THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN

DỰ ÁN LIÊN MƠN
KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA 2 (PBL2)
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
TRUYỀN ĐỘNG CHO CẦN TRỤC SỬ DỤNG
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Người hướng dẫn:

TS. GIÁP QUANG HUY

Trợ giảng:

PHẠM ĐỒN THƠI

Sinh viên thực hiện:

PHAN HẢI DƯƠNG
TRẦN VĂN SANG
LÊ MINH SƠN
ĐẶNG VĂN THƯỜNG
ĐỒN HUY VŨ

Nhóm HP / Lớp:

20N32 / 20TDH2

Ngành:

Kĩ thuật Điều khiển và Tự động hóa


MỤC LỤC:
DANH SÁCH HÌNH ẢNH..................................................................................................................4
DANH SÁCH BẢNG...........................................................................................................................5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN PHẦN ĐỘNG LỰC.....6
1.1.

Tính tốn cơ cấu truyền động.................................................................................................6

1.1.1.

Mơ hình truyền động cần trục........................................................................................6

1.1.2.

Tốc độ u cầu của cần trục..........................................................................................7

1.1.3.

Tính tốn đặc tính tải yêu cầu........................................................................................8

1.2.

Tổng quan về động cơ điện 1 chiều.....................................................................................12

1.2.1.

Cấu tạo động cơ điện 1 chiều.......................................................................................12

1.2.2.

Các phương trình đặc tính của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập..........................12

1.3.

Phân tích chọn phương án truyền động cho động cơ............................................................13

1.3.1.

Các trạng thái hoạt động của động cơ.........................................................................13

1.3.2.

Chọn phương án khởi động động cơ............................................................................14

1.3.3.

Chọn phương án đảo chiều động cơ............................................................................14

1.3.4.

Chọn phương án hãm dừng động cơ ...........................................................................14

1.3.5.

Chọn phương án điều chỉnh tốc độ động cơ.................................................................15

1.4.

Chọn động cơ và hộp số.......................................................................................................15

1.5.

Kiểm nghiệm động cơ bằng mơ phỏng Matlab/Simulink.....................................................17

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT............................................................20
2.1.

Tính chọn bộ biến đổi cơng suất..........................................................................................20

2.1.1.

Phân tích chọn bộ biến đổi cơng suất..........................................................................20

2.1.2.

Chỉnh lưu hình cầu 1 pha không điều khiển.................................................................20

2.1.3.

Bộ băm xung điện áp 1 chiều sử dụng Mosfet..............................................................22

2.1.4.

Bộ điều khiển phát xung...............................................................................................23

2.2.

Tính chọn các phần tử mạch động lực..................................................................................23

2.2.1.

Tính chọn Diode...........................................................................................................23

2.2.2.

Tính chọn máy biến áp.................................................................................................24

2.2.3.

Chọn Mosfet.................................................................................................................26

2.2.4.

Tính chọn mạch bảo vệ Mosfet.....................................................................................26

2.2.5.

Tính chọn mạch lọc......................................................................................................27

2.3.

Thiết kế và mô phỏng bộ biến đổi công suất........................................................................28

2.3.1.

Chọn bộ biến đổi công suất..........................................................................................28

2.3.2.

Thiết kế mô phỏng bộ biến đổi công suất.....................................................................28

CHƯƠNG 3: CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN, CẢM BIẾN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN
CỨNG TOÀN HỆ THỐNG................................................................................................................32
3.1.

Chọn cảm biến.....................................................................................................................32

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

2


3.1.1.

Chọn cảm biến đo dòng điện ACS712..........................................................................32

3.1.2.

Chọn cảm biến đo tốc độ Encoder Omron E6B2-CWZ6C 600 p/r:..............................33

3.2.

Chọn bộ điều khiển..............................................................................................................34

3.3.

Sơ đồ mạch phần cứng hệ thống..........................................................................................36

3.3.1.

Sơ đồ mạch phần cứng.................................................................................................36

3.3.2.

Các tham số phần cứng của hệ....................................................................................37

3.4.

Phân tích hoạt động của toàn hệ...........................................................................................38

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TỔNG HỢP PHẦN ĐIỀU KHIỂN............................................................39
4.1.

Xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống............................................................................39

4.1.1.

Mơ hình tốn học của động cơ.....................................................................................39

4.1.2.

Mơ hình tốn học của bộ biến đổi cơng suất (Bộ băm xung điện áp)...........................40

4.1.3.

Mơ hình tốn học của hệ truyền động..........................................................................40

4.1.4.

Tổng hợp mạch vòng dòng điện...................................................................................41

4.1.5.

Tổng hợp mạch vịng tốc độ.........................................................................................41

4.2.

Lập trình thuật tốn điều khiển cho vi điều khiển................................................................42

4.2.1.

Lưu đồ thuật toán của hệ thống....................................................................................42

4.2.2.

Lập trình chương trình điều khiển cho vi điều khiển....................................................42

4.2.3.

Kiểm nghiệm chương trình điều khiển bằng mơ phỏng...............................................42

CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ..........................................................................43

5.1.

Mơ phỏng tồn bộ hệ thống trên Matlab/Simulink...............................................................43

5.1.1.

Phân tích phần điều khiển............................................................................................43

5.1.2.

Kết quả mơ phỏng........................................................................................................43

5.2.

Đánh giá chất lượng hệ thống..............................................................................................43

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

3


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Mơ hình truyền động cần trục................................................................................................6
Hình 1. 2 Đồ thị vận tốc góc của trống tời theo thời gian......................................................................7
Hình 1. 3 Đồ thị vận tốc góc động cơ theo thời gian.............................................................................8
Hình 1. 4 Đồ thị momen trục động cơ theo thời gian.............................................................................9
Hình 1. 5 Đồ thị cơng suất theo thời gian............................................................................................11
Hình 1. 6 Sơ đồ nối dây động cơ 1 chiều kích từ độc lập.....................................................................12

Hình 1. 7 Đặc tính cơ...........................................................................................................................13
Hình 1. 8 Đặc tính cơ - điện.................................................................................................................13
Hình 1. 9 Đồ thị trạng thái hoạt động của động cơ..............................................................................13
Hình 1. 10 Đồ thị đặc tính cơ hãm tái sinh thế năng............................................................................14
Hình 1. 11 Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng...............................................................15
Hình 1. 12 Datasheet động cơ RE 65...................................................................................................16
Hình 1. 13 Datasheet hộp số GP 62 A.................................................................................................17
Hình 1. 14 Mơ phỏng hoạt động động cơ DC......................................................................................17
Hình 1. 15 Đồ thị kết quả mơ phỏng động cơ DC................................................................................18
Hình 2. 1 Sơ đồ ngun lý bộ chỉnh lưu cầu 1 pha khơng điều khiển..................................................20
Hình 2. 2 Đồ thị điện áp ra và dòng điện ra sau chỉnh lưu...................................................................21
Hình 2. 3 Bộ biến đổi xung điện áp 1 chiều dùng Mosfet....................................................................22
Hình 2. 4 Điện áp ra của bộ băm xung áp 1 chiều...............................................................................23
Hình 2. 5 Diode MUR 1610................................................................................................................24
Hình 2. 6 Mosfet FQPF20N60.............................................................................................................26
Hình 2. 7 Sơ đồ mạch bảo vệ quá áp Mosfet.......................................................................................27
Hình 2. 8 Sơ đồ mạch lọc LC..............................................................................................................27
Hình 2. 9 Mơ phỏng bộ điều khiển phát xung......................................................................................29
Hình 2. 10 Mơ phỏng bộ biến đổi cơng suất........................................................................................29
Hình 2. 11 Đồ thị dịng điện và điện áp khi khởi động và đảo chiều...................................................30
Hình 2. 12 Đồ thị dòng điện và điện áp khi thay đổi độ rộng xung......................................................30
Hình 3. 1 Cảm biến đo dịng ACS712.................................................................................................32
Hình 3. 2 Cảm biến tốc độ Encoder Omron E6B2-CWZ6C................................................................33
Hình 3. 3 Sơ đồ chức năng các chân của Arduino...............................................................................35
Hình 3. 4 Sơ đồ mạch phần cứng hệ thống..........................................................................................36
Hình 4. 1 Đầu vào, ra của động cơ.......................................................................................................39
Hình 4. 2 Sơ đồ khối động cơ..............................................................................................................39
Hình 4. 3 Sơ đồ khối cấu trúc chung của hệ........................................................................................40
Hình 4. 4 Mơ hình tốn học rút gọn của hệ..........................................................................................40
Hình 4. 5 Mơ hình tốn học mạch vịng dịng điện..............................................................................41

Hình 4. 6 Mơ hình tốn học mạch vịng tốc độ....................................................................................41

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

4


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1. 1 Thông số động cơ và tải......................................................................................................19
Bảng 3. 1 Thông số Arduino Uno........................................................................................................35
Bảng 3. 2 Bảng thông số phần cứng hệ thống......................................................................................37

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

5


CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN
PHẦN ĐỘNG LỰC
1.1.Tính tốn cơ cấu truyền động.
1.1.1. Mơ hình truyền động cần trục.

Độ ng cơ

M

Hộ p số

- Chọn trống tời:
 

 

ω
lượng  

trống tời

5 (kg).

+ Bán kính
trống tời: R =

Trống tời + Khối
 
 

0,08 (m).  

+ Chọn tốc độ kéo tải của cần trục: v = 0,8
+ Khối lượng của tải: m =10 (kg).

2R

v

 

- Tính chọn tải:

M=

 
 

 

m

(m/s).

 

Hình 1. 1 Mơ hình truyền động cần trục

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

6


1.1.2. Tốc độ yêu cầu của cần trục.
- Tốc độ động cơ n=3250 (v/ph).
=> Vận tốc góc của động cơ: ω =

2 πn 2 π .3250
=
= 340,34(rad/s).
60
60

- Chọn tốc độ kéo tải của cần trục: v = 0,8 (m/s).
=> Vận tốc góc của trống tời khi kéo tải: ω i =

v
0,8
=
= 10 (rad/s).
R 0,08

- Cần trục chuyển động gồm các giai đoạn tăng tốc, ổn định, đảo chiều và
giảm tốc.
- Thời gian dự tính cho từng giai đoạn chuyển đổi:
+ Tăng tốc 1s.
+ Ổn định 5s.
+ Đảo chiều 2s.
+ Giảm tốc 1s.
- Ta có đồ thị của ω i theo thời gian như sau:
(rad/s)
10

0

8
1

6

13

14
t(s)

7

-10

Hình 1. 2 Đồ thị vận tốc góc của trống tời theo thời gian

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

7


- Đồ thị của vận tốc góc động cơ theo thời gian:
(rad/s)
340,34

0

8
1

6

13

14
t(s)

7

-340,34

Hình 1. 3 Đồ thị vận tốc góc động cơ theo thời gian

1.1.3. Tính tốn đặc tính tải u cầu.
1.1.3.1. Momen xoắn tính tốn:
- Momen qn tính của hệ: J T = J r + J L , trong đó:
J r là momen qn tính của các phần chuyển động quay quy đổi về trục động

cơ, ở đây ta bỏ qua momen quán tính của các bánh răng ( do khối lượng khơng
đáng kể) do đó momen qn tính ở đây chỉ có momen qn tính của trống tời,
gọi J i là momen quán tính của trống tời, ta có:
J i = M. R2 = 5. 0,082 = 0,032 (kg.m 2).

J L là momen quán tính của tải, được quy đổi từ chuyển động thẳng về chuyển

động quay, ta có:
J L = m.

1
ω

v2
suy ra J L = m. 2 .
2 , với ρ =
v
ρ
ω

Vậy momen quán tính của hệ:
J T =J r + J L= J i.

ωi2
ω2

+ m.

v2
102
0,82
−5
=
0,032.
+10.
( Kg. m2).
2
2
2 = 8,29.10
ω
340,34
340,34

- Momen của hệ: M - M c = J T .

dω
, trong đó:
dt

M c là momen cản của tải quy về trục động cơ, được tính bằng công thức:
M c = F.

1
m. g . v
=
, với hiệu suất η chọn = 0.85 vậy ta tính được:
ρ .η
ω.n

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

8


Mc =

10.10.0,8
=0,28 (N.m).
340,34.0,85

M là momen của trục động cơ, ta có M = M c + J T .

dω
.
dt

- Dựa vào đồ thị ω i(t) đã trình bày ở mục 3, ta tính được M qua từng giai đoạn:
+ Từ 0 -> 1s, M1 = 0,28 + 8,29.10−5 .

340,34−0
= 0,31( N.m).
1−0

+ Từ 1 -> 6s, M2 = 0,28 + 8,29.10−5 .

340,34−340,34
= 0,28( N.m).
6−1

+ Từ 6 -> 8s, lúc này động cơ đảo chiều quay nên momen của động cơ ngược
chiều so với chiều quay của động cơ nên M âm:
−5
M3 = -(0,28 + 8,29.10 .

0−340,34
) = -0,25 ( N.m).
7−6

+ Từ 8 -> 13s, M4 = 0,28 + 8,29.10−5 .

−340,34−(−340,34)

= 0,28( N.m).
13−8

+ Từ 13 -> 14s, M5 = 0,28+ 8,29.10−5 .

0−(−340,34)
= 0,31( N.m).
14−13

- Từ kết quả trên ta vẽ được đồ thị biểu diễn mối quan hệ M(t):
M
(N.m)

0,31
0,28

0

6

1

8

13

14 t(s)

- 0,25

Hình 1. 4 Đồ thị momen trục động cơ theo thời gian

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

9


- Momen đẳng trị:
Mđ t =

√

∑ M i2 t i =
∑ ti

√

0,312 .2+0,282 .2.5+0,25 2 .2 = 0,28 (N.m).
14

- Vậy momen động cơ với hệ số an toàn 1,5 là:
M đ cơ = 1,5. M đt = 1,5.0,28= 0,42(N.m).

1.1.3.2. Công suất động cơ:
- Từ momen trục động cơ tính được ở trên vầ đồ thị ω i(t) , ta tính được công
suất quay của trục động cơ: P = M.ω(t)
- Với t ∈ [ 0; 1 ] ( s): P=0,31.340,34 t=105,5t ( W ) .
Tại t=0 s : P=0 ( W ).

Tại t=1 s : P=105,5 (W ) .
- Với t ∈ [ 1 ; 6 ] ( s): P=0,28.340,34=95,3 ( W ) .
- Với t ∈ [ 6 ; 8 ] (s ): P=−0,25. (−340,34 t +2382,4 )( W ) .
Tại t=6 s : P=−85,08 ( W ).
Tại t=7 s : P=0 ( W ) .
Tại t=8 s : P=85,08 ( W ) .
- Với t ∈ [ 8; 13 ] ( s): P=0,28. (−340,34 )=−95,3 ( W ) .
- Với t ∈ [ 13 ; 14 ] (s) : P=0,31.(340,34 t−4764,7)(W ).
Tại t=13 s :P=−105,5 ( W ) .
Tại t=14 s : P=0 ( W ).
- Ta vẽ được đồ thị P(t) từ kết quả thu được:
P(W)

- Công suất đẳng trị:

105,5
95,3
85,08
 
 

0

8
1

6

13

14

7

- 85,08
- 95,3
 
-  105,5
 
 
Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

t(s)
Hình 1. 5 Đồ thị cơng suất theo thời gian

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

10


Pđt =

√

14

∫P
0

2

i

dt

14

∫ dt
0

=

√

1

6

∫ (105,5 t) dt +∫ 95,3
0

2

1

2

8

13

14

dt +∫ (85,08 t−595,6) dt+∫ (−95,3) dt +∫ (105,5t−1477,0
2

6

8

2

13

14

=85,8(W).
Chọn hệ số an toàn là 1,5 , ta có Pđ cơ = 1,5. Pđt = 1,5.85,8=128,7 (W).

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

11


1.2. Tổng quan về động cơ điện 1 chiều.
1.2.1. Cấu tạo động cơ điện 1 chiều.
- Động cơ điện 1 chiều gồm 2 bộ phận chính là phần tĩnh (Stato) và phần
quay (Roto):
+ Stato gồm:

- Cực từ chính.
- Cực từ phụ.
- Gông từ.
- Các bộ phận khác: Nắp động cơ, cơ cấu chổi than.
+ Roto gồm:
- Lõi thép phần ứng.
- Dây quấn phần ứng.
- Cổ góp.
- Các bộ phận khác: Cánh quạt, trục động cơ.
I.1.
I.2.

1.2.2. Các phương trình đặc tính của động cơ điện 1 chiều kích từ độc
lập.
- Phương trình cân bằng điện áp:

Hình 1. 6 Sơ đồ nối dây động cơ 1 chiều kích từ độc lập

U u= E u + ( Ru + R f ) . I u
¿> E u=U u− ( Ru + Rf ) . I u

- Phương trình sức phản điện động phần ứng động cơ:
Eu =Kϕω

- Với; K =

p. N
: hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo động cơ.
2 πa

- Momen điện từ của động cơ:

- Phương trình đặc tính cơ - điện:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

M = Kϕ I u

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

12


ω=

U u ( Ru + Rf )
−
. Iu
Kϕ
Kϕ

Hình 1. 7 Đặc tính cơ - điện

- Phương trình đặc tính cơ:
ω=

U u ( Ru + Rf )
−
.M
Kϕ ( Kϕ)2

Hình 1. 8 Đặc tính cơ

I.3.

I.1.2.

1.3. Phân tích chọn phương án truyền động cho động cơ.
1.3.1. Các trạng thái hoạt động của động cơ.

- Sau khi tính tốn mơ men và tốc độ cần đáp ứng của động cơ ta xác định được
các trạng thái hoạt động của động cơ:
ω (rad/s)
340,34
II

I
M (N.m)

- 0,25

0
III

0,31
IV

-340,34
Hình 1. 9 Đồ thị trạng thái hoạt động của động cơ

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

13


- Từ đồ thị trên và đồ thị tốc độ Hình 1.3 ta xác định được các trạng thái hoạt
động của động cơ ở từng giai đoạn cụ thể:
+ Từ 0 đến 6s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ I (chế độ động cơ).
+ Từ 6 đến 7s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ II (chế độ máy phát).
+ Từ 7 đến 8s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ III (chế độ động cơ).
+ Từ 8 đến 14s: Động cơ hoạt động ở góc phần tư thứ IV (chế độ máy phát).
- Ta suy ra được các trạng thái hoạt động của động cơ:
+ Khởi động.
+ Hãm.
+ Đảo chiều.

1.3.2. Chọn phương án khởi động động cơ.

- Từ thông số công suất động cơ đã tính được ( P=128,7 W), nhận thấy động cơ
có cơng suất nhỏ nên ta chỉ cần chọn phương pháp khởi động trực tiếp động cơ.

1.3.3. Chọn phương án đảo chiều động cơ.

- Phương trình đặc tính cơ khi đảo chiều:
ω=

−U u ( R u + Rf )
−

.M
Kϕ
( Kϕ )2

- Nếu vẫn giữ nguyên điện áp định mức, dịng điện khi đảo chiều có giá trị rất
lớn, đốt nóng động cơ. Đồng thời gây ra mơ men đảo chiều rất lớn => Gây
xung lực, vặn xoắn rất nguy hiểm cho động cơ, tải và hệ thống sản xuất:
2

−U u−(Kϕ)
I=
.
Ru + R f

- Vậy kết luận: Để tối ưu phần cứng cũng như giảm chi phí cho hệ thống, trong
đề tài này ta chọn đảo chiều động cơ điện kích từ độc lập bằng cách đảo chiều
điện áp phần ứng.

1.3.4. Chọn phương án hãm dừng động cơ .

- Đối với cơ cấu nâng hạ, để giữ cho hệ truyền động làm việc với tốc độ ổn
định, cần có hãm tái sinh thế năng.

Hình 1. 10 Đồ thị đặc tính cơ hãm tái sinh thế năng

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

14

- Khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc
trên đặc tính cơ nằm trong góc phần tư thứ I. Khi muốn hạ tải ta phải đảo chiều
điện áp đặt vào phần ứng động cơ đồng thời thêm điện trở phụ trong mạch
phần ứng. Lúc này nếu mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong
các bộ phận chuyển động của cơ cấu, động cơ điện sẽ làm việc ở trạng thái hãm
tái sinh. Trên vẽ, tốc độ động cơ tăng dần lên, khi tốc độ gần đạt tới giá trịω A,
tại đó M h=M c (mơ-men hãm do động cơ sinh ra cân bằng với mơ-men tải) thì
tải trọng được hạ với tốc độ ổn định. Đoạn đặc tínhω 0  A là đoạn hãm tái sinh.

1.3.5. Chọn phương án điều chỉnh tốc độ động cơ.

- Để điều chỉnh tốc độ động cơ, ta có 3 phương pháp:
+ Thêm bớt điện trở phụ vào phần ứng.
+ Thay đổi điện áp phần ứng.
+ Thay đổi từ thơng kích từ.
- Phương pháp dễ thực hiện và tiết kiệm chi phí nhất là thay đổi điện áp phần
ứng.

Hình 1. 11 Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

- Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thơng của
động cơ được giữ khơng đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng khơng đổi, cịn tốc
độ khơng tải lí tưởngω 0 thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng. Do đó
ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là
vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức.

1.4. Chọn động cơ và hộp số

Từ các thơng số tính tốn được ở mục 1.1, ta đưa ra được các kết luận:
- Yêu cầu với động cơ:
+ Tốc độ định mức: n ≥ 3250 (v/ph).
+ Công suất định mức: Pđm ≥ Pđ cơ = 128,7(W).
+ Momen định mức: M đm ≥ M đ cơ = 0,42(N.m).

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

15


- Vậy ta chọn được động cơ RE 65 với các thơng số:

Hình 1. 12 Datasheet động cơ RE 65

ω

- Ta có tỉ số truyền của hệ cần trục: với tỉ số truyền I = ω =
i

340,34
≈ 34.
10

- Giả sử hiệu suất của hộp số là 100%, ta chọn hộp số có tỉ lệ truyền lực là
34:1.

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

16


- Vậy ta chọn được hộp số GP 62 A ∅62 mm, tỉ số truyền 34:1, datasheet như
sau:

Hình 1. 13 Datasheet hộp số GP 62 A

1.5. Kiểm nghiệm động cơ bằng mô phỏng Matlab/Simulink.

- Ta kiểm nghiệm việc cấp nguồn cho động cơ để hoạt động được với tải thông
qua mô phỏng Simulink:
+ Sau khi cấp nguồn, ta nối tải vào động cơ sau 1s, kế tiếp ta đảo chiều động
cơ bằng cách đảo chiều điện áp sau 6s, việc này được thực hiện bằng 2 khối
Step.
+ Động cơ nối với tải phải qua hộp số, ta dùng khối Gain với hệ số bằng tỉ số
truyền của hộp số.
+ Sơ đồ mơ phỏng động cơ DC:

Hình 1. 14 Mơ phỏng hoạt động động cơ DC

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

17

- Kết quả mô phỏng:

Toc do rotor [rad/s]

Do thi toc do theo thoi gian
10
5
0
-5
-10

Dong dien phan ung [A]

-15

0

1

2

3

4

5

6

7

8

6

7

8

6

7

8

Thoi gian [s]
Do thi dong dien theo thoi gian
200
0
-200
-400
0

1

2

3

4

5

Momen dong co[Nm]

Thoi gian [s]
Do thi momen theo thoi gian
10
0
-10
-20
0

1

2

3

4

5

Thoi gian [s]

Hình 1. 15 Đồ thị kết quả mô phỏng động cơ DC

- Nhận xét:
+ Sau khi khởi động động cơ thì động cơ hoạt động ổn định.

+ Tại t = 1s ta cấp tải cho động cơ, khi đó tốc độ động cơ giảm, dịng điện
phần ứng tăng dẫn đến mơ men điện từ của động cơ sinh ra cũng tăng theo.
Hoàn toàn đúng với lý thuyết đã học.
+ Tại t = 6s ta thực hiện đảo chiều động cơ bằng cách đảo chiều điện áp phần
ứng. Ta thấy tốc độ đổi chiều, dòng điện và mô men tăng cao theo chiều ngược
lại nhưng nhanh chóng về hoạt động ở mức ổn định.

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

18


- Kết luận: Kết thúc phần tính chọn động cơ ta có bảng thơng số động cơ và
tải cuối cùng:
Tên thiết bị

Thông số

Giá trị

Đơn vị

Yêu cầu với tải
(trống tời)

Mô men cản

0,28

N.m

Tốc độ định mức

10

rad/s

Công suất

128,7

W

Điện áp phần ứng

18

VDC

Momen định mức

0,42

N.m

Tốc độ định mức

3250

rpm

Điện trở phần ứng

0,0609

Ω

Điện cảm phần ứng

0,023

mH

Tỉ số truyền

1/34

Đường kính trục vào

8

Động cơ DC
RE 65

Hộp số GP
62 A

mm

Bảng 1. 1 Thông số động cơ và tải

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

19


CHƯƠNG 2:TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
2.1. Tính chọn bộ biến đổi cơng suất.
2.1.1. Phân tích chọn bộ biến đổi cơng suất.

- Sau khi phân tích chọn các phương án truyền động cho động ta đưa ra các yêu
cầu cho bộ biến đổi công suất như sau:
+ Hoạt động với điện áp nguồn xoay chiều 1 pha 220V.
+ Đáp ứng đủ tải động cơ.
+ Có thể điều khiển động cơ hoạt động ở cả 4 góc phần tư.
+ Có thể điều chỉnh được điện áp cấp cho động cơ để phục vụ các nhiệm vụ
khởi động, tăng tốc, hãm và đảo chiều.
- Có 2 phương án chọn bộ biến đổi công suất:
+ Dùng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hoàn toàn dùng TCA.
+ Dùng mạch DC/DC (cầu H) kết hợp bộ chỉnh lưu cầu 1 pha khơng điều
khiển.
- Dựa trên độ khó thực hiện và độ tiết kiệm ta chọn bộ biến đổi công suất là
mạch cầu H.

2.1.2. Chỉnh lưu hình cầu 1 pha khơng điều khiển.
2.1.2.1. Sơ đồ mạch nguyên lý:

Hình 2. 1 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển

2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động:

- Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha khơng điều khiển có cấu tạo gồm 4 diode, 2 diode D1
và D2 mắc chung katot, 2 diode D3 D4 mắc chung anot với nhau tạo thành
mạch hình cầu.
Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

20


- Bộ chỉnh lưu có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều
không điều khiển.
- Nguyên lý hoạt động:
+ Khi nguồn xoay chiều đặt điện áp dương lên điểm A và điện áp âm lên điểm
B, 2 diode D1 D3 phân cực thuận nên dẫn dòng chạy qua, 2 diode D2 D4 phân
cực ngược nên khóa lại. Dịng điện chạy theo chiều từ nguồn → điểm A → D1
→ tải → D3 → điểm B → âm nguồn.
+ Khi nguồn xoay chiều đặt điện áp ngược lại lên 2 điểm A và B, tương tự D2
D4 dẫn, D1 D3 khóa, dịng chạy theo chiều từ dương nguồn → điểm B → D2
→ tải → D4 → điểm A → âm nguồn.
+ Ta thấy trong suốt q trình, dịng điện đều qua tải theo 1 chiều từ M đến N.
+ Đồ thị điện áp ravà dòng điện ra sau chỉnh lưu:

Hình 2. 2 Đồ thị điện áp ra và dòng điện ra sau chỉnh lưu

+ Trên đồ thị, ud là điện áp chỉnh lưu tức thời, U d là điện áp chỉnh lưu trung
bình, i d là dòng chỉnh lưu tức thời, I d là dòng chỉnh lưu trung bình, u2 là điện áp
xoay chiều của nguồn cấp và E là sức điện động của tải.
+ Giai đoạn i 1=i 3 tương ứng với khi D1 D3 dẫn, i2=i 4 ứng với D2 D4 dẫn.
+ Khi |u2|<|E|, cả 4 diode đều khóa, lúc nàyi d =0 nên ud =E .
+ Nhận thấy điện áp sau chỉnh lưu ud ≥ E , trừ khi diode dẫn dòng phản kháng.

2.1.2.3. Điện áp và dòng điện chỉnh lưu:
1
- Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu:U d =
π
U −E
- Dịng trung bình qua tải: I d= d
.
R
I
- Dịng trung bình qua diode: I D = d .
2
Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

α+π

∫ u d dϴ=
α

2 √2 U 2
.
π

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

21


- Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi diode: U ℑ=−√ 2U 2 .

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

22


2.1.3. Bộ băm xung điện áp 1 chiều sử dụng Mosfet.
2.1.3.1. Giới thiệu chung:

- Điện áp ra của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha diode trên là điện áp 1 chiều không thể
điều khiển được, do vậy để đáp ứng yêu cầu thiết kế ta cần có thêm bộ biến đổi
xung điện áp 1 chiều.
- Việc có thêm bộ biến đổi xung điện áp 1 chiều giúp ta thay đổi được giá trị
của điện áp đầu ra, do đó có thể đảo chiều và tăng giảm tốc độ động cơ theo
yêu cầu, động cơ cũng có thể hoạt động ở cả 4 góc phần tư.
- Bộ băm xung điện áp 1 chiều dựa theo loại linh kiện bán dẫn được sử dụng có
thể chia làm 3 loại: dùng BJT, dùng Mosfet và dùng IGBT, bản chất của
chúng đều là các loại transistor.
- Hệ thống truyền động điện cần thiết kế yêu cầu công suất vừa phải và điều
khiển theo điện áp, do vậy ta chọn bộ biến đổi xung điện áp 1 chiều sử dụng
Mosfet.

2.1.3.2. Nguyên lý hoạt động:

- Ta có sơ đồ mạch ngun lý như sau:

Hình 2. 3 Bộ biến đổi xung điện áp 1 chiều dùng Mosfet

- Bộ biến đổi trên có bản chất là 1 mạch cầu H, hoạt động của bộ ở 4 góc phần
tư như sau:
+ Ở góc phần tư thứ nhất điện áp dương đặt lên động cơ và dòng điện đi từ
nguồn vào động cơ. Do đó cơng suất điện Pđ cấp vào động cơ là dương. 2 van
S1 và S4 đều ở trạng thái ON. Trong đó, van S1 được thực hiện điều chế băm
xung để điều chỉnh giá trị điện áp đặt vào động cơ, còn S4 được mở liên tục ở
trạng thái ON. Động cơ quay theo chiều dương và chiều công suất là từ nguồn
đến động cơ, động cơ làm việc ở chế độ động cơ.
+ Ở góc phần tư thứ hai, điện áp đặt lên động cơ vẫn dương nhưng dịng điện
đã đảo dấu do đó Pđ âm. Van S2 được kích ON và các van S1 S3 khóa, vì
chiều của dịng điện cảm ứng khơng thể đảo chiều chiều ngay lập tức nên S4 và
D2 vẫn dẫn dịng tự do.

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

23


+ Ở góc phần tư thứ ba, điện áp và dòng điện đặt vào động cơ đều âm nên Pđ
dương và động cơ quay theo chiều ngược lại, lúc này S2 và S3 được kích băm
xung để điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ.
+ Ở góc phần tư thứ tư,điện áp đựat lên động cơ dương và dòng điện đi vào
động cơ âm nên Pđ âm. Khi S4 được kích ON, điện áp rơi trên cuộn cảm phần

ứng tăng lên, S4 được kích OFF thì điện áp phần ứng động cơ sẽ bao gồm cả
sức điện động cảm ứng và điện áp rơi, nếu điện áp này lớp hơn điện áp nguồn
thì cơ năng tích lũy của hệ sẽ được truyền lại nguồn dưới dạng điện năng.

2.1.4. Bộ điều khiển phát xung.

- Bộ điều khiển phát xung có chức năng kích xung điều khiển để mở và khóa
các Mosfet phù hợp và điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh
điện áp. Để làm được điều này, bộ điều khiển cần thay đổi độ rộng xung phát
ra để điều khiển các Mosfet, cụ thể:
+ Điện áp ra của bộ băm xung điện áp 1 chiều có dạng như đồ thị, phụ thuộc
vào tín hiệu điều khiển băm xung:

Hình 2. 4 Điện áp ra của bộ băm xung áp 1 chiều

+ Giá trị trung bình của điện áp ra: V a =

1
∫ V s ds=( 2 d−1 ) V s .
T

+ Với d là độ rộng xung điện áp ra, ta thấy nếu thay đổi d thì V a thay đổi.
- Bộ điều khiển phát xung có thể được tao ra từ:
+ Phần cứng: các loại IC như IC 555,..
+ Phần mềm: được lập trình dưới dạng code và nhập vào vi điều khiển.
- Để tiết kiệm chi phí và mang lại độ chính xác cao nhất, ta chọn bộ điều khiển
phát xung được tạo bằng phần mềm.

2.2.Tính chọn các phần tử mạch động lực.
2.2.1. Tính chọn Diode.

2.2.1.1. Điện áp ngược của van:

- Điện áp trung bình của chỉnh lưu cầu 1 pha:
Ud=

2 √2
. U 2= K u .U 2
π

- Trong tính tốn ta phải tính sao cho Ud lớn nhất, cos𝛼 = 1, chọn U d =18(V ),
lúc đó điện áp ngược đặt lên van:

Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

24


U NgMax= K nv .

Ud
18
= √2 .
= 28,3 (V).
0.9
Ku

+ K nv =√ 2 : Hệ số điện áp ngược.
+ K u=

2 √2
≈ 0,9 : Hệ số điện áp tải.
π

- Để chọn được van theo điện áp hợp lý, điện áp ngược của van cần chọn phải
lớn hơn điện áp U NgMax qua hệ số dự trữ K dtU ( K dtU thường được chọn lớn hơn
1,6):
U ng v =K dtU . U NgMax .
- Chọn K dt u = 1,6 ⇒ U ng v = 1,6 . 28,3 = 45,28(𝑉).

2.2.1.2. Dòng điện làm việc trên van:

- I hdv = K hdv . I đm
+ I đ m: Dòng điện qua tải
+ I hdv: Dòng điện hiệu dụng của van
+ K hdv : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng
I đm=I d=

Pđm
250
=
=16,73( A)
U đm . ηđm 18.0 .83

1
= 0.71 ⇒ I hdv =0,71 .16,73=11,88(A )
√2
K dt I =1.1 ÷ 1.4 : Hệ số dự trữ dòng điện, Chọn K dt i =1.3
I hd v =1.3 .11,88=15,44 (A).

K hdv =

2.2.1.3. Chọn Diode:

- Với kết quả tính tốn trên ta chọn được: Diode MUR 1610:

Hình 2. 5 Diode MUR 1610
- Các thơng số của diode:
+ Điện áp ngược cực đại: U ngmax = 100(𝑉).
+ Điện áp thuận(sụt áp trên van): ΔU v =0,975 ( V ) .
+ Dịng trung bình: I tb=16 ( A ) .
+ Nhiệt độ làm việc cho phép: - 65ºC đến 175ºC.

2.2.2. Tính chọn máy biến áp.
Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 2

25