Baocao bài tập lớn mô hình hóa mô phỏng hệ thống cơ điện tử nhóm 21

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÁO CÁO
BÀI TẬP LỚN MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG HỆ
THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
NHĨM 21
Sinh viên thực hiện :

Giảng viên hướng dẫn:

TS.Phan Đình Hiếu

Khóa:16

Hà Nội – 2023


MỤC LỤC
Chương 1:
1.1.

Giới thiệu tổng quan...............................................................................7

Tổng quan và ứng dụng về động cơ điện một chiều........................................7

1.1.1.

Khái niệm...............................................................................................7

1.1.2.

Cấu tạo...................................................................................................7

1.1.3.

Nguyên lý hoạt động............................................................................10

1.1.4.

Phân loại động cơ điện một chiều.........................................................11

1.1.5.

Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều........................................12

1.1.6.

Ứng dụng..............................................................................................13

1.1.7.

Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.......................................13

1.1.8.

Động cơ điện một chiều kích từ song song...........................................14

1.2.

Giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển tốc độ hệ cơ......................................15

1.2.1.

Điều khiển bằng tay (trực tiếp) từ người vận hành...............................16

1.2.2.

Phương pháp điều khiển bán tự động...................................................16

1.2.3.

Phương pháp điều khiển tự động..........................................................16

1.3.

Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược...............................16

1.3.1.

Giới thiệu tổng quan về con lắc ngược.................................................16

1.3.2.

Ứng dụng về con lắc ngược..................................................................17

Chương 2:

Sử dụng phương pháp vật lý để viết phương trình miêu tả...................19

2.1. Phân tích vật lý để viết phương trình vật lý mơ tả động cơ điện một chiều

kích từ song song.....................................................................................................19
2.2.

Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để thiết lập phương trình mơ tả hệ treo
20

..................................................................................................................................... 22
2.3.

Phân tích vật lý để thiết lập phương trình mơ tả hệ treo................................22

Chương 3:
3.1.

Xây dựng biểu đồ BOND GRAPH.......................................................25

Xây dựng biểu đồ bond graph.......................................................................25

3.1.1.

Các bước xây dựng biểu đồ bond graph đối với hệ thống điện.............25


3.1.2.

Các bước xây dựng bond graph đối với hệ thống cơ............................25

3.1.3.

Xây dựng bond graph cho động cơ điện một chiều kích từ song song..25

3.1.4.

Xây dựng biểu đồ bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ. . .27

3.1.5.

Xây dựng biểu đồ bond graph cho con lắc ngược.................................29

Chương 4:

Mô phỏng và đánh giá..........................................................................33

4.1. Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ
song song................................................................................................................. 33
4.1.1.

Khảo sát hệ thống khi chưa thiết lập bộ điều khiển..............................33

4.1.2.
Ta khảo sát hệ thống khi thêm các bộ điều khiển P PI PID với góc mong
muốn là 2000rad..................................................................................................36
4.2.

Mơ phỏng và đánh giá các đặc tính của hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ....44

4.2.1.

Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID.............................................44

4.2.2.

Khảo sát hệ thống khi lắp thêm giảm chấn...........................................47

4.3.

Mơ phỏng và đánh giá đặc tính góc nghiêng của con lắc..............................49

4.3.1.

Khi chưa có bộ điều khiển....................................................................49

4.3.2.
Ta khảo sát hệ khi thêm các bộ điều khiển P PI PD và PID với góc
mong muốn là 0 rad và góc ban đầu là 0.1 rad.....................................................51
Kết luận.......................................................................................................................57


DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1-1: Động cơ điện một chiều................................................................................7
Hình 1-2:Stator máy điện một chiều.............................................................................7
Hình 1-3:Cực từ chính..................................................................................................8
Hình 1-4:Rotor động cơ điện một chiều........................................................................9
Hình 1-5:Lõi sắt phần ứng..........................................................................................10
Hình 1-6:Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.......................................11
Hình 1-7:Động cơ điện một chiều kích từ độc lập......................................................12
Hình 1-8:Động cơ điện một chiều kích từ song song..................................................12
Hình 1-9:Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp......................................................12
Hình 1-10:Động cơ điện một chiều kích từ song song................................................14

Hình 1-11:Mơ hình con lắc ngược..............................................................................17
Hình 1-12:Xe tự cân bằng...........................................................................................18
Hình 1-13:Tàu vũ trụ và tên lửa..................................................................................18
Hình 2-1:Sơ đồ điện một chiều kích từ song song......................................................19
Hình 2-2: Hệ thống điều tốc độ của hệ cơ...................................................................20
Hình 3-1:Bước một trong xây dựng bond của động cơ điện một chiều kích từ song
song............................................................................................................................. 25
Hình 3-2:Các điện thế khác nhau trong mạch song song............................................26
Hình 3-3:Bước 2+3 trong xây dựng bond graph của động cơ điện một chiều kích từ
song song..................................................................................................................... 26
Hình 3-4: Bước 4+5 trong xây dựng động cơ điện một chiều kích từ song song........26
Hình 3-5: Biểu đồ bond graph của động cơ điện một chiều kích từ song song...........27
Hình 3-6: Biểu đồ bond graph để khảo sát góc the-ta.................................................27
Hình 3-7: Hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ...............................................................27
Hình 3-8: Bước 1 trong xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ. 28
Hình 3-9: Bước 2 trong xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ. 28


Hình 3-10: Bước 3 trong xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ
..................................................................................................................................... 29
Hình 3-11: Bước 4 trong xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ
..................................................................................................................................... 29
Hình 3-12: Bước 5 trong xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ cơ
..................................................................................................................................... 29
Hình 3-13: Bước 1 xây dựng bond graph trong xây dựng con lắc ngược...................30
Hình 3-14: Bước 2+3 xây dựng bond graph trong xây dựng con lắc ngược...............30
Hình 3-15: Bước 4+5 xây dựng bond trong xây dựng con lắc ngược.........................30
Hình 3-16: Biểu đồ bond graph của con lắc ngược.....................................................31
Hình 4-1: Thơng số động cơ điện một chiều kích từ song song..................................34
Hình 4-2: Đồ thị vận tốc và góc quay của động cơ khi chưa có tải.............................34

Hình 4-3: Biểu đồ bond graph của động cơ điện một chiều kích từ song song khi có
thêm tải trọng...............................................................................................................35
Hình 4-4: Đồ thị vận tốc và góc quay của động cơ khi có tải.....................................35
Hình 4-5: Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển P.......................................................36
Hình 4-6: Đồ thị Kp=5................................................................................................36
Hình 4-7: Biểu đồ Kp=0.5..........................................................................................37
Hình 4-8: Đồ thị khi Kp=10........................................................................................37
Hình 4-9: Bond graph của động cơ điện một chiều kích từ song song khi khảo sát bộ
điều khiển PI................................................................................................................38
Hình 4-10: Đồ thị khi tauI=50....................................................................................38
Hình 4-11: Đồ thị khi tauI=10s...................................................................................39
Hình 4-12: Đồ thị khi tauI=150s.................................................................................39
Hình 4-13: Bond graph của động cơ điện một chiều kích từ song song khi khảo sát bộ
điều khiển PD..............................................................................................................40
Hình 4-14: Đồ thị khi tauD=1s...................................................................................41
Hình 4-15: Đồ thị khi tauD=10s.................................................................................41
Hình 4-16: Đồ thị khi tauD=0.5s................................................................................42
Hình 4-17: Khảo sát với bộ điều khiển PID................................................................43


Hình 4-18: Đồ thị với Kp=10, tauI=150s, tauD=0.5s..................................................43
Hình 4-19: Khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID.................................................44
Hình 4-20: Các thông số ban đầu khi khảo sát với bộ điều khiển PID........................45
Hình 4-21: Đồ thị khi thay đổi Kp=0.1.......................................................................45
Hình 4-22: Đồ thị khi thay đổi Kp=1..........................................................................46
Hình 4-23: Đồ thị khi thay đổi Kp=2..........................................................................46
Hình 4-24: Khảo sát hệ thống khi lắp thêm giảm chấn...............................................47
Hình 4-25: Thơng số của hệ thống cùng với giảm chấn..............................................47
Hình 4-26: Đồ thị vận tốc vật M2 khi lắp thêm giảm chấn.........................................48
Hình 4-27: Biểu đồ bond graph khi thêm khối tích phân............................................48

Hình 4-28: Biểu đồ đặc tính vận tốc của M2..............................................................49
Hình 4-29: Biểu đồ bond graph khi chưa có bộ điều khiển.........................................49
Hình 4-30: Thơng số ban đầu của con lắc...................................................................50
Hình 4-31: Đồ thị góc theta........................................................................................50
Hình 4-32: Đồ thị góc theta khi giảm V=10V.............................................................50
Hình 4-33: Bond graph con lắc khi khảo sát bộ điều khiển P.....................................51
Hình 4-34: Đồ thị góc theta khi Kp=50......................................................................51
Hình 4-35: Đồ thị góc theta khi Kp=20......................................................................52
Hình 4-36: Đồ thị góc theta khi Kp=100....................................................................52
Hình 4-37: Con lắc ngược khi khảo sát với bộ điều khiển PI......................................53
Hình 4-38: Đồ thị góc theta khi tauI=50s....................................................................53
Hình 4-39: Đồ thị góc theta khi giảm tauI=10s...........................................................53
Hình 4-40: Đồ thị góc theta khi tauI=100s..................................................................54
Hình 4-41: Bond graph của con lắc ngược khi khảo sát bằng bộ điều khiển PD.........54
Hình 4-42: Đồ thị góc theta khi tauD=1s....................................................................55
Hình 4-43: Đồ thị góc theta khi giảm tauD=0.1s........................................................55
Hình 4-44: Đồ thị góc theta khi tăng tauD=10s..........................................................55
Hình 4-45: Bond graph con lắc ngược khi khảo sát bằng bộ điều khiển PID..............56
Hình 4-46: Đồ thị góc theta khi Kp=500, tauI=50s, tauD=1s.....................................56


Chương 1:
1.1.

Giới thiệu tổng quan

Tổng quan và ứng dụng về động cơ điện một

chiều
1.1.1. Khái niệm

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) là một loại động
cơ điện sử dụng dòng điện một chiều để tạo ra chuyển động quay. Động cơ điện một
chiều hoạt động dựa trên nguyên lý lực Lorentz, trong đó một dòng điện chạy qua một
dây dẫn nằm trong một từ trường sẽ chịu tác dụng của một lực điện từ.

1.1.2. Cấu tạo
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính:
Phần tĩnh (Stator)
Phần động (Rotor)

1.1.1.
Hình 1-1: Động cơ điện một chiều

1.1.2.1. Phần tĩnh


1.1.2.
Hình 1-2:Stator máy điện một chiều

Hay cịn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:
a) Dây quấn kích thích: Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động cơ
được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc).
Dây quấn kích thích hay cịn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các
cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
b) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích
từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay
thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng
thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulơng. Dây quấn kích từ được
quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành
một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được

đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.

Hình 1-3:Cực từ chính

c) Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ
thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống
như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.


Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong
động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn
thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
d) Các bộ phận khác:
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an
toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy cịn có tác
dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than bao gồm
có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than
được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được
để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong dùng vít cố định
lại.

1.1.2.2. Phần động – rotor:
Rotor là một bộ phận quan trọng của động cơ điện hoặc máy phát điện, có vai trị tạo
ra chuyển động quay.Bao gồm những bộ phận chính sau.

Hình 1-4:Rotor động cơ điện một chiều

a) Phần sinh ra sức điện động: Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép
kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng. Cuộn

dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định. Mỗi bối
dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là
phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là
cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ
góp nhờ lị xo.


b) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày
0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện
xốy gây nên.

Hình 1-5:Lõi sắt phần ứng

Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những
động cơ trung bình trở lên người ta cịn dập những lỗ thơng gió để khi ép lại thành lõi
sắt có thể tạo được những lỗ thơng gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn lõi
sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là
khe hở thơng gió. Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
c) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có
dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
Trong máy điện nhỏ có cơng suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện trịn.
Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được cách
điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng
rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay
bakelit.
d) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp
mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục trịn. Hai đầu trục trịn dùng
hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica.
Đi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các

phiến góp được dễ dàng.

1.1.3. Nguyên lý hoạt động
Khi cấp điện áp một chiều Uư vào mạch phần ứng, trong dây quấn phần ứng có điện.
Các thanh dẫn có dòng điện Iư nằm trong từ trường ϕ do stator sinh ra sẽ chịu lực F


(lực Lorentz) tác dụng làm rotor quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn
tay trái (mũi tên màu đỏ ở hình dưới).

Hình 1-6:Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi cuộn dây phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do
có phiếu góp nên chiều dịng điện trong cuộn dây phần ứng được dữ nguyên làm cho
chiều lực từ tác dụng không thay đổi.
Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất
điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược
chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động. Khi đó ta có phương trình:
U ư =Eư + R ư . I ư

1.1.4. Phân loại động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân
loại theo cách kích thích từ trường của các động cơ. Theo đó ta có 4 loại động cơ điện
một chiều thường sử dụng:
a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ
hai nguồn riêng rẽ.


Hình 1-7:Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song
với phần ứng.

Hình 1-8:Động cơ điện một chiều kích từ song song

c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với
phần ứng.

Hình 1-9:Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

1.1.5. Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả máy phát
và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành...
mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến.
Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong cơng nghiệp giao
thơng vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong


phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so
với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành
đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn.
Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong
nền sản xuất hiện đại.
a) Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát
điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ
điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ
không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các
thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều
khơng những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều
khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.

b) Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than
nên vận hành kém tin cậy và khơng an tồn trong các mơi trường rung chấn, dễ cháy
nổ.

1.1.6. Ứng dụng
Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống:
trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in - photo, đặc biệt trong
công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục
trong phạm vi lớn...

1.1.7. Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
1.1.7.1. Bộ điều khiển động cơ điện một chiều
Bộ điều khiển động cơ 1 chiều là 1 thiết bị hoặc 1 nhóm thiết bị phục vụ để điều chỉnh
một cách xác định trước hiệu suất của động cơ 1 chiều. Bộ điều khiển động cơ 1 chiều
có thể bao gồm phương tiện thủ công hoặc tự động để khởi động và dừng động cơ,
chọn chuyển tiếp hoặc quay ngược, chọn và điều chiỉnh tốc độ, điều chỉnh hoặc giới
hạn momen xoắn, bảo vệ chống quá tải và lỗi.

1.1.7.2. Phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều
Có 3 phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều đó là:
a) Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách sử dụng điện trở:
Được xem là phương pháp đơn giản nhất, chỉ cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng,
độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vịng quay giảm và tốc độ sẽ chậm đi tương
ứng.


b) Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển từ thông: Điều
chỉnh từ thông hay còn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện động của
động cơ. Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên. Tuy nhiên, trên
thực tế, phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện.

c) Điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển điện áp phần ứng:
Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ hoặc
điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ. Khi thay đổi điện áp của phần
ứng thì tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng.
Phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều không hề phức tạp. Chỉ cần tuân thủ nguyên
tắc hoạt động cũng như trang bị một số kiến thức, kỹ năng nhất định là bạn hồn tồn
có thể điều khiển loại động cơ này một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất. Các thông
số cần quan tâm của bộ điều khiển động cơ 1 chiều:









Kích thước.
Nguồn cấp.
Kiểu điều khiển: điều khiển vô cấp tốc độ và momen động cơ, momen tồn phần
ngay ở tốc độ khơng …
Điện áp điều khiển động cơ.
Sai lệch tĩnh, ví dụ: < 1% trong mọi trường hợp,…
Khả năng giới hạn dòng điện và điện áp điều chỉnh được.
Dải cơng suất.
Ngồi ra các có các chỉ số khác như: bảo vệ mất pha điện áp lưới, bảo vệ mất kích
từ động cơ, gia tốc tăng giảm điều chỉnh được, khả năng chống quá tải, kết cấu gọn
nhẹ, tuổi thọ,…

1.1.8. Động cơ điện một chiều kích từ song song

Động cơ điện một chiều kích từ song song là động cơ điện một chiều được mắc bố trí
sao cho nguồn một chiều cấp cho phần ứnig và cấp cho kích từ song song với nhau.

Hình 1-10:Động cơ điện một chiều kích từ song song


Ta có phương trình cân bằng của động cơ kích từ song song.
U kt =U ư
i=i kt +i ư

{

Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ song song là mối quan hệ giữa
momen quay (T) và tốc độ quay (ω) của động cơ. Đặc tính này được biểu diễn bằng) của động cơ. Đặc tính này được biểu diễn bằng
đường cong T-ω) của động cơ. Đặc tính này được biểu diễn bằng. Đối với động cơ điện một chiều kích từ song song, đặc tính cơ điện
là một đường cong parabol hướng lên trên. Nghĩa là, khi tốc độ quay tăng lên, momen
quay cũng tăng lên. Tuy nhiên, khi tốc độ quay tăng càng cao thì momen quay tăng
càng chậm.
Ưu điểm:



Động cơ có khả năng khởi động và chạy tải nặng tốt.
Động cơ có khả năng điều chỉnh tốc độ quay dễ dàng bằng cách thay đổi điện
áp cấp cho động cơ.

Nhược điểm:



Động cơ có khả năng hãm kém.
Động cơ có khả năng chịu quá tải kém.

Động cơ điện một chiều kích từ song song được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng
hạn như: Máy kéo, máy nâng, máy nén, máy trộn, máy dệt, máy in.
Để cải thiện khả năng hãm và chịu quá tải của động cơ điện một chiều kích từ song
song, người ta thường sử dụng các phương pháp sau:




Sử dụng bộ hãm điện từ.
Sử dụng bộ hãm cơ khí.
Sử dụng bộ hãm động năng.

1.2.

Giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển tốc độ hệ

cơ
Hệ thống điều khiển tốc độ bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số
và cơng nghệ. Ngồi ra cịn các thiết bị đóng cắt đáp ứng cho công nghệ và người vận
hành. Đồng thời có một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối và các thiết bị mạch tự
động khác trong cả một dây chuyền sản xuất.
Tùy theo tính chất điều khiển mà bộ điều khiển tốc độ được phân ra:

1.2.1. Điều khiển bằng tay (trực tiếp) từ người vận hành.


Phương pháp này việc điều khiển này hoàn toàn do người vận hành tự đặt các thông số

như tốc độ, thời gian và phương pháp mà hệ truyền động có thể đáp ứng. Thơng qua
các khí cụ đóng cắt và các cơ cấu điều khiển như các role, công tắt, nút ấn,…

1.2.2. Phương pháp điều khiển bán tự động.
Đó là các hệ truyền động kín có sự hỗ trợ của các hệ thống điều khiển

1.2.3. Phương pháp điều khiển tự động
Hệ thống thực hiện việc điều chỉnh tốc độ theo u cầu cơng nghệ với 1 chương trình
định sẵn

1.3.

Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc

ngược.
1.3.1. Giới thiệu tổng quan về con lắc ngược
Con lắc ngược là con lắc có trọng tâm cao hơn so với trục quay của nó. Con lắc ngược
khơng ổn định và nếu khơng có sự tác động hỗ trợ thì nó sẽ bị đổ xuống ngay. Con lắc
ngược thường được thực hiện với điểm quay được gắn trên xe đẩy hoặc một vật khác
thể di chuyển theo chiều ngang dưới sự điều khiển của hệ thống động cơ servo và
được thường được gọi là mơ hình con lắc ngược.
Nó có thể được giữ cân bằng ở vị trí đảo ngược bằng cách sử dụng một hệ thống điều
khiển để theo dõi góc nghiêng và di chuyển trục quay của con lắc theo phương ngang
sao cho trọng tâm của con lắc có điểm rơi luôn đi qua trục quay.
Hệ con lắc ngược được chọn như một hệ điển hình cho việc thiết kế hệ Cơ điện tử. Nó
là một hệ cơ bản trong lĩnh vực điều khiển. Nó được dùng rất hiệu quả để tìm hiểu về


các khái niệm và thuật toán trong điều khiển hệ tuyến tính như điều khiển ổn định cho
một hệ khơng ổn định.

Hình 1-11:Mơ hình con lắc ngược

1.3.2. Ứng dụng về con lắc ngược
Trong thực tế, nhiều mơ hình có dạng con lắc ngược như nhà cao tầng , tháp vô tuyến,
giàn khoan, cơng trình biển,….Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các cơng
trình ngày càng lớn về chiều cao. Sự gia tăng về quy mô kết cấu sẽ dẫn đến các đáp
ứng động lực phức tạp của kết cấu và sẽ sinh ra các dao động. Các dao động này ảnh
hưởng xấu đến điều kiện làm việc , làm giảm độ bền của cơng trình . Vì vậy nghiên
cứu các dao động này làm giảm dao động có hại là vấn đề đang được quan tâm . Các
kết quả và quy luật của hệ chuyển động con lắc ngược thu được sẽ tiếp tục sử dụng
cho việc nghiên cứu, phân tích , tính tốn , thiết kế tối ưu hóa các thơng số cảu bộ hấp
thụ các dao động để giảm dao động cho các cơng trình có dạng hệ con lắc ngược tốt
nhất
Hệ con lắc ngược có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như việc điều khiển cân bằng
cho một biple-robot, điều khiển duy trì quỹ đạo của hệ thống tên lửa-tàu vũ trụ, hay
đơn giản là điều khiển cân bằng cho một tay máy
Một số ví dụ:
Trong xe tự cân bằng : Xe tự cân bằng là 1 ứng dụng điển hình nhất của hệ con lắc
ngược, nó giúp xe có thể giữ thăng bằng chỉ với 2 bánh.

Hình 1-12:Xe tự cân bằng


Trong tên lửa, tàu vũ trụ: Hệ con lắc ngược giúp cho tên lửa, tàu vũ trụ di chuyển theo
đúng quỹ đạo mà con người đã lập trình sẵn

Hình 1-13:Tàu vũ trụ và tên lửa

Chương 2:

Sử dụng phương pháp vật

lý để viết phương trình miêu tả
2.1.

Phân tích vật lý để viết phương trình vật lý mơ

tả động cơ điện một chiều kích từ song song

Hình 2-14:Sơ đồ điện một chiều kích từ song song

Phần mạch điện ta có mạch mắc song song
Do đó U ư =U kt ⇒i ư . Rư =ikt . Rkt

(1)

Laplace 2 vế ta được: I ư ( s ) R ư =I kt ( s ) Rkt

(2)

Sức điện động phần ứng là: Eư ( t )=K . ϕ ( t ) . ω ( t )=K s . ikt . ω ( t )
Ta có: V =U ư + Eư =I ư . R ư + Lư .

d iư
+ K s .i kt .ω ( t )
dt

(3)

(4)

Dòng điện 1 chiều do đó coi các cuộn cảm như các dây kết nối
Nên V =U ư + Eư =I ư . R ư + K s . i kt . ω ( t )
Laplace 2 vế ta được: V =I ư ( s ) . R ư + K s . I kt ( s ) . ω ( s )
¿ I kt ( s ) . R kt + K s . I kt ( s ) . ω ( s )
¿ I kt ( s ) [ Rkt + K s . ω ( s ) ]
⇒ I kt ( s ) =

V
(6)
R kt + K s . ω ( s )

(5)


Xét mạch phần động cơ ta có:
T ( t )=Kϕ I ư ( t )=K s I kt ( t ) . I ư ( t )

(7)

K s . I 2kt ( s ) . R kt
Laplace 2 vế ta được: T ( s )=K s I kt ( s ) . I ư ( s )=
Rư

√
√

⇒ I kt ( s ) =

Từ (6) và (8) ta được

T ( s ) . Rư
K s . Rkt

(8)

T ( s ) . Rư
V
=
K s . Rkt
R kt + K s . ω ( s )

Ta suy ra được mối quan hệ giữa tốc độ và momen:
ω ( s )=V .

√

2.2.

R kt
R kt
−
T ( s ) . K s . Rư K s

Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để thiết

lập phương trình mơ tả hệ treo
Đề u cầu bài tốn

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ như hình 1. Trong đó: M1 và M2 là
khối lượng của hai xe. Hai xe liên kết với nhau bằng lò xo. Bỏ qua ma sát bánh xe với
mặt đường. Các thông số của hệ thống như sau:
- Khối lượng vật 1: 1 kg
- Khối lượng vật 2: 2 k g
- Độ cứng lò xo: 0.08 N/m
- Tốc độ đặt: 10m/s

Hình 2-15: Hệ thống điều tốc độ của hệ cơ

Dùng phương pháp Newton để lập phương trình mơ tả hệ cơ
Phân tích hệ vật: