Đồ án Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dùng cơ cấu động cơ điện một chiều vít me

GVHD: Giáp Quang Huy

Trường Đại học Bách Khoa

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Khoa Điện

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ môn Tự động hóa

-----o0o-----

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Họ và tên Sinh viên: …………………………………

Lớp: 14TDH1

GVHD: Giáp Quang Huy
1 Tên đề tài: “Thiết kế hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí
dùng cơ cấu động cơ điện một chiều – vít me theo phương pháp tối
ưu’’
2. Các số liệu ban đầu:
Mô hình cơ cấu:

- Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V.
- Trọng lượng tải 1000kg
- Tốc độ lớn nhất 0.05m/s
- Hệ số ma sát 0.5

- Tỉ số hộp truyền 10/1

3.Nội dung:
Chương 1: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền động
1
Giới thiệu công nghệ/ bài toán
2
Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải
3
Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện
4
Tính chọn công suất động cơ
5
Xác định các tham số của hệ thống
Chương 2: Mô hình hóa hệ thống truyền động điện
1 Mô hình toán học của động cơ
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 1


GVHD: Giáp Quang Huy

Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống: Bộ biến
đổi, cảm biến,…
3 Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống
Chương 3: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
1 Sơ đồ các mạch vòng của hệ thống điều khiển truyền động điện
2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện
3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ
Chương 4: Mô phỏng, kiểm nghiệm và đánh giá chất lượng
1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab-Simulink

2 Phân tích các kết quả mô phỏng
3 Đánh giá chất lượng hệ truyền động
Kết luận
4.Bản vẽ: Sơ đồ công nghệ, sơ đồ khối cấu trúc của cả hệ thống, sơ đồ thể
hiện mô hình toán học của hệ thống (bao gồm cả luật điều khiển), sơ đồ mô
phỏng và các đồ thị kết quả.
2

Kiểm tra tiến độ đồ án

Đà Nẵng, ngày 11 tháng 03 năm 2018
Giáo viên hướng dẫn
Giáp Quang Huy

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 2


GVHD: Giáp Quang Huy

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ
XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
1

Giới thiệu công nghệ/ bài toán
1
Vít me
1
Cấu tạo
Vít me có kết cấu đa dạng nhưng chúng luôn có dang chung gồm: trục vít
me, đai ốc, vòng bi, ống hồi tiếp

Vít me đai ốc thường: Vít me đai ốc thường được bao gồm một trục được
tiện ren và lắp với một ống được tiện ren trong sao cho hai ren này phải cùng
dạng và cùng bước ren với nhau. Hình bên dưới là một minh họa về sự ăn khớp
giữa trục vít và đai ốc. Khi bu lông di chuyển thì đai ốc sẽ di chuyển tịnh tiến.
Tiếp xúc giữa đai ốc và bu lông là tiếp xúc mặt nên đai ốc sẽ di chuyển khó do
ma sát lớn

Hình 1.1: 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 hình tam giác và những rãnh này
được đặt vào các viên bi sắt. Mối ghép vít me bi và đai ốc thường là những
đường được lấp đầy bằng những viên bi thép. Khi trục vít xoay những viên bi
cuộn tròn trong trục vít me và đai ốc.

Hình 1.2: Vít me đai ốc bi
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 3


GVHD: Giáp Quang Huy

2

Nguyên lí hoạt động:

Hình 1.3 Sơ đồ truyền động

Khi động cơ quoay momen động cơ được truyền qua trục visme thông qua
hộp số, làm trục visme quoay, Khi trục visme quoay se làm cho đai ốc mà ăn
khớp với ren của trục sẽ chuyển động tịnh tiến, trên đai ốc sẽ gắn với tải trọng.

Khi đó sử dụng visme như là một dụng cụ di chuyển tải trọng theo phương
ngang song song với trục visme
3

2

Ưu và nhược điểm của mỗi loại:

Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải
1
Yêu cầu công nghệ
- Hệ phải làm việc ổn định, dễ dàng thay đổi được tốc độ vận chuyển tải
trọng .

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 4


GVHD: Giáp Quang Huy
- Vị trí của đai ốc trên trục visme phải được điều khiển một cách chính xác

tương ứng với từng khối tải trọng được gắn cùng với đai ốc, trong khoảng
từ 0 – 1000kg.
- Do sử dụng động cơ điện một chiều nên cần phải có một bộ chỉnh lưu
gồm nguồn xoay chiều thành 1 chiều.
2
Đặc tính cơ của tải
Đặc tính cơ của máy sản xuất biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quoay và
momen cản (Mc) của máy sản xuất
Mc = f(ω) hoặc Mc = f(n)
Máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn đặc tính cơ của nó được biểu diễn

dưới dạng
Mc = MC0 + ( Mđm - MC0).( (1)
Trong đó:
- Mc: Momen ứng với tốc độ ω
- Mc0: Momen ứng với tốc độ ω =0
- Mđm : Momen ứng với tốc độ định mức ωđm
ứng với các loại tải khác nhau thì hệ số mũ q cũng sẽ khác nhau, đối
với bài toán điều khiển vị trí dùng visme thì hệ số q = 0, từ biểu thức
(1) ứng với q = 0 ta suy ra được:
Mc = Mđm = const

Hình 1.4 Đặc tính cơ của máy sản xuất ứng với trường
3

Điều kiện ổn định tĩnh của truyền động điện

Điểm làm việc ổn định là giao điểm của hai đường đặc tính cơ của động cơ
và của máy sản xuất (M=Mc). Tuy nhiên không phải với bất kì động cơ nào
cũng có thể làm việc với các loại tải mà nó phải có giao điểm thỏa mãn điều

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 5


GVHD: Giáp Quang Huy

kiện ổn định, người ta gọi là ổn định tĩnh hay sự làm việc phù hợp giữa động cơ
với tải. Vậy để xét hệ có ổn định hay không ta có điều kiện ổn định
β – βC < 0
Với: + β =
+ βC =

≈ Gọi là độ cứng đặc tính cơ của động cơ
≈ Gọi là độ cứng đặc tính cơ của máy sản xuất

Từ đồ thị hình 1.4 , tại mọi điểm giao giữa đường đặc tính cơ của máy sản
xuất với đường đặc tính cơ của động cơ điện ta đều có β – βc < 0. Nên kết luận
phương án thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là hợp
lý.
1.3 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động điện

Hình 1.5 Cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Mạch điều khiển:
- Mạch điều khiển PID liên tục
- Máy phát tốc: xác định chiều và tốc độ của động cơ.
- Mạch tạo xung: tạo xung đóng mở thyristor.
Mạch động lực:
- Bộ chinh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn: biến đổi điện xoay chiều 3
pha thành điện một chiều có giá trị định trước.
- Động cơ: cung cấp momen kéo.
- Hộp số: giảm tốc độ và tăng momen kéo.
- Vít me: biến đổi chuyển động xoay thành chuyển động tịnh tiến.
1.4 Tính chọn công suất động cơ
1.4.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.4.1.1 Khái niệm
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 6


GVHD: Giáp Quang Huy

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.
1.4.1.2 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 bê 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 quấn kích từ.
+ Roto: Còn gọi là phần cứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng.Lõi thép
có hình trụ được ghép từ các là thép kỹ thuật điện, ghép cách điện với nhau nhờ
sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy.
+ 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.

Hình 1.6 Cấu tạo máy điện một chiều

1.4.1.3 Phân loại
Động cơ điện một chiều được phân loại theo dạng mạch kích từ:
− Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
− Động cơ điện một chiều kích từ song song
− Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.4.2 Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần
ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này
động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập.

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 7


GVHD: Giáp Quang Huy

Đặc tính của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động
cơ. Ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ nếu động cơ vận hành ở chế độ định
mức và đặc tính cơ nhân tạo là khi ta thay đổi các tham số của nguồn hoặc nối
thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ.

Hình 1.7 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ:
Trong đó:
: điện áp phần ứng.
: điện trở mạch phần ứng.
: điện trở phụ trong mạch phần ứng.
Mđt : Mô men điện từ.

Hình 1.8 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.4.3 Chọn loại động cơ và phương pháp điều khiển tốc độ động cơ
Trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, tùy thuộc vào mục đích sử
dụng mà ta chọn phương án truyền động cho hệ thống. Với đề tài “thiết kế hệ
thống truyền động điện điều khiển vị trí dùng cơ cấu động cơ điện 1 chiều Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 8


GVHD: Giáp Quang Huy

vítme” theo đề tài ta sẽ chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng
nguồn điện một chiều thông qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha từ lười điện xoay chiều.

Để đảm bảo chất lượng của hệ thống ta dùng các mạch vòng điều chỉnh điện áp,
dòng điện, tốc độ, vị trí của tải qua bộ điều khiển nhận tín hiệu từ các thiết bị đo
lường.
Từ yêu cầu của đề tài, ta thấy để điều chỉnh vị trí của tải trọng thì ta cần
thay đổi tốc độ của động cơ điện 1 chiều, qua phân tích phương trình đặc tính
cơ ta thấy có 3 cách để thay đổi tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập đó
là:
− Thay đổi điện trở mạch phần ứng
Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện
+
Nhược điểm: Thay đổi tốc độ dạng nhả cấp, độ cứng giảm
làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng kém; do có
điện trở mắc vào nên tổn hao do nhiệt sinh ra rất lớn
− Thay đổi điện áp phần ứng
+
Ưu điểm: đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp, có
nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất cứ vùng tải nào
+
Nhược điểm: phải cần có bộ nguồn có thể thay đổi điện áp
được, cụ thể ở đây là bộ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng thyristor nên yêu
cầu vốn đầu tư và chi phí vận hành cao
- Thay đổi từ thông kích từ
Có thể điều chỉnh tốc độ dạng vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn tốc độ
cơ bản ncb. Do quá trình điều chỉnh tốc độ trên mạch kích từ nên tổn hao
năng lượng ít, mang tính kinh tế cao.
Trong đề tài này , ta chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để thay
đổi tốc độ động cơ
1.4.4 Tính chọn công suất động cơ.
Các số liệu tính toán nằm trong giáo trình “Cơ sở thiết kế máy” của
TS Nguyễn Hữu Lộc và “Chi tiết máy” của Nguyễn Trọng Hiệp.

Để có cơ sở tính toán sơ bộ thiết kế bộ truyền vít-me đai ốc bi. Ta
có các thông số ban đầu Fa=10kN, l=1000mm, bộ truyền được chế tạo
bằng vật liệu thép 45, vận tộc lớn nhất là 0.05m/s.
Trong đó Fa là lực dọc trục (N)
Đường kính ren được xác định theo điều kiện bền mòn:
Vật liệu vít thép không tôi, đai ốc bằng gang chống ma sát nên áp
suất cho phép chọn [ p = 6Mpa].
Ren hình răng cưa do đó hệ số ψh = 0.75
Chọn đai ốc nguyên nên ψH = 1.8
Đường kính vít theo điều kiện bền mòn d2 = = 20 mm

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điện Trang 9


GVHD: Giáp Quang Huy

Theo tiêu chuẩn TCVN 4673-2008, ứng với đường kính d2 hơi lớn
hơn 20mm có thể chọn các bước ren 3,5,8mm, tùy điều kiện đảm bảo tự
hãm: góc vít γ phải nhỏ hơn góc ma sát ϼ.
Đối với vít được bôi dầu, lấy hệ số ma sát f=0.1 ta có:
ϼ = arctgf = 5°40’
Đối với ren có bước P = 3mm (d2 = 22.5mm), góc vít
γ = arctg = arctg = 2°26’
thõa mãn điều kiện tự hãm γ < ϼ
Đối với ren có bước P = 5 mm (d2 = 21.5mm), góc vít
γ = arctg = arctg = 4°14’
thõa mãn điều kiện tự hãm γ < ϼ
Đối với ren có bước P = 8mm (d2 = 20mm), góc vít
γ = arctg = arctg = 7°15’
không thõa mãn điều kiện tự hãm γ < ϼ

Vậy chọn ren có bước ren P=5mm và d2= 21.5mm và γ =4°14’
Số vòng ren đai ốc z = = =7
Với h = ψh .P = 0,75.5 = 3,75mm
Chiều cao đai ốc H =z.P = 7.5 = 35mm
Hệ số chiều cao ren ψH = = = 1.63 nằm trong giới hạn cho phép
(1,5 – 2,5)
Hiệu suất bộ truyền η = K=0,8 = 0,339
K= 0.8 (tính đến mất mát trong công suất do ma sát trong
các ổ, đường dẫn hướng bàn máy và trong bộ bánh răng côn)
Công suất tải yêu cầu Pt = T.ω = = = 1474,93 ̴ 1,5kW
Tốc độ của trục vít-me = = = 8,97rad/s
Tốc độ quy đổi về trục động cơ = .i = 8,97.10= 89,7 rad/s = 857
vòng/phút.
Dựa vào các thông số trên, ta chọn động cơ điện một chiều dài hạn
kiểu Π , 220V vỏ bảo vệ, kích từ song song có điều chỉnh tốc độ có các
thông số như sau:

Kiểu

Π-32

Pđm(kW) Uđm(V) Iđm(A) nđm(rpm) Rư(Ω)
1.826
220
8.3
1470
4

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 10

Bt
0.0869

Lư(H)
0,072

J
0,0607


GVHD: Giáp Quang Huy

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH HÓA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
2.1

Mô hình toán học của động cơ

Ta có các phương trình mô tả động cơ điện một chiều:
• Phương trình cân bằng điện áp:
• Suất điện động cảm ứng:
• Mômen điện từ:
• Phương trình mô tả quan hệ điện - cơ:

Hình 2.1 Sơ đồ mạch
điện tương

Từ các phương
chúng sang miền laplace ta có:

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 11

đương

trình trên chuyển


GVHD: Giáp Quang Huy

Hình 2.2 Mô hình hàm truyền của động cơ DC
Hàm truyền đạt của tốc độ/điện áp và tốc độ/mômen tải :

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập là một hệ thống tuyến tính, vì vậy theo
tính xếp chồng đáp ứng của cả 2 đầu vào điện áp và mômen tải chúng ta có:

2.2 Mô hình toán học của các khâu trong hệ thống
2.2.1 Mô hình toán học của các cảm biến
2.2.1.1 Phản hồi dòng điện
Mô hình toán học của phản hồi dòng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số
khuếch đại HC. Trong đa số trường hợp không yêu cầu bộ lọc.
Trong trường hợp cần dùng bộ lọc, một bộ lọc thông thấp được sử dụng.
Hằng số thời gian của bộ lọc thường nhỏ hơn ms.
Trong đồ án này, chúng tôi dùng shunt dòng để đo dòng điện từ động cơ.
2.2.1.2

Phản hồi tốc độ

Yêu cầu đối với FTMC là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay
chiều tần số cao và tỷ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiễu về giá trị và dấu
so với biến đổi đại lượng đo.
Để đảm bảo các yêu cầu trên , FTMC phải có từ thông không đổi trong toàn

vùng điều chỉnh tốc độ.
Khi tính toán cần chú ý ảnh hưởng của phụ tải, nhiệt độ cuộn dây và chổi than
tới độ chính xác của máy phát tộc.
Sơ đồ nối FT như hình

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 12


GVHD: Giáp Quang Huy

Hình 2.6 mạch nguyên lý đo tốc độ bằng FTMT

- Khi từ thông không đổi, điện áp đầu ra của máy phát tốc

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

- Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền của máy phát tốc:

2.2.1.3 Bộ phản hồi vị trí
Ngày nay người ta thường dùng bộ đo vị trí Resolver như hình 2.9
Resolver có rotor một pha và có 2 cuộn dây đặt lệch pha nhau 1góc 90 0. Điện áp
cấp cho 2 cuộn stator cũng lệch nhau 900 điện.

Khi Roto quay 1 góc φ, đầu ra của nó gây ra một điện áp lệch pha so với U 1s
một góc α : Ur = Umlsin(ωt – φ)
Tín hiệu U1s và U2s được đưa vào mạch phát tín hiện pha FD. Điện áp đầu ra UD
là:
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 13

GVHD: Giáp Quang Huy

UD = A.B + A.B
Qua bộ lọc RC là được điện áp đầu ra U0 :
Ta có
=
Khi có bộ lọc thì hàm tryền đo vị trí Resolver.

Trong đó Tφ = RC hằng số thời gian bộ lọc.
Như vậy U0 tỷ lệ tuyến tính với α trong vùng và . Mạch tạo điện áp sin và cos
gồm bộ phát xung nhịp tần số cỡ vài MHz sau đó qua bộ chia xung D và dịch
pha ta được 2 tín hiệu lệch pha 900.
Mạch phát tín hiện pha nhằm mở góc rộng góc đo được thể hiện ở hình 2.9.
xung A và B được đưa qua 2 mạch lật D sau đó đưa vào mạch Exclusive OR..
2.2.2 Mô hình toán học của bộ biến đổi

Hình 2.3 sơ đồ chỉnh lưu nguồn 3 pha có điều khiển
• Điện áp ra của chỉnh lưu có điều khiển:
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 14


GVHD: Giáp Quang Huy

• Quan hệ giữa điện áp điều khiển và góc kích α:
Trong đó : Vc là điện áp điều khiển
Vcm là giá trị cực đại của điện áp điều khiển
α là góc kích
• Điện áp ra của chỉnh lưu:
• Với hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha
=1.35.(220/10)=29.7 V

 Vdcmax= 297 V
Trong đó V là trị hiệu dụng điện áp dây của điện áp nguồn 3 pha
• Bộ chỉnh lưu có thời gian trễ
=0.0017
Trong đó fs là tần số điện áp nguồn

Hình 2.4 Biểu đồ của chỉnh lưu nguồn 3 pha có điều khiển
Do đó bộ biến đổi được mô hình hóa bằng hàm trễ:

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 15


GVHD: Giáp Quang Huy

2.3 Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống

Hình 2.5 Mô hình tổng hợp của hệ thống

Thay thế mô hình hàm truyền đạt của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
vào ta có:

Hình 2.6 Hàm truyền hệ thống - Động cơ DC và tải

Giả thiết trường hợp mô-men tải tỷ lệ với tốc độ của động cơ và cho bởi công
thức:

Biến đổi sơ đồ khối mô hình hàm truyền đạt của động cơ:
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 16

GVHD: Giáp Quang Huy

• Bước 1:

• Bước 2:

• Bước 3:

• Bước 4:

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 17


GVHD: Giáp Quang Huy

Trong đó : J là Mômen quán tính của động cơ
B1 là hệ số ma sát của động cơ
BL là hệ số ma sát của tải
Bt = B1 + BL là hệ số ma sát của động cơ và tải
là hằng số thời gian cơ của động cơ
Ta có các hàm truyền đạt như sau:

Bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển tốc độ theo phương pháp hàm chuẩn
đã xác định khâu PI là :

Sơ đồ khối hàm truyền đạt của hệ thống:

Hình 2.7 Sơ đồ khối hàm truyền đạt của hệ thống

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

3.1 Sơ đồ mạch vòng của hệ thống điều khiển truyền động
3.1.1 Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì
mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản.
Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ truyền động
một chiều và xoay chiều là trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định momen kéo của
động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc...
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 18


GVHD: Giáp Quang Huy

3.1.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện theo phương pháp tối ưu
Module
Chọn bộ điều khiển dòng điện PI:
Biến đổi sơ đồ khối:

Sau khi biến đổi sơ đồ khối, ta có hàm khuếch đại (loop gain function) của
Iư
Hc

mạch vòng dòng điện như sau:

Ta thấy hàm khuếch đại của hệ có bậc 4, vì vậy cần đơn giản hóa hàm
truyền để việc tổng hợp hệ thống được dễ dàng hơn.
Trong vùng lân cận của tần số cắt ta có thể xấp xỉ như sau:
Nhờ vậy hàm khuếch đại của hệ số có thể đước đơn giản hóa thành:
Trong đó hệ số K được xác định như sau:

Có thể thấy được các hằng số thời gian ở mẫu số của hàm truyền đạt cảu hệ có

giá trị khác nhau:
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 19


GVHD: Giáp Quang Huy

Nếu chúng ta chọn hằng số thời gian của bộ điều khiển dòng điện là :
Thì hàm khuếch đại của hệ thống sẽ được đơn giản thành hệ bậc 2 như sau:
Do đó, phương trình đặc tính của hệ kín như sau:

Áp dụng tiêu chuẩn TỐI ƯU MODULE ta có:

a2 =

a1 =

a0 =

a2, a1, a0 thỏa mãn phương trình: a12 - 2 a2a0 = 0
Ta có:

Trong thực tế mô hình của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta có :
và
Do đó ta có hệ số K có thể xấp xỉ thành:
Từ phương trình của hệ số K chúng ta giải ra hệ số khuếch đại của bộ điều
khiển PI là:
Để thiết kế mạch vòng tốc độ, mô hình bậc 2 của mạch vòng dòng điện cần
được thay thế bằng một mô hình xấp xỉ bậc nhất.
Mạch vòng dòng điện được xấp xỉ bằng cách cộng thêm hằng số thời gian trễ
trong khối bộ biến đổi vào hằng số của động cơ. Kết quả ta có hàm truyền đạt

và sơ đối khối của mạch vòng dòng điện như sau:
Iư
Hc

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 20


GVHD: Giáp Quang Huy

Chia cả tử và mẫu cho:

Trong đó:

Hàm truyền đạt có thể đơn giản hóa thành:
Trong đó:
Kết quả mô hình của mạch vòng dòng điện là hệ thống bậc 1, thích hợp cho việc
dùng thiết kế mạch vòng tốc độ. Hệ số khuếch đại và trễ của mạch vòng dòng điện
có thể được tìm một cách kinh nghiệm trong hệ thống truyền động điện. Nó sẽ
chính xác hơn cho thiết kế mạch điều khiển tốc độ.
3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng

Chọn bộ điều khiển tốc độ là PI:
Mạch vòng tốc độ sau khi đã sử dụng bậc nhất của mạch vòng dòng điện được
biểu diễn như trên hình vẽ. Trong đó hàm số khuếch đại (loop gain function)
của hệ là:

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 21


GVHD: Giáp Quang Huy

Để giảm bậc của hệ thống, ta sử dụng phép xấp xỉ sau đây trong lân cận của
tần số cắt:
Tiếp theo, ta xây dựng một hằng số thời gian tương đương với thời gian trễ của
mạch phản hồi tốc độ và thời gian của mạch vòng dòng điện. Tổng của hai thời
gian trễ này rất nhỏ so với hằng số thời gian tích phân. Do đó ta có sự xấp xỉ
sau;
Trong đó:
Hàm truyền đạt của hệ kín như sau:
Trong đó:

Áp dụng tiêu chuẩn TỐI ƯU ĐỐI XỨNG ta có:
a3 = a2 = a1 = a0 =
a3, a2, a1, a0 thỏa mãn phương trình: a12 - 2 a2a0 = 0 và a22 - 2a1a3 = 0
Thay các điều kiện này bằng các tham số của động cơ và bộ điều khiển chúng ta
có:

Từ các phương trình cân bằng hệ số ở trên, cuối cùng ta có:
Thay các phương trình của hệ số và vào hàm truyền đạt của hệ kín, chúng ta
có:
Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 22


GVHD: Giáp Quang Huy

Với hàm truyền hệ kín như trên, hệ sẽ có độ quá điều chỉnh lớn. Do đó một
khâu bù được thêm vào phía trước để giảm độ quá điều chỉnh:

3.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí theo phương pháp tối ưu đối xứng
Đáp ứng đầu ra của hệ thống lúc này là tốc độ đầu trục của động cơ. Mà vòng

điều khiển vị trí có đáp ứng đầu ra là vị trí của tải.
Vì vậy ta cần phả mô hình hóa trục vitme.
Tốc độ của động cơ: (vòng/s)
Tốc độ của trục vitme:
(vòng/phút)

Góc quay của trục vitme:
Tốc độ của tải:
P: là bước rang của vitme.
Vị trị của tải:
Chuyển sang miền laplace:
Đặt

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 23


GVHD: Giáp Quang Huy

Chọn bộ điều khiển vị trí là bộ PID.

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 24


GVHD: Giáp Quang Huy

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƯỢNG.
4.1 Tính toán thông số mô phỏng

hl=1; (cm):bước răng của vitme

Pdm = 1826; Công suất định mức
Uadm = 220; Điện áp phần ứng định mức
Iadm = 8.3; Dòng điện phần ứng định mức
ndm = 1470; Tốc độ định mức
Ra = 4;
La = 0.072;
J = 0.0607;
BL=0.0069;
B1= 0.0869;
Bt=B1+BL;
Eadm = Uadm - Ra*Iadm;
Wdm = 2*pi*ndm/60;
Kb=1.26;
Kb = (Uadm-Ra*Iadm)/Wdm
Ta = La/Ra;
Nguồn điện vào
U=220; Điện áp nguồn
VC=10; Điện áp điều khiển
f=50; Tần số nguồn
Kr=1.35*Uadm/VC; Bộ chỉnh lưu
Tr=1/(12*f);
Động cơ
K1= Bt/(Kb^2+Ra*Bt);
Tm=J/Bt;
T1=1/((0.5*(Bt/J+Ra/La))-sqrt((0.25*(Bt/J+Ra/La)^2(Kb^2+Ra*Bt)/(J*La))));
T2=1/((0.5*(Bt/J+Ra/La))+sqrt((0.25*(Bt/J+Ra/La)^2(Kb^2+Ra*Bt)/(J*La))));
z=(0.25*(Bt/J+Ra/La)^2-(Kb^2+Ra*Bt)/(J*La));
Hc= 1 ;
Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Tc=T2;

K=2*Tr*T1*Hc/(Tr^2+T1^2);
Kc=T2/(K*Kr*K1*Tm);
Xấp xỉ mạch vòng dòng điện
T3=T1+Tr;
K2=Kc*Kr*K1*Hc*Tm/Tc;
Ki=K2/(Hc*(1+K2));

Đồ án tổng hợp hệ thống TĐ điệnTrang 25