thiết kế hệ truyền động cho động cơ quay chi tiết mài tròn

tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Đồ án môn học
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
(Đề số 7)
Thầy giáo hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện :
Tên đề tài : Thiết kế hệ truyền động cho động cơ quay chi tiết mài tròn .
Các thông số kĩ thuật :
- Mômen cực đại M
max
: 20[Nm]
- Tốc độ quay chi tiết n : 30->900[vòng /phút]
- Tỉ số truyền i : 3
- Hiệu suất η : 0.85
- Mômen quán tính cơ cấu J: 0.007 [Kg/m
2
]
Yêu cầu nội dung :
- Nêu các yêu cầu về công nghệ và truyền dộng .
- chọn phương án truyền động . tính chọn công suất cho động cơ
và mạch lực .
- Xây dựng cấu trúc tổng hợp của hệ .
- Thiết kế mạch điều khiển .
- Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK .
Phương án thiết kế :
- Hệ truyền động động cơ xoay chiều dùng phương pháp điều chỉnh tần số .
- Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp chỉnh lưu
- Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp băm xung áp .
Tài liệu tham khảo :
- Điện tử công suất
- Truyền động điện

- Tự động điều chỉnh truyền động điện
- Trang bị điện điện tử máy gia công kim loại
- Các đặc tính cơ của động cơ trong truyền động điện .
1
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Phần I : TÌM HIỂU YÊU CẦU CÔNG NGHỆ
I . Yêu cầu công nghệ :
Bản chất của mài là quá trình cắt gọt được thực hiện đồng thời bởi nhiều
hạt mài có các lưỡi cắt khác nhau , được phân bố một cách ngẫu nhiên trên
bề mặt đá mài .
1 . Cấu tạo đá mài :
Đá mài được chế tạo từ vật liệu mài kết hợp với chất kết dínhđược tạo hình
và thiêu kết trong những điều kiện nhất định và thoả mãn một số tiêu chuẫn
kĩ thuật .
* Vật liệu mài :
Hạt mài được chế tạo từ các vật kiệu có độ cứng rất cao . trên mỗi hạt lại có
nhiều lưỡi cắt với góc trước γ<0 . só lưỡi cắt trên một hạt mài tham gia
vàoquá trình cắt luôn biến đổi phụ thuộc vào tải trọng cơ nhiệt của vùng tiếp
xúc giữa đá mài và vật bị mài.
Hạt mài thường được chế tạo từ các loại vật liệu sau :
- nhóm vật liệu corun : là nhóm vật liệu mà thành phần chính là AL
2
O
3

với một số oxit kim loại đặc biệt , có độ ứng cao, ròn , nhạy cảm với
nhiệt độ cao, khi mài cần phải tưới dung dịch trơn nguội .
- nhóm vật liệu cacbit silic : nhóm vật liệu này có độ cứng và độ ròn cao
hơn nhóm corun nhưng loại cacbit silic xanh có độ cứng rất cao , được
dùng để gia công các hợp kim cứng , thuỷ tinh .

- nhóm vật liệu nitrit bo có cấu trúc mạng tinh thể lập phương (CBN) có
độ cứng , độ bền và đặc biệt có thể giữ được cơ tính ở nhiệt độ cao hơn
các nhóm vật liệu trên , vì thế mà loại vật liệu này đang được sử dụng
rộng rãi .
- nhóm diaman :là các bon có cấu trúc mạng tinh thể lập phương , tuy
nhiên diaman (tự nhiên hay nhân tạo) rất đắt , độ cứng tế vi giảm
nhanh khi nhiệt độ tăng .
* Chất kết dính :
2
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
chất kết dính ảnh hưởng quyết định tới độ bền cơ học và độ cứng của đá mài .
độ cứng của đá được đáng giá bằng khả năng tách các hạt mài ra khỏi bề mặt
đá mài dưới tác dụng cơ nhiệt của quá trình mài . Đá khó bị tách các hạt mài
ra khỏi bề mặt đá mài gọi là dá cứng và ngược lại .
chất kết dính thường được dùng là vật liệu gốm sứ , vật liêu silicat , vật liệu
tổng hợp hữu cơ , cao su tổng hợp , chất kết dính kim loại .
2 . các phương pháp mài ;
A . mài tròn ngoài :
• mài tròn ngoài có tâm : mài tròn ngoài có tâm có tính vạn năng cao
,khi mài có thể gá chi tiết trên hai mũi tâm hoặc mũi tâm và mâm cặp .
thông thường nên sử dụn phương pháp mài tròn ngoài có tâm tiến dao
dọc để lực hướng kính bé , chi tiết ít biến dạng , nâng cao độ chính xác
gia công . khi mài tinh ở những hành trình cuối không nên tiến dao
ngang mà chỉ nên tiến dao dọc cho tới khi hết hoa lửa . khi chi tiết
ngắn , đường kính lớn , độ cứng vững cao , người ta dùng phương
pháp tiến đá hướh kính để tăng năng suất .
• mài thô : mục đích của mài thô là lấy đi được nhiều thể tích của phôi
lớn nhất với chi phí gia công nhỏ nhất . công suất gia công tăng , vì thế
khi tăng thể tích phoi lấy đi thỉ phải đảm bảo công suất cắt nhỏ hơn
công suất của động cơ mang đá hoặc chọn máy mài có công suất lớn .

Để bề mặt phôi không xuất hiện những vết cháy hoặc nứt ,sử dụng
đá có hạt cắt lớn ,sửa đá thô và nên tăng tốc độ phôi hơn là tăng chièu
sâu cắt .
rung động có thể làm tăng tốc độ mài mòn của đá cũng như là tăng
chiều cao nhấp nhô bề mặt và tang sai lệch hình dạng của chi tiết , phải
kẹp phôi ổn định , sửa đá thô , chọn bước tiến dao nhỏ .
• mài tinh :mài tinh để đảm bảo độ chính xác về hình dạng và kích
thước , cũng như chất lượng bề mặt chi tiết . tức là mài với thể tích
phoi lấy đi nhỏ . khi đó ta thực hiện theo các nguyên tắc sau :
3
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
- Chọn chiều sâu cắt nhỏ
- chọn bước tiến dao dọc nhỏ
- chọn chế độ sửa đá tinh
- sử dụng đá mài có hạt nhỏ
- dùng dầu làm dung dịch bôi trơn
- tăng tốc độ cắt .
* Khả năng công nghệ của mài:
Mài thô có khả năng đạt độ chính xác cấp 9
Mài tinh đạt độ chính xác kinh tế cấp 7
Mài siêu tinh có khả năng đạt độ chính xác cấp 6
• mài tròn ngoài có tâm :
Khi mài không tâm , chuẩn định vị chính là mặt đang gia công , do đó
không mài dược chi tiết có rãnh trên bề mặt .
Có hai phương pháp mài tròn ngoài không tâm :
mài không tâm chạy dao dọc
mài không tâm tiến dao ngang
B . mài tròn trong(mài lỗ)
Mài lỗ có khả năng gia ông lỗ trụ , lỗ côn , lỗ định hình , có hai phương pháp
mài lỗ : mài lỗ không tâm và mài lỗ có tâm .

• mài lỗ có tâm ; mài lỗ có tâm thường được thực hiện trên các máy mài
lỗ chuyên dụng , máy mài vạn năng có đầu mài lỗ hoặc trên máy tiện
có trang bị đồ gá chuyên dụng mài lỗ .
• mài lỗ không tâm : là một trong những phương phá gia công tinh lỗ có
năng suất , độ chính xác và độ đồng tâm cao .chuẩn gia công là mặt
ngoài do đó trước khi mài lỗ , mặt ngoài của chi tiết gia công cần được
mài tinh hoặc bán tinh .
ưu điểm của mài lỗ là mài được lỗ của các chi tiết phức tạp , mài được
lỗ phi tiêu chuẩn , mài được lỗ có độ chính xác cao tới cấp 6 . Trong
sản xuất , dễ tự dộng hoá , cơ khí hoá .
4
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
nhược điểm là :cung tiếp xúc giữa đá ài và chi tiết lớn hơn trong
trường hợp mài tròn ngoài . đường kính lỗ càng bé càng giảm độ cứng
vững của đá , ảnh hưởng tới độ chính xác , cũng như năng suất mài .
C . Mài phẳng
Mài phẳng là phưong pháp gia công tinh các mặt phẳng sau khi đã qua phay
hoặc bào .
Mài phẳng thườg đạt độ chính xác tới cấp 7, nếu chuẩn công nghệ có thể đạt
tới cấp 6.
D .Mài định hình :
Có thể gia công được các bề mặt định hình . có đường sinh thẳng .
Mài định hình có thể thực hiện bằng cách sửa đá có hình dạng , kích thước
theo âm bản của chi tiết .
Như vậy thực tế đặt ra cho công nghệ mài là phải đạt được độ chính xác cao ,
độ nhẵn , độ bóng bề mặt . Tuỳ theo từng chế độ cắt mà cần các tốc độ quay
khác nhau , và máy mài làm việc ở chế độ làm việc dài hạn .
II . Yêu cầu truyền động :
Để đáp ứng yêu cầu về công nghệ đã đề ra , việc truyền động cho động cơ cần
đạt được một số yêu cầu như sau :

1 . sai số tốc độ :
Sai số tốc độ đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và thường tính
theo phần trăm .

% *100%
d
s
ω ω
ω
−
=
Đối với công nghệ mài tròn thì để đạt độ chính xác cao ,sai số tốc độ không
vượt quá 1% .
2 . Độ trơn của dải điều chỉnh tốc độ :
Là mức độ chênh lệch tốc độ giữa hai cấp tốc độ kế tiếp .
Theo yêu cầu công nghệ thì dải điều chỉnh là từ 30->900 vòng/phút , tức là
yêu cầu dải điều chỉnh trơn , có thể làm việc ổn định trong suốt dải điều chỉnh
.
3 . Dải điều chỉnh tốc độ :
5
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Là tỉ số giữa tốc độ cức đại và tóc đọ làm việc nhỏ nhất của động cơ mà vẫn
đảm bảo độ ổn định tốc độ , độ chính xác cần thiết . Yêu cầu tốc độ truyền
động là từ 30-900 vòng/phút , tức là

900
30
30
D = =
PHẦN II : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1. Phân tích các phương án truyền động
Để truyền động cho một cơ cấu bất kì , thông thường hệ thống gồm có hai
phần là : động cở biến đổi năng lượng điện thành cơ năng ở dạng mômen
quay trên trục động cơ và bộ biến đổi có tác dụng điều khiển dòng năng
lượng cấp cho động cơ theo đúng yêu cầu của phụ tải nhằm điều chỉnh tốc độ
động cơ theo ý muốn , đồng thời tiết kiệm năng lượng cần tiêu hao .
Trong thực tế thì có ba loại động cơ chính :
• động cơ một chiều
• động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ
• động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ
A . Động cơ điện một chiều : có phần cảm và phần ứng hoàn toàn độc lập , có
thể được cấp từ hai nguồn một chiều khác nhau . Phần cảm sinh ra từ thông
ψ trong động cơ , chỉ phụ thuộc vào dòng điện trong cuộn dây kích từ . Dòng
điện trong cuộn dây phần ứng Iư lại do nguồn một chiều khác đặt lên hai cực
động cơ sinh ra . Mômen động cơ tỉ lệ với dòng điên phần ứng và từ thông
của động cơ : M=k*ψ*Iư
Các quan hệ điện từ trong động cơ một chiều hoàn toàn là quan hệ tuyến tính
. do đó ta có thể điều khiển động cơ tương đối dễ dàng bằng cách điều chỉnh
độc lập dòng điện phần ứng với từ thông không đổi (thường giữ từ thông
bằng định mức) thông qua điều khiển điện áp đặt vào động cơ , để điều khiển
động cơ dưới định mức , hoặc điều khiển động cơ bằng cách điều khiển từ
thông lích từ với điện áp phần ứng không đổi (bằng định mức ) bằng cách
điều chỉnh điện áp kích từ , áp dụng cho điều chỉnh động cơ trên định mức .
6
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Do quan hệ tuyến tính nên ta có được mô hình động cơ dạng hàm truyền , do
đó thiết kế bộ điều khiển tương đối dễ dàng , và đạt được chất lượng hệ thống
rất tốt .
Nhược điểm của động cơ một chiều là phần tiếp xúc chổi than vành góp làm
cho kết cấu động cơ phức tạp , vận hành khó khăn , giá đắt . Ngoài ra còn có

hiện tượng đánh lửa do tiếp xúc chổi than vành góp , trong một số môi trường
không htể dùng được .
B . động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ (KDB):
Động cơ KDB có kết cấu hết sức đơn giản , vận hành dễ dàng , chắc chắn ,
thuận tiện , không có bộ phận chổi than vàng góp nên không có hiện tượng
đánh lửa , giá thành rẻ hơn nhiều so với động cơ một chiều cùng công suất .
Tuy nhiên động cơ KDB có phần cảm và phần ứng không tách biệt . chỉ có
một nguồn điện duy nhất cấp vào động cơ , dòng điện stato vùa sinh ra từ
thông động cơ , vừa sinh mômen quay của động cơ . Quan hệ điện từ trong
động cơ KDB là quan hệ phi tuyến , do vậy việc điều khiển động cơ là vấn đề
khó khăn .
C . Động cơ xoay chiều đồng bộ (DB)
với động cơ DB , cần có hai nguồn điện , một nguồn xoay chiều , một nguồn
một chiều . tốc độ động cơ luôn bằng tốc độ từ trường quay . Thường dùng
cho dải công suất rất lớn .
Mỗi loại động cơ lại có thể có vài ba bộ biến đổi tương ứng
với nguồn một chiều : chỉnh lưu , xung áp
với nguồn xoay chiều : điều áp xoay chiều , biến tần , xung điện trở roto , điều
chỉnh công suất trượt .
ta lần lượt xét ưu nhược điểm của các bộ biến đổi này :
a . Chỉnh lưu :
Chỉnh lưu là sự biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều .Sử
dụng các van bán dẫn là các Tiristor , có thể điều khiển việc mở của van để
điều khiển dòng công suất ra tải bằng cách thay đổi góc mở của van α .
7
tng hp h in c Nguyn c Duy
phng phỏp ny khỏ n gin . Tuy nhiờn in ỏp ra b p mch nhiu ,
cos thp , tn ti vựng dũng in giỏn on .
b . xung ỏp :
iu khin in ỏp t vo ng c bng cỏch iu khin thi gian cp ngun

v thi gian khụng cp ngun cho ng c , do ú iu khin in ỏp trung
bỡnh t vo ng c . Phng phỏp ny cng tng i n gin , d thc
hin , hot ng tin cy , n nh .
c . iu ỏp xoay chiu ba pha :
Dựng cỏc van bỏn dn bỏn iu khin iu khin in ỏp t vo ng c .
phng phỏp iu khin ng c bng cỏch iu chnh in ỏp t lờn ng
c cú phm vi iu chn hp , do ú ớt c ng dng trong thc t .
d . Bin tn :
Tc ng c xoay chiu ph thuc cht tr vo tn s ngun in cp cho
ng c , do ú iu chnh tc ng c ta thay i tn s ngun in cp
. Tuy nhiờn ng c b gii hn bi cỏc c tớnh vt lớ nờn khi thay i tn s
thỡ ng thi phi thay i in ỏp tng ng .
Khi s dng bin tn , vic iu khin ng c xoay chiu tr nờn n gin
hn rt nhiu .
2 . Chn phng ỏn truyn ng
Theo nh yờu cu ca ỏn thỡ ta la chn phng ỏn truyn ng ng c
in mt chiu , vi b bin i xung ỏp . õy l phng phỏp iu chnh
in ỏp t lờn ng c iu chnh tc . Phng phỏp ny cho kt qu
h truyn ng rt tt tuy nhiờn hn ch duy nht l dựng ng c mt chiu
cú chi than .
Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng :
Trong phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, bộ biến đổi cung
cấp điện áp cho mạch phần ứng.Vì nguồn có công suất hữu hạn nên các bộ biến
đổi có điện trở trong R
b
và điện cảm L
b
khác không.
8
tng hp h in c Nguyn c Duy

Hình 2-2 là sơ độ thay thế nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện
một chiều, trong đó thành phần E
b
(U
đk
) đợc tạo ra bởi bộ biến đổi và phụ thuộc vào
U
đk
.
Trong chế độ xác lập ta có các phơng trình đặc tính nh sau:
)(
đ
+= RRIE-E
bb


I
k
RR
-
k
E
m
b
m
b
đ
đ
đ
+

=




M
-)U(
ko đ
=
( )
b
dm
RR
k
M
+
==
2




* Nhận xét :
1.Vì từ thông động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng đợc
giữ không đổi, còn tốc độ không tải tuỳ thuộc vào điện áp U
đk
của hệ thống, do đó
có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để . khi thay i in ỏp U ,
cng c tớnh c khụng thay i , luụn l ng thng . Do vy vic iu
chnh tc ng c t c cht lng rt tt .

2.Từ các phơng trình trên ta có thể tính đợc phạm vi điều chỉnh tốc độ của
phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, giữ từ thông không đổi.
9
tng hp h in c Nguyn c Duy
1
1
0


=


k
M
.
D
dm
max
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị
0max
,M
đm
,k
M
là xác định vì vậy phạm
vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng .Khi điều chỉnh điện áp phần
ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều khiển thì tổng trở mạch phần ứng gấp
khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ, do đó có thể tính sơ bộ đợc.

0max

.||.M
đm
10
Vì thế với tải có đặc tính momen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc
độ không vợt quá 10.Do vậy với hệ truyền động đòi hỏi phạm vi điều chỉnh tốc độ
lớn thì ta không thể sử dụng các hệ thống hở nh trên . Khi ú ta s dng cỏc b
iu khin cú phn hi (h kớn ) va nõng cao cht lng h thng , va m
rng di iu chnh tc ng c . khi iu khin h kớn thỡ cng c
tớnh c tng lờn do ta cú mch phn hi õm tc .
S tng quỏt mt h kớn phn hi õm tc :
Phng trỡnh c tớnh c ca h thụng kớn:
* 1* ( )
1* * 1* *
(1 ) (1 )
Udk K Kb Ru Rb Iu
K Kb K K Kb K
K K
K K




+
=
+ +
Sai s tc ca h h :

h
=
( )Ru Rb Iu

K

+
sai s tc ca h kớn :

kớn
=
( )
1* *
(1 )
Ru Rb Iu
K Kb K
K
K



+
+
Nh vy ,
kớn
/
h
=
1
1
1* *
(1 )
K Kb K
K

<
+
Hay núi cỏch khỏc , d cng c tớnh c ca h thng kớn ln hn cng
c tớnh c ca h thng h .
10
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Khi cho K1->
∞
thì Δω
kín
->0 , độ cứng hệ kín :β
k
->
∞
Ta có
1
1
0
−
−
=
Μ
βω
k
M
.
D
dm

max
do vậy khi hệ thống kín làm tăng độ cứng đặ tính
cơ thì đòng thời dải diều chỉnh cũn được mở rộng . trong thực tế , không thể
cho K1=
∞
, mà chỉ có thể cho K1 một giá trị hữu hạn nào đó . Tuy nhiên ta có
thể có được K1 để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ của động cơ tới 30:1 theo
yêu cầu công nghệ đề ra .
Như vậy bằng phương pháp điều khiển điện áp phần ứng , kết hợp với các
bộ điều khiển phản hồi , ta có thể điều khiển được hoàn toàn động cơ trong
dải tốc độ từ 90->2700 vòng/ phút .
Ta cũng có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phưng pháp điều chỉnh
kích từ của động cơ . khi điều chỉnh kích từ , điện áp phần ứng được giữ
không đổi , tốc độ động cơ cao hơn tốc độ định mức . do mạch kích từ của
động cơ là phi tuyến nên hệ điều khiển kích từ cũng là một hệ phi tuyến .do
đièu khiển KΦ nên mômen động cơ M=KΦω và sức điện động phần ứng
E=KΦIư cũng thay đổi .
Thông thường , người ta kết hợp hai phương pháp điều chỉnh điện áp và
điều chỉnh từ thông để điều khiển động cơ . việc kết hợp hai phương pháp
điều khiển có thể thực hiện bằng hai cách là điều khiển phân vùng hoặc điều
khiển đồng thời .
Phương pháp điều khiển phân vùng là phương pháp kết hợp điề khiển mà
mỗi vùng tốc độ ta điều khiển theo một phương pháp khác nhau . vùng tốc độ
dưới định mức thì điều khiển điện áp phần ứng , vùng trên định mức thì điều
khiển từ thông . như vậy hai phương pháp gần như độc lập hoàn toàn .
Phương pháp điều khiển kết hợp : đồng thời điều chỉnh điện áp phần ứng
và diện áp kích từ ttheo một quy luật nhất định để thu được kết quả điều
khiển tốt nhất .
Ưu điểm của phương pháp điều khiển từ thông động cơ là điều chỉnh điện
áp mạchkích từ có công suất bé hơn rất nhiều công suất mạch lực ,do vậy việc

điều chỉnh thực hiện dẽ dàng hơn nhiều . tuy nhiên , khi tốc độ động cơ lớn
lên thì khả năng chuyển mạch của chổi than vành góp giảm đi . do đó để đảm
bảo khả năng chuyển mạch của chổi than vành góp thì phải giảm dòng điện
phần ứng , do đó mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh .
Trong phạm vi đồ án này , ta chỉ sử dụng phương pháp điều khiển điện áp
phần ứng độgn cơ tức là điều khiển dưới định mức , do đó phải chọn động cơ
có tốc độ định mức cao hơn tốc độ cao nhất của công nghệ .
Việc điều chỉnh điện áp phần ứng ở đây được thực hiện bằng bộ băm xung
áp một chiều . là phương pháp khá phổ biến và cho chất lương hệ thống cao .
11
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Do yêu cầu truyền động quay chi tiết mài tròn thì không cần đảo chiều , ta
sử dụng sơ đồ mạch đơn để điều chỉnh điện áp đặt lên hai cực của động cơ .
về nguyên lí hoạt động se được trình bày sau .
3 . Tính chọn công suất động cơ :
để chọn được công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động , ta phải
quy đổi toàn bộ các đải lượng trên tải về trục động cơ .
Các thông số kĩ thuật :
- Mômen cực đại M
max
: 20[Nm]
- Tốc độ quay chi tiết n : 30->900[vòng /phút]
- Tỉ số truyền i : 3
- Hiệu suất η : 0.85
- Mômen quán tính cơ cấu J: 0.007 [Kg/m
2
]
Mômen cực đại trên trục động cơ :

1 1 1 1

ax= * * ax= * *20 7.8( )
0.85 3
Mdm Mm Nm
i
η
=
Tốc độ quay của trục động cơ :
n
d
=n*I =(30->900)*3
n
d
=90->2700 vòng/phút.
Hay ω =9.4->283 (rad/s) .
Yêu cầu đối với hệ truyền động chi tiết mài là giữ được mômen không đổi
trong suốt giải điều chỉnh . Công suất động cơ phải được chọn lớn hơn công
suất cực đại mà tải yêu cầu .
Công suất cực đại trên trục động cơ :
Pmax=Mdmax*ωmax
=7.8*283 = 2207 (W)
Vậy ta chọn động cơ có công suất P=2,7 Kw .
Các thông số về động cơ :
tốc độ định mức : nđm =3000 vòng/phút .
số đôi cực : p=2
12
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
điện áp định mức : Uđm =220V
dòng điện định mức : Iđm =19A
điện trở phần ứng : Rư =1.94 Ω
từ thông định mức : Φ =0.0064 Wb

từ các thông số cơ bản trên , ta có thể tính được :
KΦđm =(U đm –R*I đm)/ ω đm
= 0.65
điện cảm phần ứng được tính theo công thức :Lư=K
l
*
* *
Udm
Idm p ndm
trong đó , K
l
=5.5 đến 5.7 đối với động cơ không bù và bằng 1.4 đến 1.9 đối
với động cơ có bù . ở đây động cơ có bụ , ta chọn K
l
=1.6
Lư=
220
1.6* 3
19* 2*3000
mH=

Phần III . CẤU TRÚC TỔNG HỢP CỦA HỆ
Cấu trúc tổng hợp của hệ thống như sau :
13
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Trong đó , CL là bộ chỉnh lưu điot(không điều khiển ) hình cầu một pha .
Cung cấp điện áp một chiều cho bộ biến đổi . Bộ biến đổi là bộ băm xung một
chiều , điều khiển điện áp đặt lên động cơ theo tín hiều điều khiển của bộ điều
khiển . Bộ điều khiển lấy tín hiệu phản hồi là dòng điện I và tốc độ ω để đưa
ra tín hiệu điều khiển phù hợp cho bộ biến đổi .

1 . Bộ chỉnh lưu :
điện áp ra chỉnh lưu : Ura=0.9*U .
trong đó , U là điện áp xoay chiều đưa là chỉnh lưu .
điện áp ra có dạng đập mạch , với số lần đập mạch trong một chu kì là 2 .
tần số đạp mạch là 100 Hz
Động cơ có điện áp danh định là 220 V , do đó ta phải có :
0.9*U=220
U=220/0.9=245 (V)
vậy nguồn xoay chiều cấp cho chỉnh lưu có giá trị hiệu dụng là U =245 V
Với sơ đồ chỉnh lưu như trên , dòng điện trung bình qua các điot là
Itb=Id/2 (Id là dòng điện qua tải) .
đối với động cơ , dòng điện cực đai là lúc động cơ khởi động .
Ikđ=2.5*Idđ
Idđ=19A , nên Ikđ=2.5*19 =47.5 (A)
vậy phải chọn van có Itb ≥ Ikđ/2 = 24 A
điện áp ngược lớn nhất trên diot :
Ungmax= √2 *U
14
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
=√2*245 =311 (V)
chọn van diot là loại : PCN030 do tây âu sản suất .
các thông số kĩ thuật :
Itb=25 A
Ungmax=600
2 . Bộ biến đổi :
Sơ đồ nguyên lí bộ biến đổi như sau :
Nguyên lí :
điện áp một chiều Ud0 do chỉnh lưu cấp được giữ không đổi . Việc đóng cắt
khoá Tr quyết định việc động cơ được cấp điện hay không . Khi Tr mở , cho
phép dòng điện chạy qua , tức là động cơ được cấp điện với toàn bộ điện áp

Ud0 . Khi khoá Tr khoá , không cho dòng điện chạy qua , điện áp đặt len
động cơ bằng 0 . lúc này điot có vai trò dẫn dòng điện vòng chạy qua động
cơ . Điện áp đặt lên động cơ được tính bằng điện áp trung bình trong một chu
kì đóng cắt . Như vậy bằng cách thay đổi khoảng thời gian đóng mở khoá Tr
ta có thể điều chỉnh điện áp đăt lên động cơ và do đó điều chỉnh tốc độ động
cơ theo ý muốn .
có nhiều phương pháp để điều khiển Tr . ở đây ta sẽ sử dụng phương pháp
phổ biến nhất là phương pháp độ rộng xung .
Nội dung phương pháp này là giữ nguyên tần số băm xung f , tức là chu kì
băm xung T0 là hằng số , thay đổi thời gian mở Tr là T1 và do đó sẽ thay đổi
thời gian khóa Tr là T2=T-T1
15
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
điện áp trung bình đặt lên động cơ là :
u=γUd0 .
trong đó : γ =T1/T .
Nguyên lí hoạt động của bộ băm xung được giải thích cụ thể dựa trên sơ đồ
nguyên lí và đồ thị làm việc của nó như trên hình vẽ :
Trong giai đoạn từ 0 đến T0 , Tr dẫn , động cơ được cấp nguồn U0 , dòng
điện qua động cơ tăng lên . trong giai đoạn từ T0 đến T , Tr khoá , do động
cơ có điện cảm Lư nên dòng điện tiếp tục chảy qua động cơ , vòng qua điot .
điện áp trên động cơ lúc này coi bằng 0 . lúc này dòng điện qua động cơ giảm
dần , năng lượng tích luỹ trong động cơ tiêu hao trên điện trở phần ứng và
điot . Ở đây sảy ra các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống :
16
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
• chế độ dàng điện liên tục : khi điện cảm động cơ đủ lớn , dòng điện
chưa giảm về 0 khi Tr khoá , do đó dòng điện liên tục chảy trong động
cơ .
• chế độ dàng điện gián đoạn : Dòng điện qua động cơ đã giảm về 0

trước khi Tr mở ở chu kì tiếp theo . do đó có những lúc không có dòng
điện chảy qua động cơ .
• chế độ biên giới gián đoạn : khi dòng điẹn vừa về đến 0 thì Tr lại mở
chu kì tiếp theo .
để xác định chế độ dòng điện làm việc của hệ thống , ta phải tính được γ tới
hạn : là tỉ số T0/T khi hệ thống ở biên giới của chế độ dòng gián doạn . γth
được tính theo công thức :
γth =
/
0
( 1) 1
T
T th Ed
Ln e
T T En
τ
τ
 
= − +
 
 
trong đó , τ : là hằng số thời gian mạch tải . τ =L ư/R ư
Ed : là sức điện động một chiều trong mạch phần ứng , ở đây là sức
điện động của động cơ .
En : là sức điện động nguồn .
Ta có các tham số của mạch tải là :
T=0.4 ms (tần số băm xung là 2.5 KHz)
τ=Lư/Rư=0.003/1.94 =1.59 ms
khi động cơ làm việc ở tốc độ nhỏ nhất trong phạm vi điều khiển tốc độ ,
tương ứng là ω

min
=9.4 rad/s , sức điện động của động cơ là : Edmin=KΦω
=6.2 V .
vậy γth trong trường hợp động cơ làm việc ở tốc độ nhỏ nhất là :
γth=
0.4/1.59
1.59 6.2
( 1) 1 0.032
0.4 220
Ln e
 
− + =
 
 
trong khi đó , điện áp trên hai cực động cơ là :
Uư = Rư*Iđm +KΦđm*ω
17
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
= 1.94*19 +0.65*9.4 =43 V
tức là γ =Uư/U0=43/220=0.195
γth<<γlv . như vậy động cơ làm việc ở chế độ dòng điện liên tục khi tốc độ
làm việc là nhỏ nhất . do đó động cơ làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn
trong suốt dải đièu chỉnh tốc độ .
mạch điều khiển cho Tr có cấu trúc như sau :
A . FXCĐ : tạo ra tần số băm xung cố định . Thông thường , tần số băm xung
từ 2 đến 5 KHz , ở đây ta chọn tần số băm xung là 2.5 KHz , là tần số đủ để
đạt độ chính xác cần thiết .
Sơ đồ mạch tạo xung :
TP1
22nF

+
LM318
+15v
-15V
10k
1k
10k
4.7k
Trong đó khuếch thuật toán sử dụng là loại LM318 có khả năng làm việc ở
tần số cao . Tần số xung ra được tính bằng : f=
1
2 2*( 1 2)*Ln R R C+
=2900 Hz
kết quả mô phỏng như sau :
18
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Xung thu được có tần số khoảng 2,8 KHz . phần xung dương chiếm khoảng
10% tổng chiều dài xung . Tần số này là cố định , không phụ thuộc vào trạng
thái của hệ thống .
B . RC : là khâu tạo ra điện áp dạng răng cưa tuyến tính .Răng cưa này được
so sánh với điện áp điều khiển để tìm ra khoảng thời gian có xung mở Tr(T1)
Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa như sau :

Q1
NPN
C2
470nF
Vcc1
+12v
Vee1

-12V
+
U3
LM318
Nguyên lí hoạt động như sau : khi xung vào ở mức thấp , transistor Q1 khoá ,
tụ C2 được nạp điện với điện áp bằng điện áp bão hoà của khuếch thuật
toán .(cỡ 12V) . khi có xung kích dương , Q1 thông , tụ phóng điện qua Q1 trở
về 0 ngay lập tức .tính chọn điện trở nạp sao cho hằng số thời gian nạp đủ lớn
, để trong một chu kì , điện tích trên tụ tăng tuyến tính tới một giá trị đủ lớn
trước khi phóng .
ở đây chọn điện trở nạp 1k
xung răng cưa thu được :
19
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
xung răng cưa được so sánh với điện áp điều khiển . điển cân bằng giữa điện
áp điều khiển và điện áp răng cưa chính là thời điểm khoá van Tr , ngừng cấp
nguồn cho động cơ . điều này được thực hiện bằng một khâu so sánh :

Vcc2
+12v
Vee2
-12V
+
U4
LM 318
R2
1k
R3
1k
TP1

điện áp răng cưa được đặt vào cực (-) , điện áp điều khiển đặt vào cực (+)
giả thiết điện áp điều khiển là 3 V ta thu được xung điều khiển như sau :
Như vậy , ta đã phát được xung điều khiển cho việc đóng mở của Tr theo như
ý muốn . chỉ việc thay đổi tín hiệu điều khiển , ta có xung phát ra có khoảng
thời gian ở mức cao(tương ứng là khoảng thời gian Tr mở) tương ứng . do
điện áp ra của khuếch thuật toán khá lớn (cỡ 10 V) nên để mở Tr ta không
cần bộ khuếch đại xung .
Sơ đồ toàn bộ mạch phát xung :
20
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
22nF
+
LM318
+15v
-15V
TP1
Vcc2
+12v
Vee2
-12V
+
U4
LM318
+V
V1
4.5V
Q1
NPN
C2
470nF

Vcc1
+12v
Vee1
-12V
+
U3
LM318
10k
1k
10k
4.7k
R2
1k
R3
1k
RI1
1k
RF1
1k
Chọn van transisto Tr :
dòngđiện định mức của động cơ là 19 A , khi khởi dộng dòng khởi động là
2.5*Iđm =47.5A . do vậy phải chọn van chịu được dòng điện khởi động của
động cơ , đồng thời phải chịu được điện áp là việc của động cơ (điện áp
ngược) .
ta chọn van là loại : BUP54 , có các thông số kĩ thuật như sau :
Ccmax =50A
Uce max = 275V
F=8MHz
3 . Tính chọn cản biến :
3.1 chọn cảm biến dòng điện :

Dòng điện phần ứng động cơ một chiều là dòng điện một chiều , giá trị định
mức là 19 A , khi khởi động có thể lên tới gần 50A . để đo dòng điện phần ứng
, ta sử dụng điện trở Sun mắc nối tiếp vào mạch phần ứng . để điện trở sun
này ít ảnh hưởng tới mạch phần ứng , chọn giá tị điện trở khá nhỏ hơn so với
điện trở phần ứng của động cơ . Ta chọn Rs = 0.005 Ω . khi dòng điện bằng
địh mức thì điện áp phản hồi về phải là 10V . trong khi đó , điện áp rơi trên
điện trở sun chỉ là : Us =Iđm*Rs = 19*0.005 =0.095 V
21
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Do vậy ta phải có thêm mạch khuếch đại để khuếch đại giá trị điện áp phản
rơi trên điện trở sun . mạch khuếch đại dùng khuếch thuật toán được thiết kế
như sau :

Ve e
-15V
Vcc
+15v
+
U1
LM318
RF
1k
RL
105k
Đây là mạch khuếch đại đảo , cần khuếch đại điện áp từ 0.095 V lên 10V nên
cần hệ số khuếch đại là : K= 10/0.095 =105 .
vậy ta chọn các điện trở RF =1k , RL=105k .
3.2 Lựa chọn máy phát tốc :
Máy phát tốc để đo tốc độ hiện tại của động cơ , tạo ra tín hiệu phản hồi cho
mạch vòng tốc độ . Nguyên lí làm việc của máy phát tốc tương tự như máy

phát điện một chiều . trục của máy phát tốc gắn với trục động cơ , quay cùng
với trục động cơ . điện áp ra trên hai đầu cực máy phát phản ánh tốc độ động
cơ theo quan hệ :
Uω = Kω*ω .
Khi tốc độ là lớn nhất thì điện áp ra của máy phát tốc phải đạt được là 10V .
Tốc độ lớn nhất là 2700 vòng /phút hay là 283 rad/s .
Kω=
10
0.035
283
=
Ngoài ra , còn có các thiết bị lọc để đảm bảo tín hiệu ra ít bị nhiễu . sơ đồ tổng
quát như sau :
22
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy

Phần III . TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN
Để xây dựng được hệ thống điều khiển cho động cơ thì trước tiên ta phải có
mô hình của động cơ . Để thiết kế bộ điều khiển thuận lợi thì mô hình động cơ
phải được xây dựng trên cơ sở phép biến đổi laplace , với toán tử đạo hàm p .
Để xây dựng được mô hình động cơ dựa trên phép biến đổi laplace , ta xuất
phát từ các phương trình mô tả quan hệ điện từ trong động cơ .
Các quan hệ điện từ trong động cơ điện một chiều :
di
U E RI L
dt
= + +
M=KψI
E=Kψω
M-M

c
=J
wd
dt
Trong đó :
U là điện áp đặt lên hai cực động cơ .
E là sức điện động của động cơ
M là mômen quay của động cơ
M
c
là mômen cản của tải cơ khí gắn trên trục động cơ
ω là tốc độ quay của trục động cơ
ψ là từ thông triong khe hở không khí của động cơ
K là hệ số phụ thuộc kết cấu của động cơ .
J là mômen quán tính của hệ thống gắn trên trục động cơ .
Từ phương trình :
di
U E RI L
dt
= + +
, biến đổi sang miền laplace ta có :
23
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
U(p) –E(p) = (R+Lp)I(p)
 I(p) =
1/
1
U E R
I Tp
−

=
+
Cùng với các phương trình khác , ta có thể xây dựng được mô hình động cơ
trên miền ảnh laplace như sau :
Với mô hình động cơ đã xây dựng được , có thể dễ dàng thiết kế bộ điều khiển
cho động cơ .
Động cơ được nuôi bởi một bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều , do đó
ta cũng cần phải xây dựng mô hình laplace cho bộ biến đổi này :
bộ biến đổi gồm hai phần : phần điều khiển và phần mạch lực . trong đó ,
phần điều khiển có thể coi như là một khâu trễ ,có hằng số thời gian trễ là
Tđk . hàm truyền của nó là :1/(1+pTđk)
phần mạch lực :
Tần số làm việc của bộ băm xung rát lớn , tức là chu kì xung rất nhỏ so với
hằng số thời gian điện từ , cũng như hằng số thời gian điện cơ . Ta có thể thay
thế bằng mô hình tuyến tính hoá với thời gian trễ bằng ½ chu kì xung điều
chế : Tv0=1/2*f=0.2 ms .
Hàm trễ lại có thể xấp xỉ gần đúng là một khâu quán tính bậc một . như vậy
phần chuyển mạch có thể coi là hàm trễ : Kb/(1+pTv0) . trong đó , Kb là hệ
số khuếch đại của bộ băm xung .
24
tổng hợp hệ điện cơ Nguyễn Đức Duy
Mô hình bộ băm xung áp mọt chiều :Kb/(1+pTđk)(1+pTv0)
Các cảm biến dòng và tốc độ ta cũng coi như là các khâu trễ , với hệ số
khuếch đại tương ứng .
• cảm biến dòng điện : coi là khâu trễ , với hằng số thời gian Ti và hệ số
khuếch đại Ki . hàm truyền đạt :Ui(p)/I(p) = Ki/(1+pTi) .
Trong đó , Ki=
Ti=
• máy phát tốc :
do có điện trở và điẹnkháng lọc ở cửa ra nên cảm biến tốc độ có thể coi như

một khâu trễ với hằng số thời gian trễ là Tω và hệ số khuếch đại là Kω . ta có
:
( )
( ) 1
U p K
p pT
ω ω
ω ω
=
+
trong đó , Kω=
Tω=
Như vậy ta đã xây dựng được toàn bộ mô hình của các khâu có trong hệ
thống .
sơ đồ cấu trúc điều khiển cho toàn bộ hệ thống sẽ như sau :
Theo như cấu trúc của sơ đồ trên thì hệ thống điều khiển động cơ gồm có hai
mạch vòng điều khiển : mạc vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ . mỗi mạch
25