Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng bộ băm xung khi không cần đảo chiều quay

MỤC LỤC
Trang

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong các
ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ
điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công
nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện
ngầm, và các cánh tay robot; để thực hiện các nhiệm vụ trong công
nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây truyền sản
xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ.
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản
và bền vững nên các bộ điều khiển PID được dùng phổ biến trong các
hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu điều khiển là nâng cao chất lượng
các hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều
đối tượng điều khiển khác nhau với các yêu cầu và đặc tính phức tạp
khác nhau do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương
pháp điều khiển cho hệ truyền động ngày càng đạt được chất lượng
điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp
ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây truyền
sản xuất.
Trong học kì này em đã nhận được đề tài:” Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
động cơ một chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng bộ băm xung
khi không cần đảo chiều quay’.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến
Lương trong quá trình là đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã cố gắng
1


nhưng cũng không tránh khỏi những sai xót nhất định, em mong được sự góp ý,
chỉ bảo thêm của thầy, cô.

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ BỘ BIẾN ĐỔI
XUNG ÁP
1.1. CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH
TỪ ĐỘC LẬP
1.1.1.

Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ một chiều bao gồm 2 phần: phần cảm (startor) và phần ứng(rotor).
-

Phần cảm (stator):
Phần cảm gọi là stator, gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ
vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 1.1), dòng
điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên
tiếp luân phiên nhau. Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ cat bulong. Ngoài
ra máy điên một chiều còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than.

Hình 1.1: Cực từ chính
-

Phần ứng (rotor):
Rotor gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy:
+ Lõi thép phần ứng: Hình trụ bằng các lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm,
được phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thong gió và
rảnh để đặt dây quấn phần ứng.
2

+ Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các
rảnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây
quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai
phiến góp của phiến góp. Hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh
dưới hai cực từ khác tên.
+ Cổ góp (vành góp): gồm nhiều phiến đồng được ghép với nhau thành
-

1.1.2.

một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy.
Chổi than: Máy có bao nhiêu cực thì có bấy nhiêu chổi than. Các chổi
than cùng cực tính được nối với nhau để có một cực âm dương duy nhất
Các bộ phận khác: cánh quạt, trục máy.
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng
có dòng điện. các thanh dẫn trên roto mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ
chịu tác dụng lực tương hỗ lên nhau tạo lên mô men tác dụng lên roto, làm quay
roto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái.

Hình1.2: Mô tả nguyên lí làm việc của động cơ một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn đối diện đổi chỗ cho nhau,
nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành
dòng xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không
3


i, do ú lc tỏc dng lờn roto cng theo mt chiu xỏc nh, m bo ng c

cú chiu quay khụng i.
Ch lm vic nh mc ca mỏy in núi chung v ca ng c in mt
chiu núi riờng l ch lm vic trong nhng iu kin m nh ch to quy
nh. Ch ú c c trng bng cỏc i lng ghi trờn nhón mỏy gi l i
lng nh mc.
Phần ứng đợc biểu diển bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato
có thể có vài dây quấn kích từ : dây quấn kích từ độc lập ckđ, dây quấn kích từ nối
tiếp ckn, dây quấn cực từ phụ cf và dây quấn bù cb. hệ thống các phơng trình mô tả
động cơ một chiều là phi tuyến, trong đó các đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển)
thờng là điện áp phần ứng u, điện áp kích thích uk, tín hiệu ra thờng là tốc độ góc của
động cơ , mô men quay m, dòng điện phần ứng i, hoặc trong một số trờng hợp là vị
trí của rôto là . mô men tải mc là mô men do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ,
mô men tải nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền điện tự động.

Hỡnh1.3: Giản đồ kết cấu của động cơ điện một chiều
1.1.3. c tớnh c ca ng c mt chiu kớch t c lp
c im ca ng c l dũng kớch t khụng ph thuc vo ph ti m ch ph
thuc vo in ỏp v in tr mch kớch t.
m bo iu kin trờn thỡ ta mc ng c theo cỏc cỏch mc sau:
- Nu ngun mt chiu cú cụng sut v in ỏp khụng i thỡ mch kớch t
c mc song song vi mch phn ng
4


- Nu ngun mt chiu cú cụng sut khụng ln thỡ ngun kớch t phi
c lp vi ngun phn ng, ta cú s nguyờn lý:

Hỡnh 1.5: Ngun kớch t c lp vi ngun phn ng
Thnh lp phng trỡnh c tớnh:
T phng trỡnh cõn bng in ỏp , mch phn ng:

U u = E u + ( Ru + R f ).I u

(1.1)

trong ú:
uu : điện áp phần ứng
eu : suất điện động phần ứng
ru : điện trở mạch phần ứng
rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng

Ru = ru + rcf + rb + rct

(1.2)

ru : điện trở cuộn dây phần ứng
rcf :

điện trở cực từ phụ

rb : điện trỏ cuộn bù
rct : điện trở tiếp xúc chổi điện
Sut in ng ca phn ng c xỏc inh theo biu thc sau :

Eu = K .. =

p.N

2. .a

(1.3)

Trong ú :
p: số đôi cực từ chính
5


n : sè thanh dÉn t¸c dông cña cuén d©y phÇn øng
φ : tõ th«ng kÝch tõ díi mét cùc tõ
ω : tèc ®é gãc

p.N
2.π .a : hÖ sè cÊu t¹o cña ®éng c¬
Eu = K e .n.φ
K=

n : tèc ®é ro to

ω=

2.π .n
n
=
60
9,55

Ta có phương trình đặc tính cơ điện :

ω=

U u Ru + R f
−
Iu
Kφ
Kφ

(1.4)
Nếu bỏ qua các tổn thất năng lượng bên trong động cơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và
phương trình đặc tính cơ của động cơ là:

ω=

U u Ru + R f
−
M
Kφ
( Kφ ) 2

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

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

6


Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thong kích từ tạo thành mô men điện từ,
giá trị mô men điện từ được tính như sau:
M= φI=k.φI

(1.6)

Trong đó:α- số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng
p- số đôi cực của động cơ
N- số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ
K= : hệ số kết cấu của máy
Mô men kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ
thông và trong các dây quấn này cảm ứng suất điện động:
E= φω=k.φω

(1.7)

Trong đó: ω- là tốc độ góc của roto
Trong chế độ , có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
ω=

(1.8)

trong đó : Ru - điện trở mạch phần ứng của động cơ.
Với các phương trình (1.6)và (1.8) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ
mọt chiều khi từ thong không đổi.
b. Chế độ quá độ của động cơ một chiều
Nếu các thong số của động cơ là không đoit thì có thể viết được các phương trình mô

tả sơ đồ thay thế hình 1.3 như sau:
Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông máy φ là phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt:
Uk(p)=RkIk(p) + Nk.P.φ(p)

(1.9)

Trong đó Nk – số vòng dây cuộn kích từ
Rk – điện trở cuộn dây kích từ.
Mạch phần ứng:
U(p)= Rư.I(p) + Lư.p.I(p) NN.p.φ(p) + E(p)

(1.10)

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

(1.11)

Trong đó: Lư là điện cảm mạch phần ứng
NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
7


Tư –Lư/Rư – hằng số thời gian mạch phần ứng
Phương trình chuyển động của hệ thống:
M(p) –Mc(p) = Jpω

(1.12)

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

Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều
1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
1.3.1. Phương pháp thay đổi diện trở phụ
- Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
+) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm,φ = φ đm
và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
(1.13)
+) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và
do đó càng mềm hơn.

Hình 1.8: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phụ
8


Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự
nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy,
khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.
- Đặc điểm của phương pháp:
+) Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ
càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+) Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định
mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
+) Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên
điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động
cơ điện trong cần trục.
+) Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được
mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải

càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ω max / ωmin càng nhỏ. Phương pháp này có thể
điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 +) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh
tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn
giản.
1.3.2. Phương pháp thay đổi từ thông φ
- Nguyên lý điều khiển:
Giả thiết U= Uđm, Rư = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi
dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp
biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa ( ω=
) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có

max

thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng
trên tốc độ định mức. Nên khi giảm φ thì tốc độ không tải lý tưởng ω tăng, còn
độ cứng đặc tính cơ β giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự
nhiên:

9


Hình 1.9: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi từ thông
- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng
vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho
dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì
ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ
- Đặc điểm của phương pháp:
+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức,

việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.
+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều
khiển với công suất không đổi.
+) Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm
trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của
máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1. Vì công suất của
cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với
+) Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục
và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ
(1 ÷ 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).

1.3.3. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
10


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

Hình 1.10: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng
Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
(1.14)

(1.15)
(1.16)
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng
không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều

11


khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt
để.
Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị
chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và
từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh
bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động. Khi mômen tải
là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:
(1.17)

(1.18)
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm .Trong đó KM là hệ số quá tải về
mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định
nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết:

(1.19)

Hình 1.16: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp

12

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω 0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy
phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β . Khi điều
chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở
tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có

thể tính sơ bộ được:
Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

Vì các giá trị Mđm, ω0min, scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của
độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc
này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng
kín. - Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện
một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay
được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh
tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao.
1.4. Bộ biến đổi xung áp
Bộ biến đổi xung áp một chiều là thiết bị dùng để thay đổi điện áp ra tải từ
nguồn điện áp một chiều cố định.
Nguyên lí cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1.17. Giữa
nguồn một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động
của BXMC là cho van đóng cắt theo chu kỳ với quy luật:
-

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

-

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

13


-

Hình 1.17: Nguyên lí băm xung một chiều
Giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:

Ut =

t
1 to
Edt = o E = γ .E
∫
T 0
T

Trong đó:
to – thời gian van Tr dẫn
γ – tham số điều chỉnh
T- chu kì đóng cắt của van
Biểu thức cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số
γ , việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách băm điện áp một chiều E thành các xung
điện áp ở đầu ra nên thiết bị này gọi là băm xung một chiều.
a, Bộ biến đổi xung áp giảm áp

Hình 1.18: sơ đồ nguyên lí bộ biến đổi xung áp giảm áp
Nguyên lí hoạt động:
Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S( van bán dẫn điều khiển được)

14


Đặc điểm của sơ đồ này là khóa S, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. tải có tính
chất cảm kháng, Bộ lọc L và C. Điốt mắc ngược với U d để thoát dòng tải khi
ngắt khóa K.
-

S đóng thì U được đặt vào đầu của bộ lọc, nếu bỏ qua tổn thất trong các

-

van và các phần tử thì Ud=U
.
S mở thì hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng i d do năng lượng
tích trữ trong cuộn L và cảm kháng của tải, dòng khép kín qua D, do vậy
Ud =0
Như vậy Ud ≤ U tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

b, Bộ biến đổi xung áp tăng áp

Hình 1.19: Bộ biến đổi xung áp tăng áp
Đặc điểm:
L nối tiếp với Tải, Khóa S mắc song song với tải, Cuộn L không tham gia vào
quá trình lọc gợn song mà chỉ có tụ C mới đóng vai trò này.
-

S đóng dòng điện từ +U qua L, S , -U. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC( đã

-

được tích điện trước đó)
S ngắt. dòng chảy từ +U qua L, qua D, ra tải vì từ thông tỏng L không
giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm có
cùng cực tính với U, do đó tổng điện áp U d=U +eL. Vậy ta có bộ biến đổi
tăng áp.

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và
năng lượng truyền ra dưới dạng xung nhọn
c, Bộ biến đổi xung áp tăng áp- giảm áp
15


Hình 1.20: Bộ biến đổi xung áp tăng - giảm áp
Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương R- L –E . L1 chỉ
đóng vai trò tích lũy năng lượng. C đóng vai trò lọc.
Nguyên lí:
-

S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U qua S qua L1 về -U , năng lượng

-

tích lũy trong cuộn cảm L1, diot D tắt, Ud=Uc, tụ C phóng điện qua tải.
S ngắt, Cuộn cảm L1 sinh ra sdd ngược chiều với trường hợp đóng, D
thông, năng lượng từ trường nạp vào C, C tíc điện, Ud sẽ ngược chiều với
U.

Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối Ud có thể lớn hơn

hay nhỏ hơn U nguồn.
1.5. Mạch điều khiển bộ biến đổi xung áp
Mạch điều khiển sử dụng 4 nguồn cung cấp: nguồn E cho phần điều khiển
điện áp thấp, và hai nguồn cho M57957 (+15V và -10V) cách li với hai
nguồn trên.
-

Khâu tạo điện áp răng cưa dùng dạng xung tam giác có dịch điện áp để

chuyển từ điện áp hai cực tính thành một cực tính.
- Khâu tạo điện áp điều khiển( U dk) với bộ điều chỉnh PI tổng hợp hai tín
hiệu chủ đạo( Ucđ ) và phản hồi (Uph) . Tụ C2 có chức năng chống đột biến
điện áp chủ đạo.

16


Hình 1.23: Sơ đồ điều khiển van lực IGBT cho băm xung một chiều không đảo
chiều
-

Khâu so sánh hai cửa tín hiệu với U dk =U(+) ; Urc=U(-), điều này để phối hợp
với tầng khuếch đại T2, khi Uss dương làm T2 dẫn, LED được cấp dòng phát
quang. Tầng T2 cho phép OA3 làm việc nhẹ tải hơn nhiều, điện trở R 13 tính
theo tải 16mA của bong T2 khi dẫn

R13 ≤
-

β U bh

16.10−3

trong đó β là hệ số khuếch đại dòng của bong T2

Khâu khuếch đại xung dùng Driver M57957L có cách li quang điện trở
R15 hạn chế dòng qua LED ở mức diot phát quang có giá trị:

R15 =

E
I LED

=

15
3
=
0,93.10
= 930Ω
−3
16.10

Chọn R15=1k Ω
17


Chương 2
BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
ĐỘC LẬP
2.1. ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC HỆ THỐNG

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ truyền động động cơ một chiều kích
từ độc lập
Trong đó:
BBĐ : Bộ biến đổi xung áp không đảo chiều
Ri, Rω: Các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ
Si ,Sω: là các sensor tốc độ, sensor dòng điện đóng vai trò khâu phản hồi
Đ: động cơ truyền động một chiều với thông số cho trước.
HCD: phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ
Hệ truyền động một chiều thường được phân loại:
-

Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước

-

không đổi. Ví dụ: duy trì tốc độ không đổi, duy trì mô men không đổi.
Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị
trí trong đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý,
chúng ta thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn
dao máy cắt gọt kim loại..
18


-

Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo phương trình, thực chất là hệ điều
khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình
đặt trước, thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo
chuyển động trong không gian phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm

nhiều trục, chương trình điều khiển được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ…
thường gặp các hệ điều khiển theo chương trình trong trung tâm gia công
cắt gọt kim loại, hoạt động của ro bốt trong sản xuất.

2.2. CÁC THÀNH PHẦN TRONG CẤU TRÚC
2.2.1.Bộ biến đổi (BBĐ)
Dùng bộ biến đổi xung áp một chiều không đảo chiều, nội dung về bộ biến đổi
xung áp một chiều không đảo chiều được nêu ở mục 1.4 chương 1.
2.2.2. Các bộ điều chỉnh Ri, Rω
Là các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ được tổng hợp trong các
mạch vòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng điều chỉnh tốc độ trong mục 2.2.1
và 2.2.2.
2.2.3. Phần tử hạn chế dòng HCD
Đóng vai trò làm phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ, phần tử hạn
chế dòng thường dùng bằng điện trở.
2.2.4. Các sensor phản hồi Si, Sω
Là các cảm biến để đo các đại lượng dòng điện, tốc độ đóng vai trò khâu phản
hồi
a.Sensor dòng điện Si
Đóng vai trò là khâu phản hồi dòng điện, để lấy tín hiệu dòng điện quay trở
lại đầu vào hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tín hiệu dòng
điện.Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện
Yêu cầu đặt ra cho các bộ đo dòng điện một chiều, là ngoài việc đảm bảo về
độ chính xác, còn phải đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.
Người ta thường dùng phương pháp biến điệu để truyền tín hiệu một chiều từ
sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng biến áp hoặc phần tử quang điện.
19


Hình 2.2:Mạch nguyên lý đo dòng điện 1 chiều

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

b. Sensor tốc độ Sω
20

(2.1)


Đóng vai trò là khâu phản hồi tốc độ, trong mạch vòng tốc độ, người ta phải
tạo ra một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ động cơ. Để làm được điều đó người
ta thường dùng máy phát tốc một chiều, nó được nối cứng trục với động cơ.
Máy phát tốc một chiều :
+ Khái niệm : máy phát tốc là một thiết bị đo tốc độ của động cơ
+ Cấu tạo : Gồm hai phần là phần cảm và phần ứng
+ Máy phát tốc một chiều thực ra chỉ là một máy phát điện một chiều loại nhỏ
tạo ra một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ động cơ, được nối cứng với trục động

cơ.
Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp ,một chiều có chứa ít thành
phần xoay chiều là tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về
giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo. Điện áp một chiều phát ra không phụ
thuộc vào tải, vào nhiệt độ.

Hình2.3: Sơ đồ đo tốc độ dùng máy phát tốc
Khi từ thông máy phát tốc không đổi, điện áp đầu ra phát tốc :

U ra = Kω .ω − IR up − ∆U CT
Nếu chọn điện trở đủ lớn, gần đúng ta có:

Uω = Kω .ω
Hàm truyền của máy phát tốc :
WFT ( p) =

Kω
1 + Tω p

(2.2)
Trong đó :

Tω - hằng số thời gian của máy phát tốc
Kω

- hệ số phản hồi của máy phát tốc
21


2.2.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Hình 2.2: Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện
Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển
động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dòng điện của động cơ không vượt quá
ngưỡng cho phép. Mặt khác nhiệm vụ của bộ điều khiển là thiết lập giá trị dòng
bằng giá trị điều khiển trước sự tác động cảu nhiễu.
Đối với động cơ một chiều bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo 2 cách:
-

Tổng hợp bộ điều khiển RI bỏ qua sức điện động phần ứng
Tổng hợp bộ điều khiển RI có tính đến sức điện động phần ứng

Trong trường hợp quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện, nghĩa là tại thời
điểm đó có thể xem sự thay đổi của dòng điện lớn hơn nhiều so với sự thay đổi
của tốcđộ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi. Khi cần điều khiển
chính xác thì ta cần phải tính đến suất điện động của động cơ.
•

Tổng hợp bộ điều khiển RI:

Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành thì
mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản có chức năng cơ bản của
các mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của
động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc…

22


Hình2.3 : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Trong đó:

Tu =

Lu
Ru là hằng số điện từ của động cơ

Ti =R.C Hằng số thời gian của cảm biến( sensor) dòng điện
Bỏ qua sự ảnh hưởng của suất điện động ta có:

Hình2.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua E
Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động thì ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn sau:

Hình2.5: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
Trong đó Si là mô hình đối tượng của bộ điều khiển dòng
23


SI =

1/ Ru
kb d
I ( p)
kI
=
.
.
U (p) 1 + Tu . p (1 + Tbd .p)(1 + Tv . p) 1 + TI . p

(2.3)

TSI=TSI+ Tv+Tk<

SI =

K cl .K I / Ru
(1 + TSI . p)(1 + Tu . p)

(2.4)

Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có hàm truyền của hệ thống kín:

FI (p) =

1
1 + 2τ i + 2τ i 2

(2.5)

Mặt khác theo hình 2.5 ta có:
(2.6)
RI ( p ) =

1
K CL K I / Ru
.2τ i p (1 + 2τ i p )
(1 + TSI . p)(1 + Tu . p)
(2.7)

Chọn τi = min(TSI , Tư)=TSI
Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
RI (p) =

1 + pTu
Ru
1
=
.(Tu + )
2 p.K I .K CL .TSI / Ru
2.K CL K I .TSI
p

(2.8)

Kết quả khi tổng hợp vòng bằng phương pháp tối ưu:
FI ( p ) =

1 / KI
1/ KI
≈
2
2
1 + 2TSI . p + 2TSI . p
1 + 2TSI .P

(2.9)

2.2.6. Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ
Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với
vòng trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ. Tuy
nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chất
lượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện.

24


Hình 2.6:Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Khi tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu, với giá trị
TSI rất nhỏ ta sẽ được:
1 / KI
1 + 2TSI . p + 2TSI 2 . p 2

FI ( p ) =

FI ( p )

≈

1/ K I
1 + 2TSI .P

(2.10)

(2.11)

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

S02 (p) =

Ru Kω
1

.
K I Kφ TC p (2 T ' s p + 1)

(2.12)

Theo tiêu chuẩn tối ưu modul , có thể xác định được hàm truyền của bộ điều
chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ:

Rω (p) =

K I KφTc
1
.
= K p'
Ru Kω 2Ts' .a2

(2.13)

Trong đó thường lấy a2 =2

Kp =

R3
R1

Kω = Kω ' .

R1
R2

(2.14)

K’ω là hệ số truyền của bản than sensor tốc độ
25