Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, xây dựng phương pháp điều khiển và giám sát hệ truyền động điện một chiều

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐA/KLTN

Họ và tên: Nguyễn Văn Hoàng

Mã SV: 0841240073

Lớp: ĐH TĐH1

Khóa: 8

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Tên đề tài: Nghiên cứu, xây dựng phương pháp điều khiển và giám sát hệ truyền động điện
một chiều
Mục đích: Giúp sinh viên tổng hợp các kiến thức đã học, tiếp cận với thiết bị thực tế vận
dụng xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát ứng dụng cho hệ truyền động điện một
chiều
Yêu cầu: Sinh viên cần hoàn thiện các nội dung sau:
1, Tổng quan về hệ truyền động điện một chiều
2, Lựa chọn phương án và tính chọn thiết bị
3, Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát hệ truyền động điện
4, Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển

Ngày giao đề tài: 06/03/2017
Ngày hoàn thành: 21/04/2017
Hà Nội, ngày 03 tháng 03 năm 2017
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG KHOA

(Ký và ghi rõ họ tên)

Ngô Mạnh Tùng

MỤC LỤC
1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

MỤC LỤC..................................................................... Error: Reference source not found
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI...............................................................1
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM.............................................................1
MỤC LỤC............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU................10
1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.............................................................15
Hình 1.6. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng............................................................15
Hình 1.7. Đặc tính cơ (b) – cơ điện (a) của động cơ khi giảm từ thông.......................................................16
Hình 1.8. Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng..................................................................17
Hình 1.9. Điều chỉnh độ rộng xung PWM....................................................................................................18

Hình 1.10. Dạng sóng dòng và áp trên động cơ..........................................................................................19
1.3. Các phương pháp hãm động cơ...........................................................................................................20
Hình 1.16. Sơ đồ hãm và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập..................................................23
Hình 1.17. Sơ đồ hãm và đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ..........................................................24
1.4. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều.......................................................................................24
Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động F-Đ.........................................................................................25
Hình 1.19. Đặc tính cơ của hệ F- Đ.............................................................................................................26
Hình 1.20. Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ.....................................................................................................28
Hình 1.21. Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thysistor - động cơ và đặc tính cơ của động cơ.................................28

CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ.......................29
2.1. Lựa chọn phương án............................................................................................................................29
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống....................................................................................................................31
Hình 2.2. Optical Encoder...........................................................................................................................32
Hình 2.3. Hai kênh A, B lệch pha nhau trong encoder................................................................................33
Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID.......................................................................................................34
Hình 2.9. Xác định tham số của đặc tính quá tính.......................................................................................36

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Hình 2.10. Giao diện bộ PID trong phần mềm............................................................................................37
Hình 2.11. PID xử lý tín hiệu vào ra.............................................................................................................38
Hình 2.12.Điều khiển tự động trong PID.....................................................................................................39
2.2. Tính chọn thiết bị.................................................................................................................................39
Hình 2.13. Động cơ DC 110ZYT 220V..........................................................................................................39

Hình 2.14. Bản vẽ mặt phẳng động cơ........................................................................................................40
Hình 2.17. Encoder hãng omron.................................................................................................................44
Hình 2.18. Module CPU 212 DC/DC/DC......................................................................................................45
Hình 2.19. Sơ đồ đi dây PLC........................................................................................................................46

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN....................................................................................................................... 48
3.1. Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát..........................................................................................48
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát hệ truyền động điện một chiều..............................48
3.2. Lập trình cho PLC.................................................................................................................................49
Hình 3.2. Khởi tạo project mới....................................................................................................................50
Hình 3.3. CPU của S7-1200..........................................................................................................................50
Hình 3.4. Giao diện phần cứng CPU 212 DC/DC/DC....................................................................................51
Hình 3.5. Thuộc tính (Properties) của CPU 212...........................................................................................51
Hình 3.6. Cấu hình phát xung PWM trong PLC............................................................................................52
Hình 3.7. Enable chân đọc tốc độ Encoder.................................................................................................53
Hình 3.8.Cấu hình đọc tốc độ cao HSC trong PLC........................................................................................54
Hình 3.9. Địa chỉ phần mềm đọc xung HSC.................................................................................................54
Hình 3.10. Địa chỉ phần cứng đọc xung HSC...............................................................................................55
Hình 3.11. Tên biến, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong PLC tag..........................................................................55
Hình 3.12. Tên biến, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong khối DB.........................................................................56
Hình 3.13. Chương trình ngắt Cyclic interrupt............................................................................................56
Hình 3.14. Gọi ra khối PID_Compact...........................................................................................................57
Hình 3.15. Chương trình xử lý lỗi PID..........................................................................................................57
3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Hình 3.16. Bảng cấu hình cho bộ PID..........................................................................................................58
Hình 3.17. Chọn đầu vào ra cho bộ PID......................................................................................................58
Hình 3.18.Đặt giá trị giới hạn cho tốc độ....................................................................................................59
Hình 3.19. Đặt giá trị giới hạn cho phát xung..............................................................................................59
Hình 3.20. Lập trình điều khiển hệ thống....................................................................................................60
Hình 3.21. Tính điện áp đặt vào động cơ trong phần mềm........................................................................61
Hình 3.22. Add WinCC professional............................................................................................................61
Hình 3.23. Kết nối thực giữa máy tính và PLC.............................................................................................62
Hình 3.24.Giao diện thiết kế trên WinCC....................................................................................................62
Hình 3.25. Gán giá trị cho Tốc độ đặt tương ứng với tag là PID_Setpoint..................................................62
Hình 3.26. Gán giá trị cho Tốc độ thực động cơ tương ứng với tag là PID_Input.......................................63
Hình 3.27. Gán giá trị cho điện áp rơi trên động cơ tương ứng với tag là PID_DIEN_AP_TB......................63
Hình 3.28. Gán tag cho nút ấn ON/OFF ở mục event với Invertbit.............................................................63
Hình 3.30. Cài đặt cho biểu đồ Trend.........................................................................................................64

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 65
4.1. Thiết bị sử dụng trong mô hình............................................................................................................65
Hình 4.1. Module 6ES7212-1AE40-0XB0 DC/DC/DC...................................................................................65
Hình 4.2. Mạch PWM..................................................................................................................................65
Hình 4.3. Mômen điều chỉnh tải một chiều................................................................................................66
4.2. Mô hình thực tế ..................................................................................................................................66
Hình 4.4. Mô hình điề khiển giám sát cơ cấu tải một chiều........................................................................66
4.3. Kết quả thực nghiệm...........................................................................................................................66
Hình 4.5. Bộ PID_Compact đang chạy.........................................................................................................67
Hình 4.6. Biểu đồ đầu vào ra bộ PID_Compact...........................................................................................67
Hình 4.7. Thông số bộ PID khi chạy ổn định................................................................................................68
Hình 4.8. Biểu đồ đáp ứng quá độ theo thời gian (tốc độ/t).......................................................................69
Hình 4.9. Đường đặc tính tốc độ theo thời gian ở 1000 vòng/phút............................................................70

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Hình 4.10. Đường đặc tính thay đổi khi thay đổi moomen tải từ nhỏ nhất lên lớn nhất............................70

KẾT LUẬN......................................................................................................................... 72
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 73

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI...............................................................1
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM.............................................................1
MỤC LỤC............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU................10
1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.............................................................15
Hình 1.6. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng............................................................15
1.2.2. Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ....................................................................................16
Hình 1.7. Đặc tính cơ (b) – cơ điện (a) của động cơ khi giảm từ thông.......................................................16
Hình 1.8. Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng..................................................................17
1.2.4. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM..................................................................................18
Hình 1.9. Điều chỉnh độ rộng xung PWM....................................................................................................18
Hình 1.10. Dạng sóng dòng và áp trên động cơ..........................................................................................19
1.3. Các phương pháp hãm động cơ...........................................................................................................20
1.3.1. Hãm tái sinh..................................................................................................................................20
1.3.3. Hãm động năng.............................................................................................................................23
Hình 1.16. Sơ đồ hãm và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập..................................................23
Hình 1.17. Sơ đồ hãm và đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ..........................................................24

1.4. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều.......................................................................................24
1.4.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ (F- Đ)....................................................................................24
Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động F-Đ.........................................................................................25
Hình 1.19. Đặc tính cơ của hệ F- Đ.............................................................................................................26
1.4.2. Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ)....................................................................27

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Hình 1.20. Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ.....................................................................................................28
Hình 1.21. Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thysistor - động cơ và đặc tính cơ của động cơ.................................28

CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ.......................29
2.1. Lựa chọn phương án............................................................................................................................29
2.1.1. Phân tích đề tài.............................................................................................................................30
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống....................................................................................................................31
2.1.2. Đo tốc độ động cơ bằng Encoder..................................................................................................31
2.1.2.1. Tổng quan về encoder............................................................................................................31
2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động của encoder.........................................................................................32
Hình 2.2. Optical Encoder...........................................................................................................................32
Hình 2.3. Hai kênh A, B lệch pha nhau trong encoder................................................................................33
2.1.3. Thuật toán điều khiển PID.............................................................................................................34
2.1.3.1. Điều khiển PID số...................................................................................................................34
Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID.......................................................................................................34
Hình 2.9. Xác định tham số của đặc tính quá tính.......................................................................................36
2.1.3.2. Bộ PID trong PLC S7-1200......................................................................................................37

Hình 2.10. Giao diện bộ PID trong phần mềm............................................................................................37
Hình 2.11. PID xử lý tín hiệu vào ra.............................................................................................................38
Hình 2.12.Điều khiển tự động trong PID.....................................................................................................39
2.2. Tính chọn thiết bị.................................................................................................................................39
2.2.1. Tính chọn động cơ........................................................................................................................39
Hình 2.13. Động cơ DC 110ZYT 220V..........................................................................................................39
Hình 2.14. Bản vẽ mặt phẳng động cơ........................................................................................................40
2.2.2. Tính toán dòng áp, chọn bộ PWM.................................................................................................40
2.2.3. Tính chọn encoder........................................................................................................................43
Hình 2.17. Encoder hãng omron.................................................................................................................44
2.2.4. Tính chọn PLC................................................................................................................................45

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Hình 2.18. Module CPU 212 DC/DC/DC......................................................................................................45
Hình 2.19. Sơ đồ đi dây PLC........................................................................................................................46

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN....................................................................................................................... 48
3.1. Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát..........................................................................................48
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát hệ truyền động điện một chiều..............................48
3.2. Lập trình cho PLC.................................................................................................................................49
3.2.1. Khởi tạo chương trình ..................................................................................................................50
Hình 3.2. Khởi tạo project mới....................................................................................................................50
Hình 3.3. CPU của S7-1200..........................................................................................................................50

Hình 3.4. Giao diện phần cứng CPU 212 DC/DC/DC....................................................................................51
3.2.2. Cấu hình và lập trình cho bộ điều khiển........................................................................................51
Hình 3.5. Thuộc tính (Properties) của CPU 212...........................................................................................51
Hình 3.6. Cấu hình phát xung PWM trong PLC............................................................................................52
Hình 3.7. Enable chân đọc tốc độ Encoder.................................................................................................53
Hình 3.8.Cấu hình đọc tốc độ cao HSC trong PLC........................................................................................54
Hình 3.9. Địa chỉ phần mềm đọc xung HSC.................................................................................................54
Hình 3.10. Địa chỉ phần cứng đọc xung HSC...............................................................................................55
Hình 3.11. Tên biến, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong PLC tag..........................................................................55
Hình 3.12. Tên biến, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong khối DB.........................................................................56
Hình 3.13. Chương trình ngắt Cyclic interrupt............................................................................................56
Hình 3.14. Gọi ra khối PID_Compact...........................................................................................................57
Hình 3.15. Chương trình xử lý lỗi PID..........................................................................................................57
Hình 3.16. Bảng cấu hình cho bộ PID..........................................................................................................58
Hình 3.17. Chọn đầu vào ra cho bộ PID......................................................................................................58
Hình 3.18.Đặt giá trị giới hạn cho tốc độ....................................................................................................59
Hình 3.19. Đặt giá trị giới hạn cho phát xung..............................................................................................59
Hình 3.20. Lập trình điều khiển hệ thống....................................................................................................60
7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Hình 3.21. Tính điện áp đặt vào động cơ trong phần mềm........................................................................61
3.2.3. Kết nối WinCC giám sát trên máy tính .........................................................................................61
Hình 3.22. Add WinCC professional............................................................................................................61
Hình 3.23. Kết nối thực giữa máy tính và PLC.............................................................................................62
Hình 3.24.Giao diện thiết kế trên WinCC....................................................................................................62

Hình 3.25. Gán giá trị cho Tốc độ đặt tương ứng với tag là PID_Setpoint..................................................62
Hình 3.26. Gán giá trị cho Tốc độ thực động cơ tương ứng với tag là PID_Input.......................................63
Hình 3.27. Gán giá trị cho điện áp rơi trên động cơ tương ứng với tag là PID_DIEN_AP_TB......................63
Hình 3.28. Gán tag cho nút ấn ON/OFF ở mục event với Invertbit.............................................................63
Hình 3.30. Cài đặt cho biểu đồ Trend.........................................................................................................64

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 65
4.1. Thiết bị sử dụng trong mô hình............................................................................................................65
4.1.1. PLC S7 1200 CPU 1212 DCDCDC ..................................................................................................65
Hình 4.1. Module 6ES7212-1AE40-0XB0 DC/DC/DC...................................................................................65
4.1.2. Mạch điều chế độ rộng xung PWM .............................................................................................65
Hình 4.2. Mạch PWM..................................................................................................................................65
4.1.3. Mômen tải một chiều :.................................................................................................................66
Hình 4.3. Mômen điều chỉnh tải một chiều................................................................................................66
4.2. Mô hình thực tế ..................................................................................................................................66
Hình 4.4. Mô hình điề khiển giám sát cơ cấu tải một chiều........................................................................66
4.3. Kết quả thực nghiệm...........................................................................................................................66
Hình 4.5. Bộ PID_Compact đang chạy.........................................................................................................67
Hình 4.6. Biểu đồ đầu vào ra bộ PID_Compact...........................................................................................67
Hình 4.7. Thông số bộ PID khi chạy ổn định................................................................................................68
4.3.1. Thay đổi tốc độ đặt vào động cơ ..................................................................................................69
Hình 4.8. Biểu đồ đáp ứng quá độ theo thời gian (tốc độ/t).......................................................................69
Hình 4.9. Đường đặc tính tốc độ theo thời gian ở 1000 vòng/phút............................................................70

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

4.3.2. Thay đổi mômen tải khi động cơ đang chạy ổn định....................................................................70
Hình 4.10. Đường đặc tính thay đổi khi thay đổi moomen tải từ nhỏ nhất lên lớn nhất............................70

KẾT LUẬN......................................................................................................................... 72
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 73

Lời nói đầu

Trong thời đại ngày nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong mọi lĩnh vực của đời sống nhờ những ưu thế của nó như kết cấu gọn nhẹ, độ bền và độ
tin cậy cao, tương đối sạch nên không gây ra các vấn đề về môi trường... Bên cạnh đó
truyền động điện còn có một ưu thế rất nối bật, đặc biệt đối với truyền động điện một chiều,
9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

là khả năng điều khiển dễ dàng. Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều có một vai trò
quan trọng trong các dạng truyền động hiện đang dùng, nhất là trong những lĩnh vực đòi hỏi
khả năng điều khiển cao như trong các máy sản xuất. Trong quá trình phát triển nền kinh tế,
chúng ta đang từng bước đưa ứng dụng của truyền động điện một chiều vào hầu hết mọi
lĩnh vực sản xuất của các nhà máy, các ngành kinh tế nhằm tạo ra những sản phẩm có chất
lượng tốt có tính ốn định và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Vì vậy vai trò của điều khiển động cơ điện một chiều là một trong những khâu quan
trọng nhất quyết định những ưu nhược điểm của các hệ truyền động điện một chiều.
Với đề tài : “ Nghiên cứu, xây dựng phương pháp điều khiển và giám sát hệ truyền động
điện một chiều ” chúng em đã nghiên cứu điều khiển và giám sát ổn định tốc độ động cơ

điện một chiều sử dụng PLC S7-1200 với nội dung chính như sau :
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động điện một chiều.
Chương 2. Lựa chọn phương án và tính chọn thiết bị.
Chương 3. Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát hệ truyền động điện.
Chương 4. Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển.
Dưới sự chỉ bảo của thầy chúng em đã hoàn thành Đồ án trong thời gian được giao. Tuy
nhiên do kiến thức còn hạn chế đồ án còn nhiều thiếu sót. Rất mong sự chỉ bảo của thầy cô
để đồ án được trọn vẹn và cũng như bổ sung kiến thức cho bản thân.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT
CHIỀU
1.1. Cấu trúc chung hệ truyền động điện một chiều
1.1.1. Cấu trúc chung
Hệ truyền động điện tự động là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v.v. phục vụ cho
cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng
lượng đó theo yêu cầu công nghệ.
Cấu trúc chung :

Hình 1.1. Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ
BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh

truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ;
GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành.
Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:
- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi
(BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX). Các bộ biến đổi như: bộ biến
đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện
từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ
điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor). Động cơ có các loại như: động cơ một chiều,
xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt.
- Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham
số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người
vận hành. Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động
khác hoặc với máy tính điều khiển.
1.1.2. Phân loại hệ thống truyền động điện một chiều
- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện,
quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.
- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động
điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ
truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí. Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự
động nhiều động cơ.
11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

- Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển
số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển
theo chương trình ...

- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự
động.
- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động
đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v.
1.1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
a) Khái niệm đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:
M = f(ω)
Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ :
+ Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường,
không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ
là định mức. Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên.
+ Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh là đặc tính cơ nhận được sự thay đổi
một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào
mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặ tính cơ nhân tạo.
Độ cứng đặc tính cơ:
+ Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính cơ ”
và được tính:

∂M
∂ω
∆M
β=
∆ω

β=

Nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:

:

Hình 1.2. Độ cứng đặc tính cơ.
+ Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng (β≥ 40).
+ Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm (β ≤ 10).

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

b) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Khái niệm : Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của
động cơ ω = f(M) hoặc n=f(M)
Phương trình đặc tính cơ:

Hình 1.3. Sơ đồ nối dây động cơ kích từ độc lập
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau :
Uư = Eư + ( Rư + Rf ).Iư
Trong đó :
Uư : điện áp phàn ứng (V)
Eư : Suất điện động phần ứng (V)
Rư : Điện trở của mạch phần ứng (Ω)
Rf : Điện trở phụ trong mạch phàn ứng (Ω)
Iư : Dòng điện mạch phần ứng (A)
Với Rư= rư + rcf + rb +rct
rư : điện trở cuộn dây phần ứng
rcf : điện trở cuộn cực từ phụ
rb: điện trở cuộn bù

rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức
Eư = .ω.Ф = K .ω

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Trong đó :
p : số đôi cực từ chính
N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a : số đôi mạch nhánh song song.
Ф: từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb).
ω: tốc độ góc (rad/s).
k=

(k: là hệ số cấu tạo của động cơ)

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
Eư = Ke Ф n
Mà ω = vì vậy Eư =
Ke =
Ke =

Ф n.
(Hệ số sức điện động của động cơ)
k

≈ 0,105K
9,55

Ta có phương trình đặc tính cơ điện của động cơ:
ω = - Iư
Mặt khác Mđt của động cơ được xác định: Mđt=k Ф

Hình 1.4. Sơ đồ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Và bỏ qua các tổn thất cơ vâ tổn thất thép thì momen trên trục bằng momen điện từ.
Cuối cùng ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập :
ω =

- .M

Từ phương trình đặc tính ở cơ trên, có thể thấy có 3 đại lượng có thể được thay đổi được
là Uư , Rư + Rf ,Φ.
14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Nhận xét:Từ phương trình đặc tính cơ ω =

- .M , có thể thấy có 3 đại lượng có thể

được thay đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với một giá trị mômen tải đã cho ứng với 3
phương pháp đó là :

- U : Là giá trị điện áp đặt vào phần ứng.
- Rư + Rf: Là điện trở mạch phần ứng.
- Φ: Là từ thông của động cơ.
1.2.1. Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch phần ứng
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf .
Uư

Rf

D
Rkt

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý động cơckd
điện một chiều kích từ độc lập
Nếu ta giữ điện áp phần ứng U ư = UdmUkt= const ; và từ thông Φ = Φdm = const; thay đổi
điện trở phần ứng ta sẽ được:
+ Tốc độ không tải lý tưởng: ω ΟΧ =
+ Độ cứng đặc tính cơ: β = −

U dm
= const
Κ.Φ
2

(Κ . Φ Χ )
= var
Ru + R f

Hình 1.6. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Đặc điểm của phương pháp:
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm
và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng
thêm điện trở).
- Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt điện trở lớn.
- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh càng nhỏ.
Trong thực tế, khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gây ra một tổn hao công
suất rất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ nên phải điều chỉnh theo từng cấp điện trở.
1.2.2. Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ
Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const ; điện trở phần R ư = const ; và thay
đổi dòng điện kích từ Ikt của động cơ. Điều này tương ứng với việc từ thông của mạch từ sẽ
thay đổi .
Ta được:
+ Tốc độ không tải:

ω ΟΧ = U dm = var
Κ.Φ

+ Độ cứng đặc tính cơ:

(Κ.Φ Χ)
β =−

Ru

2

= var

Hình 1.7. Đặc tính cơ (b) – cơ điện (a) của động cơ khi giảm từ thông
16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Đặc điểm :
+Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử điều chỉnh giảm từ thông. Khi giảm từ
thông thì ωox tăng dần ( ω0 <ω01 <ω02 <…) , độ cứng đặc tính cơ β giảm. Nên phương pháp
này dùng để tăng tốc độ ω>ω0 .
+ Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ, có dòng kích từ nhỏ hơn rất
nhiều so với mạch lực, nên công suất tổn hao ít. Đây là ưu điểm nổi bật của động cơ điện
một chiều ( kích từ độc lập ) so với các loại động cơ khác.
+ Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ dư và các nhiễu, làm ảnh
hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ.
+ Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển
mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì
cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen cho phép trên trục động cơ
giảm rất nhanh. Và do đó giá trị lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả
năng chuyển mạch của cổ góp điện.
1.2.3. Phương pháp điều chỉnh thay đổi điện áp phần ứng
Nếu giữ Φ = Φ dm= const ; R ư= const và thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U dm , ta

được :
Tốc độ không tải : ω oΧ =

UΧ
=var
Κ . Φ dm

Độ cứng đặc tính cơ: β = −

(Κ .Φ)
Ru

2

= const

Hình 1.8. Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng
17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta được một họ đặc tính cơ
song song với đặc tính cơ tự nhiên và có độ cứng đặc tính cơ là không đổi, trong đó đường
đặc tính cơ tự nhiên là là đặc tính cơ lúc vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ
thông đạt giá trị định mức và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ)
Khi giảm điện áp phần ứng đặt vào động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ giảm
( Inm =

U dm
), momen ngắn mạch của động cơ ( M nm = K Φ .Inm) cũng sẽ giảm. Và do vậy
Ru

tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

ω

dm

〉 ω1 〉 ω 2 ...

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cho phép điều chỉnh dưới tốc
độ định mức (Vì không thể tăng cao hơn điện áp định mức của động cơ điện).
1.2.4. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
Định nghĩa : Phương pháp điều chế PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp
điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ
rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.

Hình 1.9. Điều chỉnh độ rộng xung PWM
Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung giữ tần số không đổi nên điều chỉnh độ rộng xung
để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ.
Điện áp trung bình :
Uđk =

Ton
Uin
T

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục nên ta có dạng
sóng dòng và áp của động cơ như sau:

Hình 1.10. Dạng sóng dòng và áp trên động cơ
Ứng dụng :
PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay
gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh
chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động
cơ.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch
nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...
PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM
chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi
có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định .Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị
điện- điện tử. PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động
cơ.
PWM trong điều khiển động cơ và trong các bộ biến đổi xung áp :
+ Trong động cơ : Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử
dụng trong động cơ để điều khiển động cơ hoạt động nhanh , chậm, thuận ,nghịch và ổn
định tốc độ cho nó. Cái này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều.

19

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

+ Trong các bộ biến đổi xung áp: Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đặc biệt
quan trọng trong việc điều chỉnh dòng điện và điện áp ra tải. Bộ biến đổi xung áp có
nhiều loại như là biến đổi xung áp nối tiếp và bộ biến đổi xung áp song song.
1.3. Các phương pháp hãm động cơ
1.3.1. Hãm tái sinh
Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi hãm
tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn: E > Uư, động cơ làm việc như
một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và
mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ.
Một số trạng thái hãm tái sinh:
+ Hãm tái sinh khi : Lúc này máy sản xuất như là nguồn động lực quay rôto động cơ,
làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn.

Hình 1.11. Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ
Vì E > Uư, do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ.
Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều với tốc độ, trở thành mômen
hãm (Mh).
+ Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng (Uư2 < Uư1), lúc này Mc là dạng mômen thế
năng (Mc = Mtn). Khi giảm điện áp nguồn đột ngột, nghĩa là tốc độ không giảm đột ngột
trong khi tốc độ chưa kịp giảm, do đó làm cho tốc độ trên trục động cơ lớn hơn tốc độ
không tải lý tưởng . Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào

20

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả lại nguồn (hay còn
gọi là hãm tái sinh).

Hình 1.12. Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp phần ứng động cơ
+ Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng : Lúc này Mc là dạng mômen thế năng
(Mc = Mtn). Khi đảo chiều điện áp phần ứng, nghĩa là đảo chiều tốc độ động cơ sẽ dần
chuyển sang đường đặc tính có -Uư, và sẽ làm việc tại điểm B . Về mặt năng lượng, do thế
năng tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát
năng lượng trả lại nguồn.
Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cầu trục, thang máy, thì khi nâng tải, động cơ truyền
động thường làm việc ở chế độ động cơ (điểm A hình 1.16), và khi hạ tải thì động cơ làm
việc ở chế độ máy phát (điểm B hình 1.16).

Hình 1.13. Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng động cơ +Uư -> -Uư

21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

1.3.2. Hãm ngược
Hãm ngược là khi moomen hãm của động cơ ngược chiều với tốc độ quay. Hãm ngược
có hai trường hợp :
a) Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng

Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đưa thêm Rưf lớn vào mạch phần ứng thì động cơ
sẽ chuyển sang điểm B,D và làm việc ổn định ở điểm E. Trên đặc tính cơ có thêm Rưf lớn,
và đoạn DE là đoạn hãm ngược, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện,
lúc này sức điện động của động cơ đảo dấu

Hình 1.14. Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng thêm Rưf.
Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện thì mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản (MB <
Mc) nên tốc độ động cơ giảm dần. Khi động cơ ở chế độ ngắn mạch (điểm D trên đặc tính
có Rưf ) nhưng mômen của nó vẫn nhỏ hơn mômen cản: Mnm < Mc; Do đó mômen cản của
tải trọng sẽ kéo trục động cơ quay ngược và tải trọng sẽ hạ xuống, đoạn DE trên hình1.17.
Tại điểm E, động cơ quay theo chiều hạ tải trọng, trường hợp này sự chuyển động cử hệ
được thực hiện nhờ thế năng của tải.

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

b) Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng
Động cơ đang làm việc điểm A, ta đổi chiều điện áp phần ứng (Vì dòng đảo chiều lớn
nên phải thêm điện trở phụ vào để hạn chế ) :
Động cơ sẽ chuyển sang điểm B,C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát> Đoạn
BC là đoạn hãm ngược, lúc này dòng hãm và mômen hãm của động cơ :

Hình 1.15. Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo
1.3.3. Hãm động năng
a) Hãm động năng kích từ độc lập
Động cơ đang làm việc với lưới điện (điểm A), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi

lưới điện và đóng vào một điện trở R h , do động năng tích lũy trong động cơ, cho nên động
cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát biến cơ năng thành nhiệt năng dựa trên điện
trở hãm và điện trở phần ứng.

Hình 1.16. Sơ đồ hãm và đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập
23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản kháng thì
động cơ sẽ dừng hẳn ( các đoạn B10 hoặc B20 ), còn nếu mômen cản là thế năng thì dưới
tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại.
b) Hãm động năng tự kích từ
Động cơ đang làm việc với lưới điện ( điểm A), thực hiện cắt cả phần ứng và kích từ
của động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở R h , do động năng tích lũy trong
động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát tự kích biến cơ năng
thành nhiệt năng trên các điện trở.

Hình 1.17. Sơ đồ hãm và đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ
Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng tự kích từ ta thấy rằng trong quá trình hãm, tốc
độ giảm dần và dòng kích từ cũng giảm dần, do đó từ thông của động cơ cũng giảm dần và
là hàm của tốc độ. Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ giống như đặc tính
không tải của máy phát tự kích từ.
So với phương pháp hãm ngược, hãm động năng có hiệu quả hơn khi có cùng tốc độ
hãm ban đầu , nhất là tốn ít năng lượng hơn.
1.4. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều
1.4.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ (F- Đ)

Hệ F - Đ là một trong những phương án điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều
chỉnh điện áp phần ứng.
24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : Thầy Ngô Mạnh Tùng

Hệ truyền động máy phát động cơ có bộ biến đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc
lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay với tốc độ
không đổi.

Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động F-Đ
Đặc điểm của hệ truyền động F- Đ :
+ Tốc độ động cơ Đ có thể đựơc điều chỉnh từ 2 phía:
• Phía kích thích máy phát F
• Phía kích thích động cơ Đ
+ Hệ F – Đ có đặc tính cơ điền đầy đủ trong 4 góc phần tư:
Trong đó:
- Góc phần tư thứ nhất và ba làm việc trong chế độ động cơ
- Góc phần tư thứ hai và bốn làm việc trong chế độ hãm
Phương trình đặc tính cơ:
+
ω = U u − Ru R2f M
Κ .Φ (Κ.Φ )

25