Th¸i Nguyªn, 10/27/15

1


Tổng hợp hệ điện cơ là môn học chuyên ngành của ngành Tự động hóa, đây có thể
xem là kiến thức tổng hợp của nhiều học phần cơ sở ngành và chuyên ngành. Trong nhiều
năm qua, đã có khá nhiều tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến kiến thức thuộc lĩnh vực
này, tuy nhiên một giáo trình chuẩn và đầy đủ phù hợp với chương trình đào tạo kỹ sư điện
chuyên ngành Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp của Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp còn thiếu.
Để đáp ứng yêu cầu đào tạo, đặc biệt là đào tạo theo hệ thống tín chỉ, Bộ môn Tự
động hóa – Khoa Điện đã biên soạn xong giáo trình học phần Tổng hợp hệ điện cơ 1 và đã
được sử dụng có hiệu quả cho việc giảng dạy của giáo viên và việc học tập của sinh viên
đại học và học viên cao học. Học phần Tổng hợp hệ điện cơ này là học phần thứ 2 của
môn học, học phần này được phân bố chương trình là 3 tín chỉ với nội dung gồm 5 chương.
Với thời gian ngắn, điều kiện về tài liệu tham khảo bị hạn chế nên giáo trình này
chắc chắn còn nhiều thiếu sót, mong bạn đọc và các đồng nghiệp thông cảm và cho ý kiến
đóng góp để chúng tôi hoàn thiện nội dung của giáo trình này được tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Th¸i Nguyªn, 10/27/15

2


Th¸i Nguyªn, 10/27/15

3


- Sách, giáo trình chính:

Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ do bộ môn Tự động hoá XNCN - Khoa Điện
biên soạn (đang biên soạn).

- Sách tham khảo:
[1]. Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo); Cơ sở điều khiển tự động truyền động
điện; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004
[2]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dơng Văn Nghi; Điều
chỉnh tự động truyền động điện; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002.
[3]. Bùi Đình Tiếu; Cơ sở truyền động điện tự động; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà
Nội, 1984.
[4]. Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh; Giáo trình Kỹ thuật biến đổi; Trờng đại học
Kỹ thuật Công nghiệp, Thái Nguyên, 1998.
[5]. Cyril W. Lander; Power Electronics; 1993.
[6]. . . , . . , . . , . . ;
; , , 1974.
Thái Nguyên, 10/27/15

4


1.1. Khái quát về hệ thống tuỳ động
1.2. Đo kiểm tín hiệu vị trí

1.3. Hệ thống tuỳ động vị trí sensin và phương pháp thiết kế

1.4. Hiệu chỉnh trạng thái động của hệ thống tùy động vị trí

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

5



1.1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TUỲ ĐỘNG
1.1.1. Ứng dụng của hệ thống tuỳ động
Hệ thống tùy động, thực chất là hệ thống ĐCTĐ TĐĐ thực hiện điều khiển vị trí
với lượng đặt trước biến thiên tùy ý. Hệ thống tuỳ động được ứng dụng rất rộng
rãi trong thực tiễn. Nhiệm vụ cơ bản của hệ là thực hiện điều khiển cơ cấu chấp
hành bám sát chính xác đối với lượng đặt vị trí, đại lượng điều khiển (lượng đầu
ra) thường là vị trí không gian của cơ cấu sản xuất, lúc lượng đặt thay đổi trong
quá trình làm việc thì hệ thống có thể làm cho đại lượng điều khiển bám sát và
duy trì một một cách chính xác vị trí của cơ cấu sản xuất theo yêu cầu. Ví dụ
điều khiển cơ cấu ép trục cán, trong quá trình cán kim loại, phải làm cho khe hở
giữa hai trục có thể tiến hành tự điều chỉnh; điều khiển quỹ tích gia công của máy
cắt điều khiển số và điều khiển bám của máy chép hình; cơ cấu lái tự động trên
tàu thuyền; cơ cấu điều khiển anten rađa của cụm súng pháo hay kính viễn vọng
điện tử nhằm đúng mục tiêu; điều khiển động tác của người máy. Những ví dụ
trên đây đều là những ứng dụng cụ thể về hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí.
Th¸i Nguyªn, 10/27/15

6


1.1.2. Các bộ phận chủ yếu của hệ thống tuỳ động vị trí
và nguyên lý làm việc của nó

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

7



(1) Bộ đo kiểm vị trí: Do chiết áp RP1 và RP2 tạo thành bộ đo kiểm vị trí (góc), trong
đó trục quay của chiết áp RP1 nối với bánh điều khiển làm góc cho trước (góc
đặt), trục quay của chiết áp RP2 thông qua cơ cấu nối với bộ phận phụ tải làm
phản hồi góc quay, hai bộ chiết áp đều được cấp điện nhờ nguồn điện một chiều
U, như vậy có thể chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lượng điện ở đầu ra.
(2) Bộ khuếch đại so sánh điện áp: Do 2 bộ khuếch đại 1A, 2A tạo thành, trong đó
bộ khuếch đại 1A chỉ làm nhiệm vụ đảo pha, còn 2A có tác dụng so sánh và
khuếch đại điện áp, tín hiệu đầu ra làm tín hiệu điều khiển bộ khuếch đại công
suất cấp tiếp theo, đồng thời có khả năng nhận biết cực tính điện áp (phương vị
âm dương của góc pha).

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

8


(3) Bộ khuếch đại công suất đảo chiều: Để cung cấp cho động cơ chấp hành của hệ
thống tuỳ động chỉ có khuếch đại điện áp là chưa đủ, còn phải khuếch đại công
suất, các bộ khuếch đại công suất này thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặcbộ
biến đổi xung áp điều chế độ rộng xung nếu động cơ truyền động là động cơ một
chiều, trường hợp dùng động cơ xoay chiều thì bộ khuếch đại công suất thường
là biến tần.
(4) Cơ cấu chấp hành: Động cơ bám Đ (động cơ điện một chiều, từ trường vĩnh cửu)
để truyền động cơ cấu chấp hành mang phụ tải (dàn anten ra đa), giữa động cơ và
phụ tải thường có bộ phận truyền lực (hộp giảm tốc).
(1), (2), (3), (4): Là các bộ phận chủ yếu, không thể thiếu để tạo nên hệ thống điều
khiển tuỳ động vị trí, chỉ có linh kiện hoặc thiết bị cụ thể là có thể khác nhau, ví
dụ, có thể dùng các bộ đo kiểm vị trí khác nhau, dùng động cơ điện một chiều
hoặc xoay chiều v.v...
Th¸i Nguyªn, 10/27/15


9


1.1.3. So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc
Qua các phân tích trên dễ dàng nhận ra những chỗ khác nhau và giống nhau giữa
hệ thống tuỳ động vị trí (sau đây gọi tắt là hệ thống tuỳ động) và hệ thống điều
tốc. Cả hai đều là hệ thống kín (có phản hồi), tức là thông qua việc so sánh lượng
đầu ra của hệ thống với lượng cho trước (lượng đặt) để tạo ra tín hiệu điều khiển
hệ thống, vì vậy nguyên lý của hai hệ thống này là giống nhau.
Đại lượng cho trước của hệ thống điều tốc là hằng số, dù cho mức độ nhiễu như
thế nào, đều mong đại lượng đầu ra ổn định, vì thế chất lượng chống nhiễu của
hệ thống luôn tỏ ra quan trọng nhất. Còn trong hệ thống tuỳ động thì tín hiệu đặt
vị trí là thường xuyên thay đổi, là đại lượng “thay đổi tuỳ ý”, yêu cầu lượng đầu
ra bám chính xác theo sự thay đổi của lượng cho trước, tính nhanh nhậy, tính linh
hoạt, tính chính xác thích nghi đầu ra trở thành đặc trưng chủ yếu của hệ thống
tuỳ động. Hay nói cách khác chất lượng bám là chỉ tiêu chủ yếu của hệ thống
này.
Th¸i Nguyªn, 10/27/15

10


Từ hình 6.1 có thể thấy, hệ thống tuỳ động có thể xây dựng trên cơ sở hệ thống
điều tốc cài thêm mạch vòng vị trí, mạch vòng vị trí là đặc trưng cấu trúc chủ yếu
của hệ thống tuỳ động. Vì vậy hệ thống tuỳ động thường phức tạp hơn hệ thống
điều tốc.

Th¸i Nguyªn, 10/27/15


11


1.1.3. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí

Hình 1.2: Cấu trúc điển hình của hệ tùy động kiểu mô phỏng

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

12


1.1.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí
Hệ thống tuỳ động điều khiển góc pha kiểu số:
Bàn máy

Số liệu
cho trước

D
A

Bộ
Nhận diện
pha

Bộ
Điều khiển
tốc độ


Động cơ
chấp hành

Đo vị trí
(Thiết bị đồng bộ cảm ứng)

Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống tùy động điều khiển góc pha

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

13


1.1.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí
Hệ thống tuỳ động điều khiển xung số:
Bàn máy

Số liệu
cho trước

D*

Bộ
Thuật toán
đảo chiều

D
A

Bộ

Điều khiển
tốc độ

Động cơ
chấp hành

D
Đo kiểm vị trí
(Thiết bị quang trở)

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tùy động điều khiển xung số

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

14


1.1.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí
Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số:
Bàn máy

Số liệu
cho trước

D*

Bộ
Thuật toán
đảo chiều


D
A

Bộ
Điều khiển
tốc độ

Động cơ
chấp hành

D
Đo kiểm vị trí
(Đĩa mã quang điện)

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển mã số

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

15


1.2 ĐO KIỂM TÍN HIỆU VỊ TRÍ
1.2.1. Sensin (SS)
Cuộn dây
stator

Cuộn dây
rotor

Sensin là một bộ cảm biến chuyển vị góc S,

trong hệ thống tuỳ động thường dùng theo
từng cặp đối nhau. Sensin có rotor nối với bộ
phận điều khiển thì được gọi là sensin phát
(máy phát tin), còn sensin có rotor nối với
trục cơ cấu chấp hành thì có tên là sensin thu
(máy phát tin).

Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo sensin

Sensin một pha: Gồm một cuộn dây kích từ một pha và một bộ cuộn dây chỉnh bước, cuộn
dây kích từ lắp đặt trên rotor, cực từ kích thích thường làm thành dạng cực ẩn, như vậy có
thể làm cho trở kháng đầu vào không thay đổi theo vị trí của rotor, cuộn dây chỉnh bước là
cuộn dây 3 pha, thường được quấn rải, bố trí trên stator, lệch pha nhau 120 o, đấu theo kiểu
Y.
Th¸i Nguyªn, 10/27/15

16


1.2.1. Sensin (SS)

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý nối sensin kiểu điều khiển

Hình 1.8: Vị trí góc của máy tự chỉnh góc

uss = Ussm sin(ωt - ϕ + 900) cos(θ1 -θ2 )

(6.1)

uss = Ussm sin∆θ sin(ωt - ϕ + 900)


(6.2)

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

17


1.2.2. Bộ biến áp quay (Br)
Ubr
θ
R1
U2
R2

S2

S1
U1

Hình 1.9: Bộ biến áp quay

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

18


1.2.2. Bộ biến áp quay (Br)

ubr(t) = m[u1(t)cosθ + u2(t)sinθ] = mUm cos(ωot +θ)


(6.3)

Ubrm = kUfm cos(∆θ - 90o) = kUfm sin∆θ

(6.4)

Hình 1.10: Thiết bị đo kiểm sai số góc do biến áp quay tạo thành
Th¸i Nguyªn, 10/27/15

19


1.2.3. Bộ đồng bộ cảm ứng (BIS)

Hình 1.11: Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu đường thẳng

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

20


1.2.4. Đĩa mã quang điện

1.2.4.1. Đĩa mã kiểu gia số

Hình 6.12: Nguyên lý làm việc đĩa mã quang kiểu gia số
a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị lượng ra
Th¸i Nguyªn, 10/27/15


21


1.2.4. Đĩa mã quang điện

1.2.4.2. Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối

Hình 1.13: Đĩa mã quang điện trị tuyết đối
a) Đĩa mã chế độ nhị phân
b) Đĩa mã chế độ tuần hoàn
Th¸i Nguyªn, 10/27/15

22


1.2.4. Đĩa mã quang điện

1.2.4.2. Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối

Bảng 1.1: Bảng đối chiếu vị trí trục đĩa mã quang điện và mã số
Th¸i Nguyªn, 10/27/15

23


1.3 HỆ THỐNG TUỲ ĐỘNG VỊ TRÍ SENSIN VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ
1.3.1. Cấu tạo và mô hình toán học của hệ thống tuỳ động vị trí sensin

1.3.1.1. Sensin


Hình 1.14: Hệ thống tuỳ động vị trí sensin

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

24


1.3.1.1. Sensin

a) Quan hệ giữa biên độ điện áp đầu ra với ∆θm;

b) Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của sensin

Hình 1.15: Khâu đo kiểm sai số góc bằng sensin

Th¸i Nguyªn, 10/27/15

25