LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong các
ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện
một 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 truyền 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 được dùng phổ biến trong các hệ
điều khiển công nghiệp.Mục tiêu 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 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 truyền sản xuất.
Trong học kì này em đã nhận được đề tài:” Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
động cơ một chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng bộ băm xung khi có
đảo chiều quay’.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến Lương
trong quá trình là đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã cố gắng nhưng cũng không
tránh khỏi những sai xót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô.

1


CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ BỘ BIẾN ĐỔI
XUNG ÁP
1.1. CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ

2


1.1.2.

Các bộ phận khác: cánh quạt, trục máy.
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng

có dòng điện. các thanh dẫn trên roto mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác
dụng lực tương hỗ lên nhau tạo lên mô men tác dụng lên roto, làm quay roto. Chiều lực
tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái.

Hình1.2: Mô tả nguyên lí làm việc của động cơ một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn đối diện đổi chỗ cho nhau, nhờ có
phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng xoay
chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác
dụng lên roto cũng theo một chiều xác định, đảm bảo động cơ có chiều quay không
đổi.
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 các đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là đại lượng định mức.
Phần ứng được biểu diển bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato
có thể có vài dây quấn kích từ : dây quấn kích từ độc lập ckđ, dây quấn kích từ nối tiếp
ckn, dây quấn cực từ phụ cf và dây quấn bù cb. hệ thống các phương trình mô tả động
3


cơ một chiều là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường
là điện áp phần ứng u, điện áp kích thích u k, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động


Ru = ru + rcf + rb + rct

(1.2)

ru : điện trở cuộn dây phần ứng
rcf :

điện trở cực từ phụ

rb : điện trỏ cuộn bù
rct : điện trở tiếp xúc chổi điện
Suất điện động của phần ứng được xác đinh theo biểu thức sau :

Eu = K .ω.φ =

p.N
φω
2.π .a

(1.3)
Trong đó :
p: số đôi cực từ chính
n : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
φ : từ thông kích từ dưới một cực từ
5


ω : tốc độ góc



U u Ru + R f
−
M
Kφ
( Kφ ) 2

(1.5)
Từ các phương trình trên mối quan hệ ω=f(M) và ω=f(I) được biểu diển như hình sau:

Hình 1.6: Dạng đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ một chiều
1.2.CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
a. Chế độ xác lập của động cơ một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng
điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông φ. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên
mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa
dòng điện phần ứng và từ thong kích từ tạo thành mô men điện từ, giá trị mô men điện từ
được tính như sau:
M= φI=k.φI

(1.6)

Trong đó:α- số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng
p- số đôi cực của động cơ
6


N- số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ
K= : hệ số kết cấu của máy
Mô men kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và

Hoặc dòng điện:
I(p) =[ U(p) NN.p.φ(p) - E(p)]

(1.11)

Trong đó: Lư là điện cảm mạch phần ứng
NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
Tư –Lư/Rư – hằng số thời gian mạch phần ứng
Phương trình chuyển động của hệ thống:
M(p) –Mc(p) = Jpω

(1.10)

J là mô men quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ.
7


Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
1.3.1. Phương pháp thay đổi diện trở phụ
- Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
+) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm,φ = φ đm và
nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
(1.11)
+) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó
càng mềm hơn.

Hình 1.8: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phụ
Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên

- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá
mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không
vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo
cùng tỉ lệ
9


- Đặc điểm của phương pháp:
+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc
thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.
+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với
công suất không đổi.
1.3.3. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
- Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy
phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn
này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động
Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với
động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b và điện cảm Lb khác không. Để
đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi,
còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ
thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.

Hình 1.10: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng
Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
(1.12)
(1.13)
10



Vì các giá trị Mđm, ω0min, scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độ
cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc này,
trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín. Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều
nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay
đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì

12


nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không
bị tổn hao.
1.4. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP
Bộ biến đổi xung áp một chiều là thiết bị dùng để thay đổi điện áp ra tải từ nguồn điện
áp một chiều cố định.
Nguyên lí cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1.17. Giữa nguồn một
chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động của BXMC là cho
van đóng cắt theo chu kỳ với quy luật:
-

Trong khoảng thời gian 0-To cho van Tr dẫn, điện áp trên tải sẽ có giá trị bằng

-

điện áp nguồn Ut=E.
Từ to đến T, van Tr không dẫn, tải bị ngắt khỏi nguồn nên Ut=0

-

Hình 1.17: Nguyên lí băm xung một chiều

2.1. ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC HỆ THỐNG

14


Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc
lập
Trong đó:
BBĐ : Bộ biến đổi xung áp không đảo chiều
Ri, Rω: Các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ
Si ,Sω: là các sensor tốc độ, sensor dòng điện đóng vai trò khâu phản hồi
Đ: động cơ truyền động một chiều với thông số cho trước.
HCD: phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ
Hệ truyền động 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 mô men 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..
Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo phương trình, thực chất là hệ điều khiển
vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình đặt trước,


Hình 2.2:Mạch nguyên lý đo dòng điện 1 chiều
Mạch đo bao gồm khâu biến điệu, khâu chỉnh lưu nhạy pha, tín hiệu đo được sóng
biến điệu chuyển qua biến thế sau đó chỉnh lưu thành tín hiệu xoay chiều.

Giữa

sơ cấp và thứ cấp được cách ly bởi biến thế. Thông thường sóng biến điệu có tần số
cao do vậy biến thế ở đây dung lõi ferit nên giảm kích thước thiết bị. để nhiễu xoay
chiều không làm ảnh hưởng lớn đến bộ điều chỉnh ta phải chọn tần số dao động lớn
hơn mười lần tần số cơ bản đầu ra của bộ chỉnh lưu.
Trên hình2.2 là sơ đồ cách ly các đại lượng một chiều dùng bán dẫn quang điện. Nó
dùng mạch dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung và
mạch tích phân.
Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:
KI
WI (s) =
1 + TI s
(2.1)
Trong đó: TI – hằng số thời gian của máy biến dòng
KI - hệ số phản hồi dòng điện

b. Sensor tốc độ Sω
17


Đóng vai trò là khâu phản hồi tốc độ, trong mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo ra
một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ động cơ. Để làm được điều đó người ta thường
dùng máy phát tốc một chiều, nó được nối cứng trục với động cơ.
Máy phát tốc một chiều :

- hằng số thời gian của máy phát tốc

Kω

- hệ số phản hồi của máy phát tốc

2.2.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Hình 2.2: Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện
Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển động cơ
một chiều, nó cũng hạn chế dòng 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 cảu nhiễu.
Đối với động cơ một chiều bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo 2 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 so với sự thay đổi của tốcđộ và tại
những điểm đó xem như tốc độ không đổi. Khi cần điều khiển chính xác thì ta cần phải
tính đến suất điện động của động cơ.
•

Tổng hợp bộ điều khiển RI:

19



.
1 + Tu .s (1 + Tbd .s)(1 + Tv .s) 1 + TI .s
(2.3)

T ∈ =T ∈ + Tv+Tk
thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện.

Hình 2.6:Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Khi tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu, với giá trị T SI rất
nhỏ ta sẽ được:
FI =

1/ KI
1 + 2T∈.s + 2T∈2 .s 2

(2.9)

1/ K I
FI (s) 1 + 2T∈.s
≈

(2.10)

Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ như trên hình 2.6, trong đó Sω là sensor tốc độ có hàm
truyền là khâu quán tính với hệ số truyền Kω và hằng số thời gian Tω. Thường Tω có giá trị nhỏ, khi
đó đặt T’=2t +Tw, đối tượng điều chỉnh có hàm truyền:

S w (s) =

1 / Ki
Kw
K .Cu
Cu
1
.

1 + 4τ ∈' s
Rw =
K w .Cu.8.τ ∈'2 .s
J .K i
1 + 4τ ∈' s.J .K i
=
K w .Cu.8.τ ∈'2 .s
Rw =

JK i
1
(1
+
)
2kw .Cu.τ ∈'2
4τ ∈' .s

Vậy bộ điều khiển Rw là 1 bộ PI
2.3. TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN
Các thông số của động cơ một chiều kích từ độc lập: Mã JI-51
Pđm =6(KW)
Uđm= 220(V)
nđm=1500(v/ph)
Iđm= 33(A)
Rư= 0.472(Ω)
Lư=0.0253(H)
J= 0,350(kg.m2)
a,Tính toán mạch vòng dòng điện
Tốc độ góc:



(2.15)

Lu 0, 0253
=
= 0, 054s
Ru
0, 472

(2.16)

→ KΦ =

Tu =

(2.14)

Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
Ri =


Lu
1 
1 +
÷
2 K bd K iT∈ 
Tu .s 

T ∈ =Ti+Tv+Tdk=0,01s+0,001s+0,001s=0.012s


1 

→ Ri = 0.23 1 +
÷
 0, 054 s 

(2.21)
Bộ tổng hợp theo tiêu chuẩn MĐTƯ nên hàm truyền kín cảu mạch vòng dòng điện có
dạng

FI =

1 / KI
=
1 + 2T∈. p + 2T∈2 .s 2

FI =

1 + 0.024s + 0, 000288s 2
0, 21

b,Tính toán mạch vòng tốc độ
=.
24


Chọn =10V
= = 0,064
Ta có :
=+

)
0,136s
(2.23)

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG CHẤT LƯỢNG
3.1. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB- SIMULINK
Trên matlap – simulink ta có thể dễ dàng tìm hiểu và thành lập mô hình mạch vòng
điều chỉnh tốc độ dựa trên mô hình đã tổng hợp được trên lý thuyết.

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng mạch vòng điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều trên
Matlab- Simulink

25