LỜI NÓI ĐẦU
Đối với kỹ sư điều khiển - tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứu
khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát
các đối tượng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà không nhất thiết phải có đối
tượng hay hệ thống thực. Được trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về
các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và
giảm chi phí nghiên cứu - phát triển sản phẩm một cách đáng kể. Điều này đặc biệt
có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh
tế lớn.
Động cơ điện một chiều ngày nay vẫn được sử dụng khá rộng dãi bởi những
tính năng ưu việt mà nó mang lại như : không cần nguồn xoay chiều , thực hiện
việc thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng v.v…Chính vì những lí do đó mà
em chọn động cơ một chiều là đối tượng để mô phỏng trong bài làm của mình.
Vì các điều kiện công nghệ nhất định, hay cũng có thể vì lý do muốn giảm
chi phí thiết bị, ta có ý định tiết kiệm khâu đo tốc độ quay nhưng lại vẫn muốn điều
chỉnh tốc độ quay của động cơ một chiều.Chính vì thế các khâu quan sát tốc độ có
vai trò hết sức quan trọng và được em tìm hiểu và mô phỏng trong để tài của em: “
Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập không sử dụng
cảm biến tốc độ”

1


Chương 1:KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Khái quát động cơ điện một chiều
1.1.1 Cấu tạo chung của động cơ một chiều:
Máy điện một chiều có thể là máy phát hoặc động cơ điện và có cấu tạo giống
nhau. Những phần chính của máy điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) và
phần ứng (phần quay).
*Phần cảm (stator):
Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là

Các bộ phận khác như trục máy, quạt làm mát máy…
1.1.2.Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Trên hình 1.4 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây
quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ
trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mômen tác dụng lên rôto,
làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình
1.4a).

3


Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình
1.4b), 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 rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.

1.1.3 Các trị số định mức của động cơ điện một chiều:
Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một
chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định.
Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những
đại lượng định mức.
1.
2.
3.
4.

Công suất định mức Pđm (kW hay W).
Điện áp định mức Uđm (V).

U u − E u Kφω 0 − Kφω
=
ω 0

.

+ Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ vẫn không thay đổi nên phương trình đặc
tính cơ của nó vẫn là :

ω=

U u Ru + R f
−
M
Kφ
( Kφ ) 2

5


Hình 1.6 . Đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh
Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ 2 và thứ tư

Ru + R f
Ru .R f

M h = KφI h

Hình 1.7 . Đặc tính cơ ở trạng thái hãm ngược TH1
Như vậy ở đặc tính hãm ngược sức điện động tác dụng cùng chiều với điện áp
lưới. Động cơ làm việc như một máy phát nối tiêp với lưới điện biến năng nhận từ
lưới và cơ năng trên trục thàn nhiệt năng đốt nóng điện trở tổng của mạch phần
ứng vì vậy gây tổn thất năng lượng lớn.
Vì sơ đồ đấu dây của động cơ không thay đổi, nên phương trình đặc tính cơ là
phương trình đặc tính biến trở.
+) Trường hợp 2 : Đảo chiều điện áp phần ứng.
Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải M C, ta
đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điện trở phụ vào mạch. Động cơ chuyển
sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở. Tại b mômen đổi chiều chống lại
chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc. Tại c tốc độ bằng không,
nếu ta cắt điện áp phần ứng khỏi điện áp nguồn thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu
vẫn giữ điện áp nguồn đặt vào động cơ và tại điểm c mômen động cơ lớn hơn
mômen cản MC thì động cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d.Đoạn
bc là đặc tính hãm ngược và dòng điện hãm ngược được tính :
7


Ih =

− U u − Eu U u + Eu
=
Ru + R f
Ru + R f

8


Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị ωhđ nên :

Ehd = Kφω hd
Và dòng điện hãm ban đầu :

I hd =

− Ehd
− Kφω hd
=
Ru + R f
Ru + R f

Tương ứng có mômen hãm ban đầu :

M hd = KφI hd < 0
Từ hai biểu thức trên chứng tỏ dòng I hd và Mhd ngược chiều với tốc độ ban đầu của
động cơ khi hãm động năng Uu = 0 nên ta có các phương trình đặc tính sau:

ω=−

ω=−

Ru + R f
Kφ

Ru + R f

Phương trình cân bằng công suất khi hãm động năng :

Eu .I h = ( Ru + Rh ).I h

2

Hãm động năng tự kích :
Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lưới thì không
thực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn . Muốn khắc phục
được nhược điểm này người ta thường sử dụng phương pháp hãm động năng tự
kích từ.
-

Hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cả
cuộn kích từ khỏi lưới điện đẻ đóng vào một điện trở hãm, chú ý chiều dòng điện
kích từ vẫn phải giữ không đổi .
Ta có : Iu= Ih+Ikt

Iu =

−E
− Kφω
=
R .R
R .R
Ru + kt h
Ru + kt h
Rkt + Rh
Rkt + Rh


chúng có cùng tốc độ ban đầu và cùng mômen cản Mc. Tuy nhiên hãm động năng
ưu việt hơn về mặt năng lượng dặc biệt là hãm động ănng tự kích vì không tiêu thụ
năng lượng từ lưới nên phương pháp hãm này có khả năng hãm khi có sự cố mất
điện lưới.
1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
1.Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng.

11


Giả thiết U = Uđm = const. Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng, bằng
cách mắc thêm một điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng và thay đổi giá trị điện trở
Rf thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. Vậy phương trình đặc tính cơ lúc này sẽ là :
U
Rö + Rf
ω=
−
.M
K.φ ñm ( K.φ ñm ) 2
Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở Rf thì tốc độ sẽ thay đổi theo.
- Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc R f vào mạch điện phần
ứng như sau :

o

1= đm

(1) Rư = RTN

2

U
Rö
ω=
−
M = ωo − ∆ω
K.φ (K.φ) 2
Trong đó :
ωo – là tốc độ không tải, ωo = var ;
∆ω
∆ω
- là độ sụt tốc độ,
= var.
- Ta có đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ như sau:
12


02
01

02
01

(2)

đm
(1)

I

Iđm

Ui
M = const
ωoi =
= var ∆ω =
K.φ ñm
(K.φ ñm ) 2
;
.
- Đặc tính cơ :
o

Uđm

o1
o2
o3

13

U1
U2
U3

M


Chương 2 .XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG
DÙNG CẢM BIẾN
2.1 Xây dựng khâu quan sát trạng thái của động cơ điện một chiều
Vì các điều kiện công nghệ nhất định hay cũng có thể vì lí do muốn giảm chi

 u1 
u 
u= 2
 
 
u m 
∧

y

– vector tín hiệu ra:

15


 y1 
y 
∧
y =  2
 
 
 yr 
∧

x

- vector trạng thái:
 x1 
x 
∧

C,D :là các ma trận đầu ra
u;là tín hiệu vào
y: tín hiệu ra
x;tín hiệu trạng thái
16


D
u

B

x

x

y

C

A
Hình 2.1 Mô hình trạng thái
Khi có khâu quan trạng thái Luenberger

D
u

x

B

y

∧

x

=A + Bu + Le
∧

x

= C +Du
17


Sai lệch quan sát:
∧

∧

y

e = y-

x

= C(x- )

Phương trình trạng thái mới
0

x

||x(t) - (t)||

∞

=0

Khi t >=T

Sai lệch của hai mô hình:
∧

e(t) = x(t) de
→ dt

x

(t)
∧

=

d ( x − x)
dt

∧

x


cực ứng với hệ đối ngẫu của đối tượng đã cho.

u


x

dx
= Ax + Bu
dt
y = Cx + Du

y


dx


= Ax + Bu + L( y − Cx − Du)
dt

Hình 2.3 Bộ quan sát trạng thái của Luenberger( dạng toán học
Điều kiện để áp dụng phương pháp thiết kế cho trước điểm cực là đối tượng
phải điều khiển được thì nay thông qua hệ đối ngẫu đựơc chuyển thành thì điều
kiện đối tượng phải quan sát được thì thì mới tồn tại bộ quan sát.
Một số điều chú ý là bộ quan sát thường được sủ dụng kèm với bộ điều khiển phản
∧

x


dt

nh 2.4 Hệ thống điều khiển kín có sự tham gia của khâu quan sát trạng thái
Luenberger
2.3. Tổng hợp mạch vòng của động cơ một chiều với khâu quan sát trạng thái
2.3.1.Động cơ một chiều kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const.
Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng
nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
KΦ = const
Khi đó: - Phương trình mạch phần ứng có dạng:
U(p) = RuI(p)(1+pTu) + KΦ .ω(p)

(2.1)

- Phương trình hệ điện cơ có dạng:
M – Mc(p) = J.p.ω(p)

(2.2)

Từ hai phương trình (2.1) và (2.2) ta suy ra sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
được biểu diễn trên hình 2.5:

20


U

Up

−E


1
Ru(1+pTu )

Mc

Iu

M

1
Jp

K

E
K

M
U
X

y
x'=Ax+Bu
y=Cx+Du

Hình 2.6: Mạch vòng của động cơ một chiều với khâu quan sát trạng thái.
So với mạch vòng của động cơ một chiều,thì mạch vòng ở hình 2.9 có thêm khâu
chỉnh lưu và khâu quan sát. Khâu chỉnh lưu dưới dạng khâu tích phân 1/T p để điều
chỉnh điện áp đặt vào phần ứng của động cơ ổn định hơn. Khâu quan sát được gán

22


riêng của ma trận hệ thống là những giá trị g làm cho det(gI – A^T) = 0.
Các ma trận trạng thái
A= []
B= []
C= []
Trước tiên ta tính
Det(g.I- A^T)=0;
Ta có A^T=[-27.58 1.82 ; -113.74 0 ];
g.I=[ g 0 ; 0 g ];
g.I-A^T = [g+27.58 -1.82 ; 113.74 g ];
det(g.I-A^T) =0 vậy det([g+27.58 -1.82 ; 113.74 g ] )=0
g^2 +27.58g +92.13=0
g1=-3.88 và g2=-23.69;

C^T có hạng là 2. Vậy ta có thể dịch chuyển được 2 điểm cực. Đối
tượng có 2 điểm cực là g1= -3.88 và g2=-23.69
Ta sẽ sử dụng thuật toán để xác định R (chính là LT) chuyển g1=-3.88 tới điểm
s1=-3
Bây giờ ta xác định b1 là véc tơ riêng bên trái của đối tượng ứng với g1=-3.88

= []=
Chọn b1=]
Bây giờ ta xác định b2 là véc tơ riêng bên trái của đối tượng ứng với g2=-23,69
Tương tự như trên ta tính được b2=]
23