .p.φ(p) + E(p)
- Phương trình cân bằng momen: M đñt (p) – M c (p) = Jpϖ(p)
12


Từ phương trình phần ứng ta có:
I ö (p) =


hiệu K.φ = const = C u ta có: M(p) = Cu .I(p) và E(p) = Cu .ϖ(p)

14


Trong trường hợp này mô hình toán của động cơ chỉ có hai phương trình cân
bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học.
U(p) = R ö .I(p).( 1 + Tö p ) + Cu .ω( p)
C u .I(p) – M c (p) = J.p.∆ω( p)

Từ hai phương trình trên ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ
độc lập với từ thông khòn đổi.Trong trường hợp này động cơ là đối tượng tuyến
tính.

Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc động cơ kích từ độc lập với từ thông không đổi.
1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI (CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA)
Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

15


Hình 1.10. Mạch động lực

Hình 1.11. Sơ đồ tổng quát bộ biến đổi
Trong đó Tv0 kể tới sự không đồng thời của tín hiệu
Tđk là hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu
Kcl 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



b) Nguyên lý: Động cơ quay trục Vít me làm cho đai ốc gắn với tải chuyển động
dọc theo trục hoặc ngược lại.
1.4.2 Ưu - nhược điểm
Vít me đai ốc
thường
- Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất truyền lớn - Giá thành hạ hơn
gần bằng 0.9.
so với Vít me đai ốc
- Đảm bảo truyền động ổn đinh vì gần nhưu ma bi
sát không phụ thuộc vào tốc độ.
- Khả năng chịu tải
- Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên cao hơn so với
đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao.
Visme đai ốc bi
- Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.
Vít me đai ốc bi

Ưu
điểm

Nhược - Khả năng chịu tải kém hơn Vít me thường
điểm
- 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

2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG
2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng

19


Hình 2.2. Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng
Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển
động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dong điện của động cơ không vượt quá
ngưỡng cho phép. Mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập giá trị dòng
bằng giá trị điều khiển trước sự tác động của nhiễu.
Đối với động cơ một chiều bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo hai cách:
- Tổng hợp bộ điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ứng
- Tổng hợp bộ điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứng
Trong trường hợp quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện nghĩa là tại thời
điểm đó có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn hơn nhiều lần so với sự thay đổi
của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi. Khi cần điều khiển
chính xác thì ta cần phải tính đến xác xuất điện động của động cơ.
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI
Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành thì
mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản có chức năng cơ bản của các
mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ,
ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc...

20


Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Trong đó:


TSI = TSI + TVđk+ T

1 + 2TSI .p + 2TSI .p 1 + 2TSI .p

2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Rϖ
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.
22


Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ
Theo hình 2.6 ta có đối tượng cho bộ điều khiển:
Sϖ =

k
1 KI
Cu
× × ϖ
1 + 2TSI .p J.p 1 + Tϖ .p

; với

kϖ
1 + Tϖ .p

là hàm truyền khâu đo

- Khi tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu, với giá trị T SI
rất nhỏ ta sẽ được:
FI (p) =

Rϖ =

1
k ϖ .C u K I
×2τp ( 1 + τp )
Jp ( 1 + 2TSω .p )

Đặt τ = 2TSϖ
⇒ Rϖ =

1
k ϖ .Cu .4TSϖ
KIJ

Từ công thức trên ta thấy

Rϖ =

K I .J
k ϖ .Cu.4Tϖ

Kết quả khi tổng hợp bằng modul tối ưu có TSϖ rất nhỏ nên ta có:
1 kϖ
ϖ
≈
= Fϖ
ϖ ñđ 1 + p.TS ϖ

24


kϕ
S.2.τ.p ( 1 + τp )
1 kϖ k r
× ×
×τ.p ( 1 + τp )
1 + 4TSϖ p 1 + Tϕ ×p
Tϕ = τ

. Ta có:

kϖ
( 1 + 4TSϖ .p )
2k r .k ϕ Tϕ

Bộ điều khiển vị trí tổng hợp theo phương pháp tối ưu là một bộ P–D.
25