Chương 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1. Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều
Động cơ điện là thiết bị biến đổi năng lượng điện năng thành năng lượng cơ năng
dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Chính vì nhiệm vụ này của động cơ điện mà
chúng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền động điện công nghiệp hay
điều khiển robot…Trong công nghiệp, hầu hết các dây truyền băng tải là sử dụng
động cơ điện một chiều (DC motor), hay trong các cơ cấu máy nâng hạ, thang
máy.Trong ngành chế tạo robot, động cơ điện một chiều tham gia vận hành các
khớp cánh tay robot, thực hiện các dạng chuyển động phức tạp thông qua những cơ
cấu truyền động khác nhau như nâng, gắp vật, khoan, gạt,
…
Hình 1.1. Băng chuyền,
cánh tay robot, máy khoan
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy được
dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ
như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…
Động cơ điện một chiều gồm nhiều loại khác nhau được phân loại theo phương
pháp kích từ:
• Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (I
ư
= I)
• Động cơ điện một chiều kích từ song song (I = I
ư
+ I
t
)
• Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (I = I
ư
= I
t
)

+ Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi thép và dây quấn
kích từ lồng ngoài lõi thép cực từ, dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho
các cực từ tạo ra có cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau (N-S-N-S).
Cực từ chính làm bằng những lá thép kĩ thuật điện ép lại, tán chặt và gắn vào vỏ
máy nhờ các bulong.
+ Cực từ phụ: đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi
thép cực từ phụ thường làm bằng thép khối và gắn vào vỏ máy nhờ các bulong.
+ Gông từ: dùng làm mạch từ, nối liền giữa các cực từ đồng thời dùng làm
vỏ máy. Trong máy điện nhỏ thường làm bằng thép tấm uốn rồi hàn lại, trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc.
+ Các bộ phận khác gồm có nắp máy và cơ cấu chổi than. Cơ cấu chổi than
để đưa điện từ phần quay ra ngoài gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ
có lò xo ép chổi nên chổi than ép chặt lên cổ góp.
3
Rotor của máy điện một chiều gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và
trục máy.
+ Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng tôn Silic dầy
0,5mm có phủ một lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao do dòng điện
xoáy Phucô gây lên. Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các
rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào. Lõi sắt là hình trụ tròn và được ép cứng vào với
trục tạo thành một khối thống nhất. Trong các máy điện công suất trung bình trở
lên người ta thường dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát
cuộn dây và mạch từ.
+ Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua.
Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động cơ có công suất
vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật. Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh
Rotor người ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm này nằm
trong rãnh đặt các cạnh dây quấn để tránh cho dây không bị văng ra ngoài khi dây
chịu lực điện từ tác động.
+ Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp

sau đây:
Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U
A
= e
A
+ R
A
i
A
+ L
A
d
A
i
dt
(1.1)
Sức điện động cảm ứng: e
A
= k
e
φ
ω
(1.2)
Trong đó: k
e
là hệ số sức điện động của động cơ
Tốc độ quay:
d
dt
ω

2.1.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều
7
Hình 2.1. Hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Trong đó:
ĐC: Động cơ một chiều U
ư
: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ
I
ư
: Dòng điện phần ứng I
kt
: Dòng điện kích từ
Φ
kt
: Từ thông kích từ CF: Cuộn dây cực từ phụ
CB: Cuộn dây bù MĐT: Mô men điện từ
MC : Mô men cản ω : Tốc độ góc của động cơ
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u
k
nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ
có dòng điện i
k
và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá trị
điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện chạy
qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện
từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:
8
M
c
'


.2
.
'
(2.2)
Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto.
Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp
phần ứng:

u
U R I
k
ω
−
=
Φ
(2.3)
Trong đó R
ư
- điện trở mạch phần ứng của động cơ.
Từ các phương trình (1.1) và (1.3) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động
cơ một chiều khi từ thông không đổi, hình 2.2.
9
ω
Hình 2.2. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi.
2.1.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều
Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình
mô tả sơ đồ thay thế hình 1.5 như sau:
* Mạch kích từ, có hai biến dòng điện kích từ i
k

1
/1
pEppNpU
pT
R
N
u
u
−Φ±
+
trong đó L
ư
- điện cảm mạch phần ứng;
N
N
- số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;
T
ư
= L
ư
/R
ư
- hằng số thời gian mạch phần ứng.
* Phương trình hệ điện cơ (phương trình chuyển động của hệ thống):
M(p) – M
c
(p) = Jpω (2.6)
trong đó J là mômen quán tính của các phần tử chuyển động quy đổi về trục động
cơ.
Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

ω
∆
=
∆
(2.8)
Tại điểm làm việc xác lập ta có: điện áp phần ứng U
0
, dòng điện phần ứng I
0
, tốc
độ quay ω
B
, điện áp kích từ U
k0
, từ thông Φ
0
, dòng điện kích từ I
k0
và mômen tải
12
M
CB
. Biến thiên nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là: ∆U(p), ∆I(p), ∆ω(p),
∆U
k
(p), ∆I
k
(p), ∆Φ(p) và ∆M
C
(p).

+ ∆I
k
(p)] + pL
k
[I
k0
+ ∆I
k
(p)] (2.10)
- Phương trình chuyển động cơ học:
K[Φ
0
+ ∆Φ(p)] . [I
0
+ ∆I(p)] - [M
B
+ ∆M
C
(p)] = J
p
p [ω
B
+ ∆ω(p)] (2.11)
Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được
các phương trình của gia số như sau:
∆U(p) = R
ư
∆I(p) + pL
ư
∆I(p) + KΦ

trong chế độ quá độ.
a) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với Φ = const.
Khi dòng điện từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam
châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
KΦ = const = C
u
Khi đó, - Phương trình mạch phần ứng có dạng:
U(p) = R
u
I(p)(1+pT
u
) + C
u
.ω(p) (2.15)
- Phương trình hệ điện cơ có dạng:
C
u
I(p) – M
c
(p) = Jpω(p) (2.16)
14
∆M
c
∆I
K
∆I
∆U
pT
R
u

b) Động cơ kích từ độc lập trong chế độ quá độ với điện áp phần ứng không đổi
Khi giữ điện áp phần ứng không đổi và điều chỉnh điện áp kích từ thì do tính chất
phi tuyến của mạch từ nên tốt nhất là sử dụng sơ đồ tuyến tính hoá quanh điểm làm
việc. Sơ đồ cấu trúc này được thể hiện trên hình 2.5, trong đó tín hiệu điện áp phần
ứng ∆U(p) = 0.
Phương pháp này có ưu điểm là: bộ chỉnh lưu có điều khiển trong mạch kích từ
nhỏ gọn hơn, rẻ tiền hơn, với công suất nhỏ hơn dẫn đến kích thước và trọng lượng
nhỏ hơn.
Tuy nhiên nó có những nhược điểm cơ bản đó là:
- Đụng chạm đến tính phi tuyến của động cơ.
- Số vòng dây của cuộn kích từ lớn hơn do đó hằng sô thời gian mạch kích từ
lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng (T
k
>>T
u
) dẫn đến thời gian quá độ của
hệ kéo dài.
15
u
u
pT
R
+
1
/1
φ
.K
Jp
1
φ

pT pT
T
W m
α
π
∂

=

+ + ∂



=


Trong đó:
T
v0
: kể tới sự không đồng thời của tín hiệu điều khiển với góc mở của tiristor
T
đk
: Hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu.
K
c
:hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu
2,Hàm truyền phần ứng động cơ:
1
1
u

ư
-Bỏ qua E
ư
khi T
c
>>T
ư
Sơ đồ cấu trúc :
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện khi bỏ qua E
ư
-Coi quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và điện áp ra là tuyến tính
bd
u
K const
α
∂
= =
∂
Hàm truyền hở của mạch vòng

(1 )(1 )(1 )(1 )
bd i
op
dk vo o o u
K K
S
pT pT pT pT R
=
+ + + +
17

ω
R
R
I
S
o1
*
ω
I
I
*
S
o2
Sensor
ω
BBĐ
Ta có T
dk
,T
vo
,T
i
<< T
u
Đặt T
s
= T
dk
+ T
vo

(1-F
mc
)
2
2
1/ (1 2 2 )
/ (1 )(1 ) 1 1/ (1 2 2 )
i
bd i u s u
p p
R
K K R pT pT p p
δ δ
δ δ
τ τ
τ τ
+ +
=
 
+ + − + +
 
1
/ (1 )(1 )*2 (1 )
bd i u s u
K K R pT pT p
δ δ
τ τ
=
+ + +
Chọn

tiếp của E
ư
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện đơn giản hóa
19
R
I
)1).(1(
0vdk
bd
pTpT
K
++
)1(
1
uu
pTR
+
i
i
pT
K
+
1
U
I
*
φ
K
Jp
1

I
*
i
U
ω
Ta có
2
( )
u
c
JR
T
k
=
Φ
Hàm truyền hệ hở
2
(1 )(1 )(1 )(1 )
bd i c
o
dk vo i c c u u
K K T p
S
pT pT pT pT p T T R
=
+ + + + +
T
c
> T
u

++
1 2
(1 )(1 )(1 )
bd i c
o
s u
K K T
S
pT pT pT R
=
+ + +
Ta phải khử T
1
, T
2
Theo tiêu chuẩn tối ưu modul để tổng hợp bộ điều khiển
Ta có hàm truyền của tiêu chuẩn tối ưu modul
2 2
1
1 2 2
mc
F
p p
δ δ
τ τ
=
+ +
Ta có :
1
*2 (1 )

cl si
si dk vo b b
si cl
K pT
T T T W W
pT K
+
= + = => =
+
2.2.4. Thiết kế R
i
trong mạch vòng dòng điện gián đoạn
21
R
I
( )
1
2
u u
Si Si
R pT
T K
+
)1).(1(
uSi
Si
pTpT
K
++
U

E
ư
-M
c
W
b
ω
R
I
*
pT
K
Si
CL
'
1
+
(1 )
c
u c
T p
R T p
+
U
id
I
I
d
U
đk

si
= T’
si
+T
i
T
c
>> T
u
>> T
si
=>
1 1
1
c c
pT pT
≈
+
=>
1
( )
(1 ) 1
cl i
si dk
u si si
K K
K U
R pT pT
=
+ +

I
PI
Logic
U
i
U
dk
U
id
+Thay đổi cấu trúc
+Thay đổi hệ số khuyếch đại
• Thay đổi cấu trúc
- Mạch tích hợp
Hình 2.13. Mạch tích hợp điều khiển dòng điện thích nghi
Thuyết minh :
+ Khi U
0

≠
0
L=1 => R
T
=
∞
=> tụ tham gia vào mạch
 F
1
= R
1
/R

*Xét hệ số khuyếch đại
Hình 2.14. Mô tả gần đúng quá trình hoạt động bộ điều chỉnh dòng thích nghi
3 1 3 2
1 1
1
0 0
( )2
( )
tb
T T T R
T T R
U U U U
T R T R T
−
−
= + ∆ + ∆
Thay T – T
1
= T
2
bỏ qua T
3
1 2 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1
0 0 0 0 0 0 0
2 ( ) 2 2
tb
T R T T R R T R R T R R R T
U U U U U
R T R T R T R R T R R T
   

đm
= 220 V
- Dòng điện định mức: I
đm
= 24.3 A
- Tốc độ định mức: n
đm
= 3000 v/p
- Điện cảm phần ứng: L
ư
= 0.0172 H
- Điện trở dây quấn phần ứng: R
ư
= 0.376 Ω
- Mômen quán tính: J = 0.105 kg.m
2
* Chọn các thông số của các bộ biến đổi, sensor dòng điện
25
T
1
/TGĐ LT
R
1
/R
0
2R
2
/R
0