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 có đảo chiều quay’

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

1


CHƯƠNG1: 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.
+ 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 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

2


1.1.2.

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 đổi, do đó lực tác
dụng lên roto cũng theo một chiều xác định, đảm bảo động cơ có chiều quay không
đổi.
Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một chiều nói
riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định. Chế độ đó
được đặc trưng bằng các đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là đại lượng định mức.
Phần ứng được 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 phương trình mô tả động
3


cơ một chiều là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường
là điện áp phần ứng u, điện áp kích thích u k, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động

cơ ω, mô men quay m, dòng điện phần ứng i, hoặc trong một số trường hợp là vị trí
của rôto là ϕ. 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. Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Đặc điểm của động cơ là dòng kích từ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc
vào điện áp và điện trở mạch kích từ.
Để đảm bảo điều kiện trên thì ta mắc động cơ theo các cách mắc sau:
- Nếu nguồn một chiều có công suất và điện áp không đổi thì mạch kích từ được
mắc song song với mạch phần ứng
- Nếu nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì nguồn kích từ phải độc lập
với nguồn phần ứng, ta có sơ đồ nguyên lý:

4


Hình 1.5: Nguồn kích từ độc lập với nguồn phần ứng
• Thành lập phương trình đặc tính:
Từ phương trình cân bằng điện áp , mạch phần ứng:

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

(1.1)

trong đó:
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
Suất điện động của phần ứng được xác đinh theo biểu thức sau :

Eu = K .ω.φ =

p.N
φω
2.π .a

(1.3)
Trong đó :
p: số đôi cực từ chính
n : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
φ : từ thông kích từ dưới một cực từ
5


ω : tốc độ góc

p.N
2.π .a : hệ số cấu tạo của động cơ
Eu = K e .n.φ
K=

n : tốc độ 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. 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
6


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

(1.10)

J là mô men quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ.
7


Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
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:
(1.11)
+) 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
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:
8


+) 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.
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

max

phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có 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:

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
9


- 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.
1.3.3. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
- 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:
(1.12)
(1.13)
10

(1.14)
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.
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:
(1.14)

(1.15)
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:

(1.16)

11


Hình 1.16: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, 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

12


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

-

Hình 1.17: Nguyên lí băm xung một chiều

Giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:

Ut =

to
1 to
Edt
=
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 có đảo chiều

13


Hình 1.18: Bộ biến đổi xung áp có đảo chiều
1.5. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIÉN ĐỔI XUNG ÁP

Hình 1.23: Sơ đồ điều khiển cho băm xung một chiều có đảo chiều
CHƯƠNG 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
ĐỘC LẬP

2.1. ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC HỆ THỐNG

14


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..
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
15


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 băm xung một chiều có đảo chiều
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.
16

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 (s) =
1 + TI s
(2.1)
Trong đó: TI – hằng số thời gian của máy biến dòng
KI - hệ số phản hồi dòng điện

b. Sensor tốc độ Sω
17


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
18


Nếu chọn điện trở đủ lớn, gần đúng ta có:

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

Kω
1 + Tω s

(2.2)
Trong đó :

Tω

- hằng số thời gian của máy phát tốc

Kω

- hệ số phản hồi của máy phát tốc

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:

19

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…

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:

20


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

SI =

1/ Ru
kbd
kI
.

.
1 + Tu .s (1 + Tbd .s)(1 + Tv .s) 1 + TI .s
(2.3)

T ∈ =T ∈ + Tv+Tk<K bd .K I
R u (1 + TSI .s)(1 + Tu .s)

SI =

(2.4)

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

RI =

1
Si + 2τ i + 2τ i 2

(2.5)

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

1
K Bd K I / Ru
.2τ i p (1 + 2τ i s)
(1 + T∈ .s)(1 + Tu .s)

(2.6)

Chọn τi = min(T ∈ , Tư)=T ∈
Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
RI (s) =

Lu
1
(1 +
)
2 K bd .K i
Tu .s

(2.7)

Kết quả khi tổng hợp vòng bằng phương pháp tối ưu:

21


FI =

1/ KI
1 + 2T∈.s + 2T∈2 .s 2

(2.8)

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.

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 T SI rất
nhỏ ta sẽ được:
FI =

1/ KI
1 + 2T∈.s + 2T∈2 .s 2

(2.9)

1/ K I
FI (s) 1 + 2T∈.s
≈

(2.10)

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 T’=2t +Tw, đối tượng điều chỉnh có hàm truyền:

S w (s) =

1 / Ki
Kw
K .Cu
Cu
1
.

.
= w
.
1 + 2T∈.s Js 1 + Tw .s
J . K i (1 + Tw' s ).s

(2.11)

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

22


Rω (s) =
Rw =

1 + 4τ s
S w .8τ 2 .s 2 (1 + τ .s )

1 + 4τ s
K w .Cu
1
.
.8τ 2 .s 2 (1 + τ s)
'
J . K i (1 + τ ∈.s ).s

(2.12)

1 + 4τ ∈' s
Rw =
K w .Cu.8.τ ∈'2 .s
J .K i
1 + 4τ ∈' s.J .K i
=
K w .Cu.8.τ ∈'2 .s
Rw =

JK i
1
(1
+
)
2kw .Cu.τ ∈'2
4τ ∈' .s

Vậy bộ điều khiển Rw là 1 bộ PI
2.3. TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN
Các thông số của động cơ một chiều kích từ độc lập: Mã JI-51
Pđm =6(KW)
Uđm= 220(V)
nđm=1500(v/ph)
Iđm= 33(A)
Rư= 0.472(Ω)
Lư=0.0253(H)
J= 0,350(kg.m2)
a,Tính toán mạch vòng dòng điện
Tốc độ góc:

ωdm =

2π ndm
n
1500
= dm =
= 157
60
9,55 9, 55

Tính mô men định mức:
Pđm=Mđm.ωđm

23

(2.13)


→ M dm

Pdm 6.103
=
=
= 38.2 Nm
ωdm 157
M dm 38.2
=
= 1,16
I dm
33

(2.15)

Lu 0, 0253
=
= 0, 054s
Ru
0, 472

(2.16)

→ KΦ =

Tu =

(2.14)

Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
Ri =


Lu
1 
1 +
÷
2 K bd K iT∈ 
Tu .s 

T ∈ =Ti+Tv+Tdk=0,01s+0,001s+0,001s=0.012s

(2.17)
(2.18)

Tu=0,054s
Rư=0.472(Ω)

Ki =

U id 7
=
= 0.21
I dm 33

(2.19)

K Bd =33,33

Ri =

0, 0253
1


1+

2.22.0, 21.0, 012 
0, 054 s ÷

(2.20)

1 

→ Ri = 0.23 1 +
÷
 0, 054 s 

(2.21)
Bộ tổng hợp theo tiêu chuẩn MĐTƯ nên hàm truyền kín cảu mạch vòng dòng điện có
dạng

FI =

1 / KI
=
1 + 2T∈. p + 2T∈2 .s 2

FI =

1 + 0.024s + 0, 000288s 2
0, 21

b,Tính toán mạch vòng tốc độ
=.
24


Chọn =10V
= = 0,064
Ta có :
=+

Với = 0.01s; = 0,012s
= 0,034s
Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn modul đối xứng ta có:

Rω (s) =

JK i
1
(1
+
)
2 Kω Cu.T∈'
4T∈' s

(2.22)

Với = 0,034s; = 0,472; = 0,064; = 0,21; =1,16; J=0,35.

Rω (s) =

0,35.0, 21
1
(1 +
)
2.0,064.1,16.0,034
4.0, 034 s

Rω (s) = 14.6(1 +

1

)
0,136s
(2.23)

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG CHẤT LƯỢNG
3.1. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB- SIMULINK
Trên matlap – simulink ta có thể dễ dàng tìm hiểu và thành lập mô hình mạch vòng
điều chỉnh tốc độ dựa trên mô hình đã tổng hợp được trên lý thuyết.

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng mạch vòng điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều trên
Matlab- Simulink

25