Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
THIẾT KẾ MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Đề bài: Cho một hệ truyền động vị trí sử dụng động cơ – vít me truyền động
cho đối tượng. Xây dựng bộ điều khiển cho hệ khi sử dụng động cơ truyền
động là động cơ một chiều kích từ độc lập. Với các thông số sau:

•
•
•
•
•
•

Thông số kỹ thuật
Công suất động cơ 10KW
Điện áp nguồn 110 VDC
Trọng lượng tải 4000kg
Tốc độ lớn nhất 0.05m/s
Hệ số ma sát 0.5
Tỉ số hộp truyền 10/1

Yêu cầu
Xây dựng mô hình động cơ một chiều
Xây dựng mô hình điều khiển cho hệ
Tính chọn các bộ điều khiển
Mô phỏng đáp ứng trên simualink với
các nhiễu, tải khác nhau và đánh giá
kết quả

•
•
•
•

Giáo viên hướng dẫn

:

TRẦN TIẾN LƯƠNG

Sinh viên

:

ĐINH VĂN MẠNH

Msv

:

39190

Lớp

:

ĐTĐ51-ĐH2

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
Chương 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều
1.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập
1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi
1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI
1.4 VISME
1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý
1.4.2 Ưu - nhược điểm của visme
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
2.2 TỔ HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG
2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI
2.3 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
2.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ khi có mạch điều khiển dòng
2.4 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
Chương 3 MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI
KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MÔ PHỎNG
3.1.1 Các thông số đã biết
3.1.2 Các thông số chọn
3.1.3 Tính toán các thông số
3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK
3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
2

3.3.1 Với mô men cản Mc = 0; điện áp đặt 10v
3.3.2 Với Momen cản Mc = 100; điện áp đặt 10v

Giáo viện hướng dẫn
Trần Tiến Lương

Sinh viên
Đinh Văn Mạnh

3


MỤC LỤC
Lời nói đầu………………………………………………………………………….6
Chương 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...……………………………………………..7
1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều..…………………………………………..7
a) Khái niệm.……………………………………………………………………….7
b) Cấu tạo.………………………………………………………………………….7
c) Phân loại ……………..……………..……………..……………..……………...9
d) Ưu – nhược điểm của máy điện một chiều……………..……………………….9
1.1.2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập......……………………10
1.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU …………………………11
1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập ……………….12
1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều ……………..………………….12
1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi ……………….14
1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI ………………..……………..……………...15
1.4 VISME ……………..……………..……………..……………..……………..16

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý ……………..……………..………………………….16
a) Cấu tạo ……………..……………..……………..……………..………………16
b) Nguyên lý……………..……………..……………..……………..……………17
1.4.2 Ưu - nhược điểm của visme ……………..……………..……………..…….17
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ……………..………….18
2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG………....……………………….19
2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng ……………..………………………..19
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RI ……………..……………..…………………….20
2.3 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ……………..………………...22
2.4 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ……………...…………………..24
Chương 3. MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TRÊN SIMUALINK VỚI CÁC NHIỄU, TẢI
KHÁC NHAU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4


3.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MÔ PHỎNG.……………..…………………...25
3.1.1 Các thông số đã biết …...…………………………………………………...25
3.1.2 Các thông số tính chọn ..……………………………………………………25
3.1.3 Tính toán thông số ………….……………..……………..…………………25
3.2 MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK ……………..……………..……………….28
3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ……………..……………..………………………..29
3.3.1 Với momen cản Mc = 0; điện áp đặt 10v …………………………………..29
3.3.2 Với momen cản Mc = 0; điện áp đặt 10v……………………………………32

5


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay động cơ điện 1 chiều đóng một vai trò quan trọng trong các ngành công

nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện 1 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 chuyền 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 ( tỉ lệ, tích phân, đạo hàm ) được dùng phổ biến trong
các hệ điều khiển công nghiệp. Mục tiêu của 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 điện
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 chuyền sản xuất.
Trong học kì này em đã nhận được đề tài : “Cho một hệ truyền động vị trí sử
dụng động cơ – vít me truyền động cho đối tượng. Xây dựng bộ điều khiển cho
hệ khi sử dụng động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập”.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến
Lương trong quá trình làm đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã dành nhiều cố
gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sự góp
ý, chỉ bảo thêm của thầy, cô.

6


Chương 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.1 Tổng quan về máy điện một chiều
a) Khái niệm
Động cơ điện một chiều là loại máy điện làm việc với nguồn điện một chiều.

Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc theo chế độ động cơ. Nghĩa là
máy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại.
b) Cấu tạo
Cấu tạo máy điện một chiều gồm 3 phần chính:
- Stato: Còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy,
thường được chế tạo bằng gang hay thép đúc. Stato là mạch từ cũng là vỏ máy bao
bọc các bộ phận bên trong. Phía mặt trong của stato được gắn các cực từ, phần cuối
của cực từ được làm loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ có gắn cuộn dây
kích từ.

Hình 1.1. Cấu tạo máy điện một chiều
- Roto: còn gọi là là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng.
- Lõi thép: có hình trụ được ghép từ các lá ghép kĩ thuật điện, ghép cách điện với
nhau nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy.

7


Hình 1.2. Lá thép stato
Chung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn
dây phần ứng. Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc. Ngoài ra trên lõi thép
còn dập một số lỗ thông gió để làm mát. Thân máy, cực từ và lõi thép phần ứng tạo
thành mạch từ của máy điện một chiều.
Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiều
vòng dây được xếp trong các rãnh của lõi thép. Hai đầu phần tử nối với với 2 phiến
góp, 2 cạnh tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2 cực khác
tên. Phần ứng được bắt chặt trên trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn. Nắp máy
giữ cố định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bu-lông xuyên.
- Cổ góp – chổi than
Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện giữa phần ứng của máy điện với

thiết bị bên ngoài. Khi hoạt động ở chế độ máy phát điện cổ góp còn có nhiệm vụ
chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều trước khi đưa ra mạch điện
ngoài.

8


Hình 1.3. Cổ góp và chổi than
Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụ
tròn, sau đó gắn vào trục roto, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được
cách điện với trục bằng lớp mica mỏng. Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn
với đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng.
Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hình
hộp. Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắt
chặt vào nắp máy. Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò xo
ép chặt.
Các đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng được nối với nhau tại cổ góp tạo
thành mạch điện khép kín. Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dây quấn
phần ứng thành các mạch nhánh song song.
c) Phân loại
Máy điện một chiều được phân loại theo dạng mạch kích từ:
- Mấy điện một chiều kích từ song song
- Máy điện một chiều kích từ độc lập
- Máy điện một chiều được kích từ hỗn hợp
d) Ưu – nhược điểm của máy điện một chiều
- Ưu điểm của máy điện một chiều:

9

Ưu điểm nổi bật của máy điện một chiều là có momen mở máy lớn, do vậy kéo
được tải nặng khi khởi động. Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảng
nhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa khi cần thay đổi mịn tốc độ.
- Khuyết điểm:
Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là bộ phận cổ góp có cấu tạo phức
tạp và đắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quá trình vận
hành nên cần bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên. Ngoài ra, tia lửa điện phát sinh
trên cổ góp – chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ. Nhược
điểm nữa là do mạng điện cung cấp chủ yếu ở dạng xoay chiều nên khi cần cho
máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một chiều
đi kèm.
1.1.2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi mạch điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào 2 nguồn độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động
cơ kích từ độc lập.

Hình 1.4. Sơ đồ nối dậy của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ϖ=
Phương trình đặc tính cơ:

Uö
R + Rf
+ ö
×M đñt
kφđñm ( kφ ) 2
đm

Với Uư: điện áp phần ứng
10

Rư: điện trở mạch phần ứng
Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng

Hình 1.5. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Động cơ điện một chiều có nhiều loại nhưng động cơ điện một chiều kích từ độc
lập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơ điện
một chiều như sau:

Hình 1.6. Hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- ĐC: Động cơ điện một chiều
- Uư: Điện áp phần ứng
- Ukt: Điện áp kích từ
11


- Iư: Dòng điện phần ứng
- Ikt: Dòng điện kích từ
- CF: Cuộn dây cực từ phụ
- CB: Cuộn bù
- Mđt: Momen điện từ
- Mc: Momen cản
- ω: Tốc độ góc của động cơ
- φkt: Từ thông kích từ
1.2.1 Mô hình toán của động cơ điện một chiều ở chế độ xác lập
- Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U = I ö .R ö + E
- Biểu thức momen và suất điện động: M đt = K.φ.I ö .ϖ
Trong đó: K = p.N / (2πa) là hệ số cấu trúc động cơ

p: số cặp cực từ chính của động cơ
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a: số nhánh song song
Từ các biểu thức trên ta suy ra được biểu thức tính tốc độ góc:

ϖ=

Uö Rö
U
Rö
−
Iö = ö −
M
Kφ Kφ
Kφ ( Kφ ) 2 đñt

Biểu thức trên cho phép xây dưng đặc tính điện cơ và đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều trong chế độ xác lập, cũng như các phương pháp điều chỉnh tóc độ
và đảo chiều quay của nó.
1.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng toán tử Laplace:
- Với mạch kích từ: U k (p) = R k .I k + N k .p.φ(p)
-Với mạch phần ứng: U ö ( p) = R ö .I ö (p) + L ö .p.I ö (p) ± N N .p.φ(p) + E(p)
- Phương trình cân bằng momen: M đñt (p) – M c (p) = Jpϖ(p)
12


Từ phương trình phần ứng ta có:
I ö (p) =

1 Rö
× U(p) mN N pφ(p) − E(p) 
1 + Tö .p 

với Tö = L ö R ö

Trên cơ sở đó ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều tổng
quát:

Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều tổng quát.
Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ đồ là
rất cao. Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương trình
tuyến tính hóa được viết như sau:
- Mạch phần ứng:
13


 U 0 + ∆U(p) = R ö  I 0 + ∆I(p)  + pL  I 0 + ∆I(p) + K[φ0 + ∆φ(p)] ωB + ∆ω(p)

- Mạch kích từ:
U k 0 + ∆U k (p) = R k .  I k 0 + ∆I k (p) + pLk  I k 0 + ∆I k (p)

Một cách gần đúng ta có phương trình gia số :
∆U(p) − [kωB∆φ(p) + kφ0 ∆ω(p)] = R ö ∆I( p) ( 1 + Tö .p )
∆U k (p) = R k .∆I k (p) ( 1 + Tk .p )
KI 0 ∆φ(p) + Kφ0 ∆I(p) − ∆M c 0 = Jp.∆ω(p)

Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa của động cơ kích từ độc lập
1.2.3 Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thông không đổi
Khi từ thông kích từ của động cơ kích từ độc lập không đổi ( = const ) thì với ký

hiệu K.φ = const = C u ta có: M(p) = Cu .I(p) và E(p) = Cu .ϖ(p)

14


Trong trường hợp này mô hình toán của động cơ chỉ có hai phương trình cân
bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học.
U(p) = R ö .I(p).( 1 + Tö p ) + Cu .ω( p)
C u .I(p) – M c (p) = J.p.∆ω( p)

Từ hai phương trình trên ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ
độc lập với từ thông khòn đổi.Trong trường hợp này động cơ là đối tượng tuyến
tính.

Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc động cơ kích từ độc lập với từ thông không đổi.
1.3 HÀM TRUYỀN BỘ BIẾN ĐỔI (CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA)
Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

15


Hình 1.10. Mạch động lực

Hình 1.11. Sơ đồ tổng quát bộ biến đổi
Trong đó Tv0 kể tới sự không đồng thời của tín hiệu
Tđk là hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu
Kcl là hằng số khuếch đại của bộ chỉnh lưu
Kết luận: Động cơ một chiều với những ưu điểm như điều chỉnh tốc độ dễ dàng
và khả năng quá tải lớn nên được ứng dụng nhiều trong những ngành công nghiệp
có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Cùng với những ưu điểm khác về cấu tạo, dải

điều chỉnh, cấu trúc mạch lực và ứng dụng của các phương pháp điều khiển thông
minh, hệ truyền động điện một chiều ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế
đem lại những hiệu quả cao trong sản xuất và góp phần giảm nhẹ sức lao động.
1.4 VISME
Cơ cấu vít-me và đai ốc dùng chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành
chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Khi động cơ quay thì đai ốc sẽ chuyển động
tịnhtiến dọc theo trục của vít-me.
16


1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý
a) Cấu tạo
Vít me có kết cấu đa dạng nhưng chúng đề có dạng chung gồm: Trục vít me, đai
ốc, vòng bi, ống hồi tiếp…
Vít me đai ốc thường:Vit-me đai ốc thường bao gồm một trục được tiện ren và
lắp với một ống được tiện ren trong sao cho 2 ren nay phải cùng dạng và cùng bước
ren với nhau. Hình bên dưới là một minh họa về ăn khớp giữa trục vít và đai ốc. Cơ
cấu này chính làcơ cấu của bu-lông và đai ốc. Khi bu-lông di chuyển thì đai ốc sẽ
chuyển động tịnh tiến. Tiếp xúc giữa bu-lông và đai ốc là tiếp xúc mặt nên đai ốc sẽ
di chuyển tương đối khó do ma-sát lớn.

Hình 1.12. Vít me đai ốc thường
Vít me đai ốc bi: Để khắc phục hiện tượng trên ta tiện các rãnh của trục vít-me
có hình tròn thay vì hình thang hoặc tam giác và những rãnh này sẽ được đặt
vào những viên bi sắt. Mối ghép vít me bi và đai ốc là những đường được lắp đầy
bởi những viên bi thép. Khi trục vít xoay, những viên bi cuộn tròn trong mối ren
của trục vít và đai ốc.

Hình 1.13. Vít me đai ốc bi
17

b) Nguyên lý: Động cơ quay trục Vít me làm cho đai ốc gắn với tải chuyển động
dọc theo trục hoặc ngược lại.
1.4.2 Ưu - nhược điểm
Vít me đai ốc
thường
- Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất truyền lớn - Giá thành hạ hơn
gần bằng 0.9.
so với Vít me đai ốc
- Đảm bảo truyền động ổn đinh vì gần nhưu ma bi
sát không phụ thuộc vào tốc độ.
- Khả năng chịu tải
- Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên cao hơn so với
đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao.
Visme đai ốc bi
- Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.
Vít me đai ốc bi

Ưu
điểm

Nhược - Khả năng chịu tải kém hơn Vít me thường
điểm
- Khó chế tạo, giá thành cao

- Ma sát cao do tiếp
xúc mặt trực tiếp

Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ

2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Hình 2.1. Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện
Trong đó: Msx: máy sản xuất
M: động cơ truyền động
18


BĐ: bộ biến đổi
R: Các bộ điều chỉnh
ĐL: Thiết bị đo lường
Động cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ
xoay chiều, động cơ bước. Các động cơ điện được cấp nguồn điện từ bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi thường được dùng là các bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor, các
bộ biến tần tranzitor….Các bộ điều khiển ở đây có hai chức năng:
Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông
tin để điều khiển các thông số đầu ra bộ biến đổi.
* Hệ truyền động điện 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 mômen không đổi.
- Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị
trí, trong đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng ta
thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt
kim loại…
- Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điều
khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình định 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 robot trong sản xuất.

2.2 TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG
2.2.1 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng

19


Hình 2.2. Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng
Mạch vòng điều khiển có nhiệm vụ tăng đáp ứng của dòng điện khi điều khiển
động cơ một chiều, nó cũng hạn chế dong 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 của nhiễu.
Đối với động cơ một chiều bộ điều khiển dòng có thể tổng hợp theo hai 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 lần so với sự thay đổi
của tốc độ và tại những điểm đó xem như tốc độ không đổi. Khi cần điều khiển
chính xác thì ta cần phải tính đến xác xuất điện động của động cơ.
2.2.2 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...

20


Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Trong đó:

Tö =

Lö
Rö

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:

Hình 2.4. 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 như sau:

Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
21


Trong đó SI là mô hình đói tượng của bộ điều khiển dòng
SI =

1 Rö
k bñ
kI
I(p)
=
×
×
U đk (p) 1 + Tö .p ( 1 + Tbñđ ×p ) ( 1 + Tv ×p ) 1 + TI ×p

TSI = TSI + TVđk+ T <<
T , bỏ qua các hệ số bậc cao ta có:
ö

SI =

K CL ×K I R ö
( 1 + TSI ×p ) ( 1 + Tö ×p )

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

FI (p) =

1
1 + 2τi + 2τ2i

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

SI (p).R I (p)
FI (p)
⇒ R I (p) =
1 + SI (p).R I (p)
SI (p) − FI (p)SI (p)

R I (p) =

Chọn

1
K CL .K I R ö
×2τ p ( 1 + 2τi .p )
( 1 + TSI .p ) ( 1 + Tö .p ) i

τi = min ( TSI , Tö ) = TSI

Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:

R I (p) =

1 + pTö
Rö
=
2p.K I .K CL . TSI R ö 2.K CL .K I .TSI


1
× Tö + ÷
p


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

1 KI
1 KI
≈
2
2

1 + 2TSI .p + 2TSI .p 1 + 2TSI .p

2.3 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Rϖ
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.
22


Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ
Theo hình 2.6 ta có đối tượng cho bộ điều khiển:
Sϖ =

k
1 KI
Cu
× × ϖ
1 + 2TSI .p J.p 1 + Tϖ .p

; với

kϖ
1 + Tϖ .p

là hàm truyền khâu đo

- Khi tổng hợp bộ điều khiển dòng theo tiêu chuẩn modul tối ưu, với giá trị T SI
rất nhỏ ta sẽ được:
FI (p) =

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

Hình 2.7. Sơ đồ rút gọn mạch vòng vị trí
Sϖ =

k ω .Cu K I

Jp ( 1 + 2TSϖ .p )

; với 2TSV = 2TSI + TV

23


Rϖ =

1
C u .k ϖ
1
×
×2 p ( 1 + p )
J ×k I p ( 1 + 2TSϖ )

Áp dụng phương pháp tối ưu ta có:

Rϖ =

1
k ϖ .C u K I
×2τp ( 1 + τp )
Jp ( 1 + 2TSω .p )

Đặt τ = 2TSϖ
⇒ Rϖ =

1
k ϖ .Cu .4TSϖ
KIJ

Từ công thức trên ta thấy

Rϖ =

K I .J
k ϖ .Cu.4Tϖ

Kết quả khi tổng hợp bằng modul tối ưu có TSϖ rất nhỏ nên ta có:
1 kϖ
ϖ
≈
= Fϖ
ϖ ñđ 1 + p.TS ϖ

24

2.4 MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

Hình 2.8. Mạch vòng điều khiển vị trí
- Ta đã có hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ như sau:

Fϖ =

1 kϖ
1 + 4Tϖ

- Đối tượng điều khiển cho mạch vòng dịch chuyển vị trí:
Sϕ =

kϕ
1 kϖ
k
× r×
1 + 4TSϖ p 1 + Tϕ ×p

- Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu ta có:
Rϕ =

- Đặt

Rϕ =

1
1
=

kϕ
S.2.τ.p ( 1 + τp )
1 kϖ k r
× ×
×τ.p ( 1 + τp )
1 + 4TSϖ p 1 + Tϕ ×p
Tϕ = τ

. Ta có:

kϖ
( 1 + 4TSϖ .p )
2k r .k ϕ Tϕ

Bộ điều khiển vị trí tổng hợp theo phương pháp tối ưu là một bộ P–D.
25