Thiết kế hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dung cơ cấu động cơ điện một chiều sử dụng sử dụng trục vít me theo phương pháp tối ưu

ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

LỜI MỞ ĐẦU
Có rất nhiều các hệ thống cơ điện trong đó có vấn đề điều khiển chính xác
moomen, tốc độ và vị trí đóng một vai trò quan trọng và cần thiết: Robot, xe điện,
thang máy,…
Một cách tổng quan, điều khiển truyền động điện nhằm mục đích:Làm phù hợp vị
trí hoặc tốc độ của hệ truyền động điện theo các giá trị yêu cầu (mongmuốn) Làm
phù hợp mô-men của hệ truyền động điện theo các giá trị yêu cầu (mong muốn).
Tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạtđộng.
Với mục đích nghiên cứu hệ thống truyền động một cách chính xác vị trí với tốc
mong muốn của của động cơ điện một chiều. Nên đề tài của nhóm chúng là “Thiết
kế hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí dung cơ cấu động cơ điện một chiều
sử dụng sử dụng trục vít me theo phương pháp tối ưu”
Qua những lần sơ duyệt và góp ý của thầy Giáp Quang Huy, em cũng đã rút kinh
nghiệm và sửa chữa. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên cũng
không tránh khỏi nhiều thiếu sót,rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của thầy
và các bạn .Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Giáp Quang Huy đã
nhiệt tình chỉ bảo và dìu dắt trong suốt thời gian làm đồ án vừa qua và chúng em
cảm ơn các bạn trong lớp đã hỗ trợ và góp ý cho em trong quá trình thực hiện đề
tài.

Trang 1


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN
TRUYỀN ĐỘNG
1.1. Giới thiệu công nghệ bài toán

Hình 1.1 Hệ thống truyền động điện

Hệ thống truyền động điện ở đây là hệ thống gồm 1 động cơ điện chiều gắn với hộp số có
tỉ số truyền là 10/1 để điều khiển tải có khối lượng 50kg đúng vị cần mong muốn được
cấp bởi nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V với tốc độ lớn nhất là 0,5m/s và hệ số
ma sát là 0.1
1.2. Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải
1.2.1. Phân tích yêu cầu công nghệ
Dựa vào đồ thị mong muốn của tải, ta thấy rằng tốc độ của tải thay đổi trong các
khoảng thời gian như bảng sau:
Khoảng thời gian

Sự thay đổi vận tốc

Yêu cầu

0s-1s

0m/s-0,5m/s

Khởi động và tăng tốc độ từ 0m/s đến 0,5m/s

1s-4s

0,5m/s

Giữ nguyên tốc độ 0,5m/s

4s-5s

0,5m/s-0m/s

Giảm tốc độ từ 0,5m/s xuống 0m/s

Bảng 1.1 Sự thay đổi tốc độ theo thời gian của trục vít-me

Trang 2


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải

• Nguồn điện sử dụng : 220/380V, do đó cần sử dụng bộ biến đổi phù hợp.
• Hệ thống hoạt động ổn định, bám càng sát với đồ thị tốc độ mong muốn thì
càng tốt.
• Sai số nằm trong khoảng cho phép.
• Điều khiển động cơ dễ dàng, điều khiển động cơ có đảo chiều quay.
1.2.2. Đặc tính cơ của tải
Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản của
máy sản xuất: Mc = f(ω) hay Mc = f(n).
Trong đó:

• Ω: Tốc độ góc (rad/s)
• n: Tốc độ quay (vòng/ph)
• Mc: Mômen cản (N.m)
Phương trình đặc tính cơ của tải: Mc = Mco+ (Mđm – Mco)( )α
Trong đó:
• Mc:Mômen ứng với tốc độ ω.
• Mco: Mômen ứng với tốc độ ω = 0.
• Mđm: Mômen ứng với tốc độ định mức ωđm.
Ta có các trường hợp số mũ α ứng với các tải:
• Khi α = -1: mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy tiện,
doa, máy cuốn dây, cuốn giấy,... Đặc điểm của loại máy này là tốc độ làm
việc càng thấp thì mômen cản (lực cản) càng lớn.
• Khi α = 0: Mc = Mđm= const, tương ứng các cơ cấu máy nâng hạ, cầu trục,
thang máy, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt,...
Trang 3


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

• Khi α = 1: mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, tương ứng các cơ cấu ma sát,
máy bào, máy phát một chiều tải thuần trở.
• Khi α = 2: mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ, tương ứng các cơ cấu máy bơm,
quạy gió, máy nén.
Ở hệ thống này, momen cản là loại cơ cấu ma sát có α = 1.

Hình 1.3 Đồ thị đặc tính cơ của tải

1.3. Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Vòng điều khiển ngoài cùng là vòng điều khiển vị trí.
Biến điều khiển của các vòng điều khiển bên trong ( mô-men, tốc độ ) có thể được
giới hạn bởi giá trị đặt của nó ( được điều chỉnh bởi vòng điều khiển bên ngoài ).

Trang 4


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Vòng điều khiển bên trong có tốc độ đáp ứng nhanh hơn vòng điều khiển bên
ngoài.
1.4. Tính chọn công suất động cơ
1.4.1. Chọn phương án truyền động
Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính
chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thỏa mãn
yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, so sánh các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ
truyền động này kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn được một vài
phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế.
Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền
động một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc
tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều (có chổi than) là:
• Điều chỉnh điện áp phần ứng
• Điều chỉnh từ thông kích từ
• Kết hợp điều chỉnh từ thông kích từ và điện áp phần ứng

Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng hầu như không được sử
dụng trong các hệ có yêu cầu chất lượng cao do tổn hao công suất.
Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có đáp ứng được đặc trưng bằng hằng số
thời gian có giá trị nhỏ.
Ngược lại, hằng số thời gian đặc trưng cho đáp ứng của phương pháp điều chỉnh từ
thông kích từ có giá trị lớn hơn gấp 10-100 lần so với phương pháp điều chỉnh điện
áp phần ứng.
Hằng số thời gian lớn làm cho phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ có đáp ứng
chậm.

Trang 5


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phù hợp cho việc điều chỉnh tốc độ
động cơ dưới tốc độ định mức. Còn phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ phù
hợp để điều chỉnh trên tốc độ định mức.
Các phương pháp điều chỉnh truyền động hiện đại: bộ điều khiển được tự động
điều chỉnh trong quá trình hoạt động dựa trên các tham số(dã được nhận dạng) của
động cơ và của các thành phần khác trong hệ.
Phương pháp điều chỉnh nối tầng thường được sử dụng phổ biến với đặc điểm:
• Mạch vòng dòng điện/momen đáp ứng nhanh.
• Mạch vòng tốc độ đáp ứng chậm hơn.
• Mạch vòng vị trị đáp ứng chậm nhất, hoặc không cần thiết.
Ở đây ta chọn phương án truyền động cho động cơ một chiều kích từ độc lập, có
đảo chiều và hoạt động ở 2 góc phần tư, điều khiển đảo chiều bằng cách thay đổi
điện áp phần ứng.

1.4.2. Yêu cầu của việc tính chọn động cơ
Nguồn động lực trong một hệ thống truyền động điện là động cơ điện. Các yêu cầu
kỹ thuật, độ tin cậy trong quá trình làm việc và tính kinh tế của hệ thống truyền
động điện phụ thuộc chính vào sự lựa chọn đúng động cơ điện và phương pháp
điều khiển động cơ.
Chọn một động cơ điện cho một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều tiêu
chuẩn phải đáp ứng:
• Động cơ phải có đủ công suất kéo.
• Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương
pháp điều chỉnh thích hợp.
• Thỏa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điện.
• Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng (loại dòng điện, cấp điện áp...).
• Thích hợp với điều kiện làm việc (điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ ẩm,
khí độc hại, bụi bặm, ngoài trời hay trong nhà...).

Trang 6


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Việc chọn đúng công suất động cơ có ý nghĩa rất lớn đối với hệ truyền động điện.
Nếu nâng cao công suất động cơ chọn so với phụ tải thì động cơ sẽ kéo dễ dàng
nhưng giá thành đầu tư tăng cao, hiệu suất kém và làm tụt hệ số công suất cosθ của
lưới điện do động cơ chạy non tải. Ngược lại nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơn
công suất tải yêu cầu thì động cơ hoặc không kéo nổi tải hay kéo tải một cách nặng
nề, dẫn tới các cuộn dây bị phát nóng quá mức, làm giảm tuổi thọ động cơ hoặc
làm động cơ bị cháy hỏng nhanh chóng.
Để tính chọn công suất động cơ trong hệ thống có điều chỉnh tốc độ cần phải biết

những yêu cầu cơ bản sau:
•
•
•
•

Đặc tính phụ tải Pyc(ω), Myc(ω) và đồ thị phụ tải: Pc(t), Mc(t),ω(t)
Phạm vi điều chỉnh tốc độ: ωmax và ωmin
Loại động cơ (một chiều hoặc xoay chiều) dự định chọn.
Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động cần
phải định hướng xác định trước.

1.4.3. Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.4.3.a. Khái niệm
Động cơ điện một chiều là loại máy điện làm việc với nguồn điện một chiều.
Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc theo chế độ động cơ. Nghĩa là
máy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại.
1.4.3.b. Cấu tạo
Cấu tạo máy điện một chiều gồm 3 phần chính:
• Stato: Còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy,
thường được chế tạo bằng gang hay thép đúc. Stato là mạch từ cũng là vỏ
máy bao bọc các bộ phận 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 ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng.
Trang 7


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

• Lõi thép có hình trụ được ghép từcác là thép kỹ thuật điện, ghép cách điện
với nhau nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Chung
quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây
phần ứng. Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc. Ngoài ra trên lõi
thép còn dập một số lỗ thông gió để làm mát. Thân máy, cực từ và lõi thép
phần ứng tạo thành mạch từ của máy điện một chiều. Dây quấn được tạo
thành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiều vòng dây được
xếp trong các rãnh của lõi thép. Hai đầu phần tử nối với 2 phiến góp, 2 cạnh
tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới cực khác tên.
Phần ứng được bắt chặt trên trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn. Nắp
máy giữ cố định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bu-lông
xuyên.

Hình 1.5 Lá thép Rotor

• 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.

Trang 8


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 1.6 Cổ góp và chổi than

Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụ tròn,
sau đó gắn vào trục rotor, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được cách
điện với trục bằng lớp mica mỏng. Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hàn với đầu
dây của phần tử dây quấn phần ứng.
Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hình
hộp. Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện và bắt
chặt vào nắp máy. Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò xo
ép chặt.Các đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng được nối với nhau tại cổ góp
tạo thành mạch điện khép kín. Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dây
quấn phần ứng thành các mạch nhánh song song.

Hình 1.7 Cấu tạo máy điện một chiều

1.4.4. Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Trang 9


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

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.

Hình 1.8 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 1.9 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.4.5. Tính momen qui đổi về đầu trục động cơ
Ta có các thông số ban đầu:
Trang 10


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Yêu cầu về tốc độ:

Tính số vòng quay của động cơ:

=>Tốc độ góc của rotor là : (rad/s)

Trang 11

GVHD : GIÁP QUANG HUY


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Tải M= 50kg chịu tác động của 4 lực: trọng lực P, phản lực N, lực bên ngoài khiến

nó di chuyển với tốc độ v= , lực cản . Trong đó P và N triệt tiêu nhau. Tổng hợp lực
làm M chuyển động là:
Chọn chiều (+) cùng chiều vector vận tốc (trái sang phải)
Để tăng tốc độ của tải, cần phải có một lực kéo của tải yêu cầu là:
Lúc này, lực kéo của tải yêu cầu là:
Giai đoạn

(m/s)

Lực kéo (N)

0s-0,2s

0,5t

74

0,2s-0,8s

0,5

49

0,8s-1s

0,5-0,5t

Tính mômen quay của tải :
Mômen quay của tải do lực F gây ra ứng với từng giai đoạn :
Tăng tốc := =

Ổn định : = =
Giảm tốc := =

Trang 12


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Mômen quay của tải quy đổi về trục động cơ ứng với từng giai đoạn như sau :
Tăng tốc : = =
Ổn định : = =
Giảm tốc : = =

Hình 1.13 Đồ thị momen đầu trục động cơ theo thời gian

Ta thấy

Ta có đồ thị tốc độ góc của động cơ theo thời gian :

Trang 13


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 1.13 Đồ thị momen đầu trục động cơ theo thời gian

Quy đổi sang công suất động cơ với từng giai đoạn :
Ta có: P = TL.
Trong đó:
• P là công suất động cơ
• TL là momen quay của tải qui đổi về trục động cơ
• là tốc độ quay của roto
Giai đoạn

(rad/s)

P = TL.(W)

0s-1s

(100/3)t

0,4.(100/3)t=42Δt

1s-4s
4s-5s

(100/3)
(100/3-(100/3)t

0,26.(100/3)=27,2
0,12.[(100/3- (100/3t]= 12,6– 12,6Δt

Bảng 1.3 Biểu đồ phụ tải sơ bộ

Hình 1.14 Đồ thị công suất theo thời gian

Dự đoán công suất theo công suất đẳng trị:

Chọn hệ số dự trữ k=1,2÷1,5 = 1,5
Ta có: P=Pđt.k=64.1,5=96W
Dự đoán momen theo momen đẳng trị:

Chọn hệ số dự trữ k=1,2÷1,5 = 1,5
Trang 14


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Ta có: T=Tđt.k= 0,27.1,5 = 0,405 Nm
Từ đó, ta chọn động cơ EC-4pole 22Ø22 mmcủa nhà sản xuất Maxoncó các
thông số như bảng sau:
Tên thông số
Giá trị
Đơn vị đo
Công suất định mức
120
W
Điện áp định mức
24
VDC
Momen định mức
54,5
mN.m

Điện trở
3.41
Ω
Cảm kháng
0,065
mH
Bl
0,09
Nm/rad/sec
Mômen quán tính
0,0607
kg.m2
Tốc độ định mức
1500
Vòng/phút
RPM(revolutions per minute)
Dòng điện định mức
4,2
A
Kt=Kb
1.4
V/rad/s
Bảng 1.5 Thông số động cơ

Kiểm nghiệm lại các thông số động cơ:
N= 1000vòng/phút < Nđm = 1500 vòng/phút(thỏa mãn)
P=96WKiểm tra momen động cơ:
Momen đầu trục: T = Tđm.10=0,0545x10 = 0,545 Nm
Momen lớn nhất của tải: Ttải = 0,4Nm < T = 0,545 Nm (thoả mãn)

1.5. Xác định các tham số của hệ thống
1.5.1. Tính toán và chọn các thiết bị, phần tử trong hệ thống
1.5.1.aTính chọn thyristor
Do động cơ cần dùng là động cơ điện một chiều kích từ độc lập, tải có đảo chiều
nên ta sử dụng phải bộ chỉnh lưu cầu kép ba pha mắc song song ngược.

Trang 15


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 1.15 Sơ đồ chỉnh lưu cầu thyristor 3 pha có đảo chiều

+ Tính toán các thông số trong mạch chỉnh lưu:
Nguồn ta sử dụng ở đây là nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380V nên điện áp đầu
vào của bộ chỉnh lưu là U2 =220V.

Đế góc điều khiển α từ 0 -

π
2

ta sử dụng một biến áp để hạ điện áp đầu vảo của bộ chỉnh lưu

π .U d
= 15,38
3 6
xuống giá trị U’2 =

V
U2
U 2'

Suy ra cần một biến áp có hệ số biến đổi N=

Giá trị trung bình trong bộ chỉnh lưu: Ud =

220
15,38

=

=14,3

3 6
π

U’2 cosα
π
Ud
Ku
3
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên thyristor : Unmax= Knv.
= .36= 37,68 V
6

3 6
π

Trong đó Knv = , Ku =
Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1,8 ta có điện áp ngược van cần chọn
Unv =37,68.1,8=67,824V
Idm 7,07
3
3
Dòng điện trung bình chạy qua mỗi thyristor : Itb=
=
= 4,08 A
Chọn hệ số dự trữ Ki = 3,2 ta có I max = 4,08. 3,2= 13,056 A

Trang 16


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Từ hai thông số Unv và Iđmv; ta chọn Thyristor loại S1015L có các thông số sau:

Thông số
Điện áp ngược cực đại
Dòng điện làm việc cực đại
Dòng điện đỉnh cực đại
Dòng điện xung điều khiển
Điện áp xung điều khiển
Dòng điện duy trì
Dòng điện rò
Sụt áp trên thyristor ở trạng thái dẫn

Thời gian chuyển mạch (mở và khóa)
Đạo hàm điện áp
Nhiệt độ làm việc cực đại

Giá trị
Unmax= 100 V
Iđmmax = 15 A
Ipicmax = 150A
Ig = 20 mA
Ug= 1,5 V
Ih= 35 mA
Ir= 1 mA
ΔUmax = 1.6 V
tcm= 35
du/dt= 100 V/s
tmax = 110C

Bảng 1.6 Thông số Thyristor

1.5.1.b Sensor
Tính chọn cảm biến tốc độ
Ở đây ta chọn cảm biến Encoder ENC 16 EASY, 1024 pulses
Part number 499361

Trang 17


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 1.16 Cảm biến tốc độ ENC 16 của Maxon

Thông số của cảm biến

Stt

Thông số

Giá trị

1

Số xung trên đĩa

1024

2

Số kênh

3

3

Max tốc độ điện

90000

4

Max tốc độ cơ

30000

5

Điện áp cung cấp

5V±10%

6

Dòng ra trên mỗi kênh -20…20mA

7

Thời gian đáp ứng

20ns

8

Chiều quay

A before B CW

9

Vị trí biểu thị

A low và B low

Trang 18


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

10

Nhiệt độ hoạt động

-40…..100ºC

11

Khối lượng

9g

12

Mô men quán tính

2

0,1 g/cm

Tính chọn cảm biến dòng điện
Ta chọn cảm biến ACS712- 20A có các thông số sau :
-Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp
-Thời gian thay đổi điện áp đầu ra ứng với dòng điện đầu vào là 5μs
-Điện trở dây dẫn trong là 1,2 mΩ
-Điện áp hoạt động là 5V
-Sai số điện áp đầu ra là 1,5% ở 25 ºC
-Độ nhạy đầu ra từ 66 đến 185 mV/A
-Khoảng đo từ -20 đến 20 A

Trang 19


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 1.10Cảm biến ACS712-20A

1.5.2. Gearbox
Sử dụng Gearbox E50-10-22của công ty Ondrives, US có các thông số sau:

Thông số
Tỷ số
Đường kính trục

Part number: E50-10-22
Giá trị
10:1
22

Bảng 1.8 Thông số hộp số

Vậy các tham số của hệ thống bao gồm :
- Nguồn: Sử dụng nguồn 220/380VAC lấy từ lưới điện.
Chọn thyristor loại S1015L.
- Động cơ:
Động cơ MaxonEC-4pole 22Ø22 mm.
Gearbox E50-10-22.
- Cảm biến:
Cảm biến dòng điện chọn ACS712 20A.
Cảm biến tốc độ chọnEncoderENC 16 EASY của Maxon.
.

Trang 20

Đơn vị đo
mm


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
2.1. Mô hình toán học của động cơ
2.1.1. Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều
Phương trình cân bằng điện áp :
v(t) = Ra.Ia(t) + + E(t)

(1)

Suất điện động cảm ứng :
e(t) = K= Kb
Mô men điện từ:
Te = Ktia(t) = Kbia(t)
Phương trình mô tả quan hệ điện cơ:
J+ Bl Te(t) - Tl(t)

(2)

Trong đó :
Ra : điện trở mạch phần ứng
La : điện cảm mạch phần ứng
– hệ số kết cấu của máy
P – Số đôi cực từ của động cơ
N – Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ
Ua : điện áp phần ứng








Chuyển sang miền Laplace phương trình (1) và (2) ta được:
v(s) = Kb+ Ra.Ia(s) + LasIa(s)
⇔

Iư(s) =

J KbIa(s) – Tl(s)
⇔
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc cơ khí khi từ thông không đổi
Giả thiết trường hợp mô-men tải tỷ lệ với tốc độ của động cơ và
cho

bởi

công
Trang 21

thức:


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Biến đổi sơ đồ khối mô hình hàm truyền đạt của động cơ:

Trang 22

GVHD : GIÁP QUANG HUY


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Trong đó, các hàm truyền đạt và hệ số như sau:

Mômen quán tính j:

= = 0,6 s
Bt = BL + B1= 0,0054 +0,09 = 0,0954
Để xây dựng vòng điều khiển dòng điện ta tách hàm truyền động cơ theo w m và Va, Ia.
Kb
ωm (s)
=
Ia (s) Bl (1 + s.Tm )
=
Ia (s)
1 + s.Tm
= K1
Va (s)
(1 + s.T1 )(1 + s.T2 )

0.6s
s
K1 =

Bt
K 2b + R a Bt

= = 0,3
2.2. Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống
2.2.1. Mô hình toán học khâu biến đổi
2.2.1.a. Mô hình toán học khâu chỉnh lưu có điều khiển
Để có thể đảo chiều cho động cơ, sử dụng hai mạch chỉnh lưu cầu có điều
khiển đấu song song ngược, điều khiển theo phương pháp điều khiển chung. Sơ đồ
bộ biến đổi như sau:

Mạch điều khiển

Mạch chỉnh lưu

Ud
Uđk
Trang 23


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển

Hình 2.4 Chỉnh lưu đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi (đấu song song ngược)
Điện áp ra của bộ chỉnh lưu: Vdc =.U2.cosα , suy ra cosαmax=0.2
Trong đó: U- điện áp hiệu dụng của nguồn
α- góc kích mở Thyristor

Trang 24


ĐA: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐK TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD : GIÁP QUANG HUY

Hình 2.5 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos
Chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos, ta có:

Với Vc là điện áp điều khiển, chọn Vcmax=5V
Suy ra: Vcmmax=24V
Vdc = .U2.
Vdc =. .Vc
Vdc = Kr.Vc với Kr = .=21,4(V)
Uđb = Vcm.cosα=> tại điểm giao nhau điện áp điều khiển Vc = Uđb = Vcm.cosα
Bộ chỉnh lưu hoạt động theo chu kì lấy mẫu của mạch điều khiển. Khoảng thời
gian lấy mẫu gây ra sự trễ của bộ biến đổi.
Khi thay đổi điện áp điều khiển, hoặc khi các thyristor thay đổi trạng thái
đóng mở, thì điện áp ra chưa thay đổi ngay lập tức.
Góc trễ có thể được hiệu chỉnh và sẵn sàng để thực thi trong khoảng 60 o giữa
2 khoảng góc mở của 2 thyristor.
Vì vậy thời gian trễ có thể được lấy bằng một nửa khoảng trễ này:

Tr =

x thời gian một chu kì =

.

f = 50 (Hz) => Tr = 1.667 ms = 0.001667s
Bộ chỉnh lưu do đó được mô hình hóa bằng hàm trễ:

Gr(s) = Kr.
Trong trường hợp gần đúng ta có thể viết:

Gr(s) =
Vậy ta có mô hình toán của bộ chỉnh lưu hình cầu ba pha như sau:

Udk(s)

Kr
Tr.s + 1
Trang 25

Udc(s)