Mô Hình hóa mô phỏng Điều khiển động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Ghi chú : TL, BTL, ĐA/DA (Tiểu luận, bài tập lớn, đồ
BỘ CÔNG THƯƠNG
án/dự án)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
------

BÁO CÁO TL, BTL, ĐA/DA THUỘC HỌC PHẦN:
MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU:

Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Nối Tiếp
Giáo viên hướng dẫn: ThS. LÊ NGỌC DUY
Sinh viên: Phạm Quang Trà
201860786
Nguyễn Văn Tú
Đỗ Hữu Tuấn

2018604047
2018604775

Lớp: Cơ điện tử 2

Hà Nội - 2020

Khóa: 13


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung

1. Tên lớp: Cơ điện tử 2
2. Tên nhóm: nhóm 6

Khóa: k13

Họ và tên thành viên: Phạm Quang Trà
Nguyễn Văn Tú
Đỗ Hữu Tuấn

201860786
2018604047
2018604775

II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều.
2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống
- Nội dung 2: Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả
động cơ điện một chiều (L1.1; L1.2)
- Nội dung 3: Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và
hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.
- Nội dung 4: Mơ phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện
một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.
3. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mơ hình sản phẩm (Nếu có)
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày …/…/…. đến ngày
…/…/….).
2. Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá.
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển.

2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu
có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
ThS. Lê Ngọc Duy


MỤC LỤC

Chương I. LỜI NÓI ĐẦU........................................................................6
Chương II. tổng quan về động cơ điện một chiều......................................7
1.2

khái niệm......................................................................................7

2.2

Cấu tạo và phân loại động cơ điện 1 chiều...................................8

3.2

Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều..........................8

4.2

Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều..............9

Chương III. động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp................................10
1.3

cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp........................10

Chương IV. Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ
tả động cơ điện một chiều.......................................................11
Chương V. Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều
và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều......................12
Chương VI.Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện
một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử
dụng phần mềm 20-sim..........................................................13


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Cấu tạo động cơ điện 1 chiều...................................................................7
Hình 2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ 1 chiều..............................................8
Hình 3: Sơ đồ nối dây............................................................................................9
Hình 4:Cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ
nối tiếp.................................................................................................................10
Hình 5: Biểu đồ Bond Graph mơ tả cơ điện 1 chiều và hệ thống điều khiển động
cơ điện 1 chiều.....................................................................................................12


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: biểu đồ Bond graph trên phần mềm 20 -sim..........................................13
Bảng 2: Bảng giá trị.............................................................................................14
Bảng 3: Biểu đồ của dịng điện kích từ và dịng điện phần ứng theo thời gian...14
Bảng 4: Biểu đồ Momen xoắn của tải theo thời gian..........................................15
Bảng 5: Biểu đồ Momen xoắn và tốc độ quay của động cơ theo thời gian.........15

CHƯƠNG I. LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh
vực của đời sống và xản xuất. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào các hoạt động sản
xuất đòi hỏi con người phải không ngừng học hỏi và nâng cao trình độ hiểu biết để kịp
thời cập nhật những tiến bộ mới nhất của thế giới. Chính vì vậy, phát triển ngành cơ
điện tử có ý nghĩa hết sức quan trọng vì các sản phẩm của ngành phục vụ trong tất cả
các ngành khác trong nền kinh tế như: phục vụ trong lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật
robot, chế tạo, điều khiển và cảm ứng, …
Trong đề tài đồ án môn “ xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều”
này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày một cách cụ thể về quá trình nghiên cứu
tìm hiểu và tính tốn, thiết kế mơ hình. Thơng qua đó có thể áp dụng nó vào các bài
nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành khi ra trường.
Để bài báo cáo được hoàn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận được những
góp ý từ phía các thầy cơ.
Qua đây, chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Cơ
khí nói chung và thầy cơ trong bộ mơn Cơ điện tử nói riêng đã nhiệt tình hướng dẫn đồ
án môn cho chúng em.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020


Bài số 6: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều
kích từ nối tiếp như hình 1. Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R
là tín hiệu đặt tốc độ; là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các
thông số của động cơ như sau:
- Điện cảm phần ứng L: 10. H
- Điện trở phần ứng R: 1.75
- Điện trở mạch kích từ: 5
- Điện cảm kích từ L: 10. H

- Hệ số cản b = 6.6Nms/rad
- Momen quán tính J= 0.006
- Hệ số momen K= 1.53

Hình 1

Hình 2

Yêu cầu:
- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ nối tiếp và
hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.
- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả động cơ điện
một chiều.
- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều
khiển động cơ điện một chiều.
- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ
thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.
CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

II.1

khái niệm

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) là động cơ
được điều khiển bằng dịng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động
cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều.


II.2

Cấu tạo và phân loại động cơ điện 1 chiều

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:
 Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện
 Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện
 Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp
 Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho
các cuộn dây trên rotor. Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số
cuộn dây trên rotor.

Hình 1: Cấu tạo động cơ điện 1 chiều
-Phân loại động cơ điện 1 chiều
Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện 1 chiều thành những
dịng chính như sau:
 Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
 Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
 Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
 Động cơ điện 1 chiều kích từ song song
 Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn
được mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn được mắc song song với phần
ứng
II.3
Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều
Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu
hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện
một chiều. Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnh
lưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor


Hình 2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ 1 chiều

là liên tục. Thơng thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ
chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều
Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngồi thì động cơ này
sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện động cảm ứng
Electromotive force. Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một
điện áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động đối kháng, vì
nó đối kháng lại với điện áp bên ngồi đặt vào động cơ. Sức điện động này sẽ tương tự
như sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện. Như vậy
điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện áp
giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng. Dòng điện chạy qua động cơ
sẽ được tính theo cơng thức sau:
I=(Vnguon-Vphandiendong)/Rphanung
Cơng suất cơ mà động cơ đưa ra được sẽ tính bằng:
P=I*Vphandiendong

II.4

Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều

-Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều:
 Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do
đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động.
 Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.
 Tiết kiệm điện năng
 Bền bỉ, tuổi thọ lớn
-Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều
 Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá
trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên.
 Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm,

nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.


 Giá thành đắt mà công suất không cao.
-Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời
sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt
trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên
tục trong phạm vi lớn.......
CHƯƠNG III.

III.1

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (ĐMnt): nguồn một chiều cấp chung cho
phần ứng nối tiếp với kích từ.

Hình 3: Sơ đồ nối dây
Từ sơ đồ ngun lý ta thấy dịng kích từ chính là dịng phần ứng, nên từ thông
của động cơ phụ thuộc vào dịng phần ứng và phụ tải của động cơ. Có thể viết phương
trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
U =Uư +Uktnt +E = Iư.Rư +Ikt.Rkt+E
(Iư = Ikt =I và E=kφω)
=> U=I.( Rư + Rkt ) + kφω
Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có dạng đường
hypebol và rất mềm. Tuy nhiên, thực tế quan hệ là phi tuyến nên việc viết phương
trình và vẽ các đặc tính cơ đơng cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là rất khó khăn. Vì
vậy các nhà chế tạo động cơ thường cho trước các đường cong thực nghiệm

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều
Ta có phương trình tốc độ quay của động cơ điện 1 chiều
Từ phương trình trên muốn thay đổi tốc độ quay của động cơ điện 1 chiều có 3
phương pháp:
- Điều chỉnh R phần ứng bằng cách mắc nối tiếp điện trở R*.
- Điều chỉnh từ thông Ø.
- Điều chỉnh điện áp U phần ứng
1.Điều chỉnh R phần ứng bằng cách mắc nối tiếp điện trở R*
Khi mắc nối tiếp điện trở phụ R* vào phần ứng từ công thức ta thấy tốc độ quay
của đông cơ điện 1 chiều tăng lên , nhưng khi mắc thêm R* thì tổn hao tăng lên ,
khơng kinh tế .
=> Phương pháp này ít được sử dụng.


2.Điều chỉnh từ thơng Ø
Khi từ thơng giảm thì tốc độ quay của động cơ 1 chiều tăng lên trong phạm vi
giới hạn. Nhưng khi từ thơng thay đổi thì Momen , dịng điện cũng thay đổi theo nên
khó tính tốn chính xác được dịng động cơ và Momen tải.
=> Phương pháp này ít được sử dụng.
3.Điều khiển điện áp phần ứng Uư
Thực tế có 2 phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều bằng điện áp:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ.
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ .
Khi điện áp Uư cấp vào phần ứng tăng thì tốc độ quay của động cơ điện 1 chiều
tăng theo, phương pháp điều khiển này là triệt để và được sử dụng phổ biến để điều
khiển tốc độ của động cơ DC.
CHƯƠNG IV.
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT
PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

Hình 4:Cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động cơ điện một chiều kích từ
nối tiếp
Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:
J. + b. = Ki
(1)
Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:
L. + Ri = V - K.
( E = k .)
(2)
Biến đổi Laplace:
s.(J.s +b). = K.I(s)
(3)
(L.s+R).I(s) = V - Ks
(4)
Từ phương trình (3) ta có:
I(s) =
(5)
Thế (5) vào (4) và biến đổi ta được:
(6)
Vì hàm bậc 3 suy giảm rất nhanh về dạng hàm bậc 2 nên ta có thể coi hàm
truyền của hệ là


(7)
Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái:
Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái. Điện áp là đầu
vào, đầu ra là tốc độ quay.
Từ phương trình (1) và (2) ta có:
=-. +.I
(8)

=-.-i+
(9)
Vậy ta có phương trình khơng gian trạng thái
= +v
(10)
=
(11)

CHƯƠNG V. XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

Hình 5: Biểu đồ Bond Graph mơ tả cơ điện 1 chiều và hệ thống điều khiển động
cơ điện 1 chiều
Biểu đồ Bond Graph có hai phía. Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt
vào, điện trở phần ứng (R1) và điện cảm phần ứng (I1) , điện trở kích từ (R) và điện
cảm kích từ (I1). Bên cịn lại chứa các thành phần qn tính (I2) và độ cản quay (I2)
Ta thấy mạch có 5 chỗ có điện áp khác nhau nên ta đặt 5 Junction 1
Ta có, mạch kích từ nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt
một điện áp V. Vì vậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với
Junction 1. Sau đó, Se chia sẻ cùng dịng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần
kích từ I ) và (Điện trở phần kích từ R). Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để
kết nối hai thành phần trên với nguồn e. Tiếp theo ta thấy mạch phần ứng kết nối với
phần kích từ do đó nó được liên kết với 2 thành phần điện trở phần ứng R1 và điện
cảm phần ứng I2 thông qua Junction 1.Thêm vào đó, phần tử MGY ( Modulated
Gyrator Element) được sử dụng như là một liên kết giữa một bên là phần tử điện và
bên còn lại là phần tử cơ khí.
Phần tử MGY mơ tả mối quan hệ giữa tốc độ góc của động cơ
(wm) với suất điệnđộng (vm) (mechanical flow and electrical effort) và dòng

điện (im) với mômen quay (Tm) (electrical flow and mechanical effort). Bên phía cơ
khí, do tải bên trong bao gồm qn tính I2 và độ cản quay R2. Do đó, hai thành phần
này được liên kết với MGY thông qua liên kết 1 (Junction 1).
CHƯƠNG VI.
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GĨC QUAY CỦA
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM.

Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ
thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim.Ta vẽ được biểu
đồ Bond graph trên phần mềm 20 -sim

Bảng 1: biểu đồ Bond graph trên phần mềm 20 -sim
Thêm giá trị của các thành phần vào bảng để vẽ biểu đồ:


Bảng 2: Bảng giá trị
Ta vẽ được biểu đồ của dịng điện kích từ và dịng điện phần ứng theo thời gian
bằng 20- sim

Bảng 3: Biểu đồ của dòng điện kích từ và dịng điện phần ứng theo thời gian
-Dịng điện phần ứng và phần kích từ bằng nhau do mạch mắc phần kích từ và
phần ứng nối tiếp nhau
Momen xoắn của tải theo thời gian:


Bảng 4: Biểu đồ Momen xoắn của tải theo thời gian
Ta thấy mômen xoắn lúc đầu là rất lớn sau đó giảm dần theo thời gian, momen
xoắn giảm dịng điện trong mạch cũng giảm
Momen xoắn và tốc độ quay của động cơ theo thời gian:

Bảng 5: Biểu đồ Momen xoắn và tốc độ quay của động cơ theo thời gian

- Một số đặc điểm điển hình của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là
chúng thay đổi tốc độ đáng kể khi điều kiện tải thay đổi. Ngoài ra mơmen khởi
động rất cao. Các ứng dụng điển hình của các loại động cơ này là máy tời kéo,
tàu điện, băng tải, thang máy, ô tô điện, v.v.


Động cơ một chiều kích từ nối tiếp khơng được khởi động mà khơng có tải
vì tốc độ có thể rất cao.