1
PHẦN I
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC VÀ
ĐỘNG CƠ BƯỚC
2
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
I. Giới thiệu về động cơ một chiều
1. Khái niệm
Ngày nay, mặc dù điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi. song máy điện
một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ điện một chiều.
Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi cần
momen mở máy lớn hoặc trong yêu cầu điều chỉnh tốc độ và phạm vi rộng.
Trong các thiết bị tự động, các máy điện khuếch đại, các động cơ chấp hành
cũng là máy điện một chiều. Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy trong các
thiết bị ô tô, tàu thủy, máy bay, các máy phát điện một chiều điện áp thấp dùng
trong thiết bị điện hóa, hàn điện với chất lượng cao.
Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu tạo
phức tạp, đắc tiền , kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ. Khi sử dụng
động cơ một chiều cần phải có nguồn một chiều kèm theo.
2. Nguyên lý làm việc
Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần
ứng có dòng điện I
ư
. các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu
lực F
đt
tác động làm cho rô to quay. Chiều lực xác định theo qui tắc bàn tay trái.
Phương trình điện áp:
U = E

a là số đôi cực nhánh song song của cuộn dây.
n là tốc độ quay (vòng / phút).
φ là từ thông kích từ dưới một cực từ (wb).
Mômen điện từ của động cơ:

φ
π
.
.
.2
udt
I
a
PN
M =
Momen điện từ là momen quay, cùng chiều với tốc độ quay n.
3. Điều chỉnh tốc độ
Ta có phương trình: E
ư
= U – R
ư
I
ư
Thay trị số E
ư
= k
E
. φ. n
Ta có phương trình tốc độ:
Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ:

+
-
F1
F2
Ikt
Kích từ song song
φ
.
,
M
u
K
M
I =
M
KK
RR
K
U
n
ME
P
u
E
2

.
,
φ
φ

I
R
U
n
ff
-=
M
KK
R
K
U
n
ME
u
E
2

.
,
f
f
-=
M
R
P
= 0
R
P ≠
0
n

+
Kích từ nối tiếp
-
+
V
Iư
+
-
k
M
=
φ
6
I = I
Ư
= I
kt

Đặc tính cơ: n = f(M)
I
ư
= k
I
.φ
M = k
M
. I
Ư
. φ = k
M

'
.
.
.
−=
M
n
n
P
2
Vùng làm việc
η
n
I
M
n
gh
7
Động cơ làm việc với tốc độ n nhỏ hơn n
gh
.
Khi chưa bão hòa momen quay động cơ tỷ lệ với bình phương dòng
điện, tốc độ giảm theo tải, động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ tải
nặng nề.
7. Đặc tính động cơ điện kích từ hỗn hợp
Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng chiều) làm
tăng từ thông, hoặc nối ngược (từ trường 2 dây quấn ngược nhau) làm giảm từ
thông.
Đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đường 1) sẽ là trung bình
giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ somg song (đường 2) và nối tiếp (đường 3) ở

xác trong việc duy trì tốc độ không cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp, độ tinh điều
chỉnh kém. Khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tốc độ tăng và mement ngắn mạch
giảm, nghĩa là độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém.
Phương pháp này không được khuyến khích thực hiện.
2. Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp
cho phần ứng động cơ.
- Hệ thống máy phát- động cơ.
- Hệ biến đổi van điều khiển (SCR)-động cơ.
- Hệ điều áp van _ từ _ động cơ (khuếch đại từ _ động cơ).
- Hệ điều áp nguồn _ động cơ.
Về các chỉ tiêu kỹ thuật và năng lượng thì phương pháp điều áp xung được
đánh giá tốt.
Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để, nghĩa là có thể điều chỉnh
tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khi không tải lý tưởng. Đặc tính cơ điều
chỉnh đảm bảo được sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và
9
tổn hao năng lượng thấp. Bởi vì đặc tính cơ của phương pháp tuy mềm hơn đặc tính
cơ tự nhiên nhưng cứng hơn khi dùng phương pháp điều chỉnh thông số. Mặt khác
vì phần tử điều chỉnh đặc trong mạch điều khiển của bộ biến đổi là mạch có công
suất nhỏ, nên độ tinh chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện thành
hệ tự động vòng kín.
Nhược điểm: là phải dùng bộ biến đổi phức tạp nên vốn đầu tư cơ bản và vận
hành phí cao. Tuy nhiên với các ưu điểm trên, phương pháp này tạo được năng
suất cao, tổn thất năng lượng ít do đó được sử dụng rộng rãi.
3. Điều chỉnh sơ đồ
- Sơ đồ phân mạch phần ứng.
- Sơ đồ dùng hai động cơ DC liên kết nối cứng với nhau.
- Sơ đồ dùng hai động cơ liên kết nối hở với nhau.
4. Phương pháp điều rộng xung
Điện áp ra bao gồm những xung có bề rộng thay đổi được và biên độ là hằng

Trong đó:
ω
: Tốc độ ứng với tải định mức.
od
ω
: Tốc độ không tải lý tưởng ứng với giá trị đặt.
Vì đặc tính cơ của hệ thống là đường thẳng nên ta có quan hệ:

β
ω
C
M
=∆

od
C
M
S
ωβ
.
% =
(1-2)
Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của đặc tính cơ β, tốc độ đặt khi
không tải lý tưởng ω
od
và phụ tải trên trục động cơ Mc.
Sai số ∆ càng nhỏ nghĩa là độ chính xác càng cao thì hệ càng tốt.
Nói chung các hệ bán tự động có độ chính xác không cao, đa số phương pháp
điều chỉnh thông số có S lớn còn phương pháp điều chỉnh nguồn thì S nhỏ hơn
nhiều.

đmω
max
=
ω
o
-
β
dm
M
(1-4)
11
Với yêu cầu đảm bảo khả năng quá tải khi ta thấy đặc tính thấp nhất phải có
moment ngắn mạch bằng moment tải cực đại (hinh1-1).
dmqtcMAXnm
MKMM ==
Trong đó: K
qt
: Hệ số quá tải do máy gây ra.

Hình 1_1
Từ hình trên ta có thể tính được tốc độ nhỏ nhất ứng với moment tải định
mức.
ω
min
= (K
qt
.M

K
M
K
M
D
β
β
β
ω
ω
ω
(1-6)
Trong đó:
**
0
*
1
.
bu
dm
RR
M
+
==
βω
β
Độ cứng tương đối của đặc tính cơ: β
*
Trường hợp máy sản xuất có yêu cầu cao về độ chính xác duy trì tốc độ thì
phải điều chỉnh D được xác định theo sai số tốc độ cho phép (s

=
cp
S
(1-7)
Vì tốc độ làm việc được xác định tương ứng bởi tải định mức nên:
β
ω
dm
M
=∆
β
ωω
dm
MINMIN
M
+=
0
Thay vào phương trình (1-7)

β
ω
dm
cp
cp
MIN
M
S
S
.
1−

ω
cp
cp
S
S
D
−
−
=
1
).1(
*
β
(1-9)
3. Hiệu suất
Nếu bỏ qua các đại lượng tổn thất bất biến trong hệ thì phần tổn thất chủ yếu
sẽ nằm trong mạch phần ứng, nên hiệu suất của hệ là:
2
2
1
2
).(
.

.
Φ
+
=
+
==

RM
MPPP
+
=
Φ
+=∆+=
ω
ω
ω
: Công suất đưa vào
Trong đó:
0
*
ω
ω
ω
=
13
DM
M
M
M =
*
2
0
*
*
) (
.
1

Khối điều khiển Bộ biến đổi Động cơ DC
Bộ
Đảo
Chiều
V
i
+
-
14
Hình1_3: Sơ đồ nguyên lý tổng quát.
Bộ biến đổi đảo chiều có nhiệm vụ thay đổi chiều điện áp đặt lên động cơ.
b. Hệ thống kín
Hệ thống kín còn gọi là hệ thống điều khiển tự động, nó thực hiện nguyên tắc
điều khiển có phản hồi, tức là tín hiệu ra được đo lường và phản hồi đến đầu vào bộ
điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển và thông qua bộ biến đổi điều chỉnh lại tốc
độ động cơ tương ứng với giá trị tín hiệu đặt.

Hình1_4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín.
Khi sử dụng hệ thống điều khiển bán tự động thường sai số tốc độ tĩnh tương
đối lớn do đặc tính cơ tự nhiên của động cơ thường gặp đều có độ cứng không đủ
lớn. Đặc biệt là khi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản, độ cứng giảm hoặc tốc độ không
tải lý tưởng giảm. Vì vậy trong thực tế khi điều khiển động cơ người ta thường dùng
hệ kín để giảm sai số tốc độ và mở rộng dải điều chỉnh. Vì sai số tĩnh của tốc độ phụ
thuộc vào độ cứng của động cơ nên biện pháp chủ yếu dùng để ổn định hóa trong hệ
là làm tăng độ cứng đặc tính cơ, muốn vậy thông số điều chỉnh phải thay đổi tự động
theo giá trị phụ tải sao cho đủ khả năng bù trừ lượng sụt tốc do tải gây ra. Do đó
người ta sử dụng các vòng hồi tiếp dòng điện, tốc độ truyền động tự động vòng kín.
• Nguyên lý điều khiển tự động vòng kín
Trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đổi dấu điện áp
cung cấp phần ứng động cơ. Khi đó tốc độ làm việc của động cơ được điều chỉnh

MINMIN
S
ω
ωω
−
=
0
(1-11)
5. Khảo sát hệ điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo vòng kín
Động cơ DC kích từ độc lập được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện,
điều khiển vòng hở không thoả mãn yêu cầu đặt ra về cơ cấu. Vì thế hệ thống đòi
hỏi yêu cầu chính xác cao nghĩa là cần phải thay đổi góc kích trong quá trình biến
đổi tải, nên giải quyết bằng hệ thống điều khiển vòng kín.

Hình 1_6: Sơ đồ điều khiển vòng kín.
Khi moment tải thì tín hiệu đầu vào là:
ω
t
= ω
đ
+ ω
ht
Tín hiệu điều khiển (U
đk
) tăng làm thay đổi góc kích và làm tăng điện áp phần
ứng do đó làm tăng moment động cơ nên sự thay đổi tốc độ được giảm bớt đáng kể
và cứ như thế trong trạng thái quá độ mà giá trị moment động cơ và M
0
cân bằng,
hay nói cách khác là hệ cứng tăng modul độ cứng đặc tính cơ.

sI
.1
)()(
.
1
)(
)()(
)(
−
−
∑
=
−
∑
−
=
(1-12)
T
ư
: Thời hằng của mạch phần ứng.

∑
=
u
u
u
R
I
T
(1-13)

6. Hàm truyền của động cơ kích từ độc lập
Hình 1_7: Sơ đồ tương đương của động cơ
Phương trình cân bằng điện áp

dt
dI
LIREU
u
uu
u
u
+
∑
+=
(1-15)

ω

Φ=
KE
(1-16)
Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ.

ω
.BMM
t
+=
dt
d
JBMM

+=
(1-19)

)( )( sKsE
dmu
ω
Φ=
(1-20)

)( )(.)()( sJssBsMsM
t
ωω
++=
(1-21)

)( )( sKsM
dm
ωφ
=
(1-22)
từ phương trình (1-19) có quan hệ giữa tốc độ và điện áp phần ứng và moment
tải:

)(
)().(1
)(
)(
)().(1
)(
)(

u
Mu
u
TsTsRB
K
BTs
K
TsR
sG
++
∑
Φ
=
+
Φ
+
∑
=
(1-24)

Φ= .)(
1
KsH
(1-25)

).1(
1
)(
2
u

Mu
u
u
TsTsBRK
K
sI
s
++
∑
+Φ
Φ
=
ω
(1-28)
Ta thấy rằng T
u
≤ T
M
nên:
Vậy (1-27) được viết lại là:
).1().1)(.1(
MMu
TsTsTs +≈++
18

M
u
u
u
M

.
)(
.
).1()(
.
)(
)(
ω

(1-28)
Đặt

M
u
u
M
T
BRK
BR
T
∑
+Φ
∑
=
2
1
)(
(1-29)

BRK

M
Mu
Ts
K
TsB
K
sI
s
.1).1()(
)(
2
+
=
+
Φ
=
ω
(1-32)
Với

B
K
K
M
Φ
=
.
2

Hình 1_8: Sơ đồ cấu trúc của hệ kín

12
.1
.1
.
)(
)(
.
)(
)(
)(
)(
M
M
M
M
u
u
u
Ts
Ts
K
K
sU
s
s
sI
sU
sI
+
+

M
M
M
u
u
Ts
Ts
K
sU
sI
+
+
=

Khi phân tích động cơ DC kích từ độc lập có thể phân tích thành hai khối sau:

Hình 1-9: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ DÙNG
TRANSISTOR
1. Các phương pháp đảo chiều quay
Để đảo chiều động cơ có thể thiết kế hệ đảo chiều theo ba phương pháp sau:
a. Đảo chiều dòng kích từ
Phương pháp này dùng một bộ biến đổi đơn trong mạch phần ứng và một bộ
tiếp điển đảo chiều trong mạch kích từ. Phương pháp này đơn giản về mặt thiết bị,
giá thành hạ, thuận tiện trong việc vận hành, bảo quản. Nhưng do quán tính mạch từ
của mạch kích từ lớn nên thời gian đảo chiều của động cơ có thể đến vài giây.
b. Đảo chiều dòng phần ứng bằng một bộ biến đổi đơn và một bộ tiếp
điểm đảo chiều trong mạch phần ứng
Phương pháp này thời gian đảo chiều nhanh hơn phương pháp trên và sơ đồ
tương đối đơn giản. Nhược điểm của nó là phải dùng các tiếp điểm của mạch động

thuận, một tương ứng với điện áp ngược. Tương ứng với hai chiều quay của động
cơ. Việc bố trí hai bộ biến đổi đơn thành bộ biến đổi kép được thực hiện như sau:
Tùy theo giá trị điện áp U
đk
mà xung kích điều khiển cả hai bộ biến đổi thay
đổi. Như vậy một bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia sẽ hoạt
động trong chế độ nghịch lưu.
Ta có:
U
d
= U
d1
– U
d2
U
d
: Điện áp trung bình đặt lên động cơ.
Trong bộ biến đổi kép lý tưởng, điện áp ở đấu ra của mỗi bộ biến đổi bằng
với điện áp trên tải, còn dòng thì có thể chạy qua tải theo chiều phụ thuộc vào khoá
đảo chiều quay của động cơ.
2. Chế độ làm việc
a. Chế độ làm việc xác lập
Khi làm việc trong chế độ xác lập với điện áp điều khiển dương thì vận tốc
không đổi ứng với vận tốc nào đó. Lúc đó trong hai bộ biến đổi có một bộ biến đổi
làm việc tích cực cung cấp dòng cho tải, bộ còn lại trong trạng thái chờ và không có
tác dụng gì đối với tải.
b. Chế độ máy phát
Giả sử khi có một xung kích cho bộ biến đổi với một chuỗi xung có các
khoảng t
on

Có thể điều khiển vị trí bằng các phuong pháp: dùng khâu hiệu chỉnh PID,
dùng logic mờ hay dùng các vòng phản hồi tốc độ.
II. Điều khiển vị trí dùng PID
Phương pháp này rất hay được dùng trong công nghiệp vì nó lấy ưu điểm của
từng khâu P, PI, PD.
1. Dạng liên tục của khâu PID
Cấu trúc của khâu PID gồm có:
Thành phần U
P
(t) là tỷ lệ giữa sai số đầu ra của hệ thống thực với giá trị đặt.
Thành phần U
I
(t) là tích phân theo thời gian của sai số.
Thành phần U
D
(t) là đạo hàm theo thời gian của sai số.
Hàm điều khiển: U
t
(t) = U
0
+ k [e

(t) +
∫
+ ]
'
.)'()'(
1
dt
de

dạng ở một thời điểm khác nhau,với sai số được tính toán ở mỗi khoảng lấy mẫu:
e(kh)=u
c
(kh) - y(kh)
Với h là chu kỳ lấy mẫu.
2. Chức năng cụ thể các thành phần trong PID
Khâu tỉ lệ (P) : Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ được đưa vào hệ thống nhằm
làm giảm sai số xác lập. Nhưng với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây vọt lố và
có thể không chấp nhận được với mạch động lực.
Khâu vi phân tỉ lệ (PD) : đưa vào hệ thống làm giảm độ vọt lố,đáp ứng ra bớt
nhấp nhô và hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh hơn.Hệ có sai số xác lập bằng 0
với đầu vào hàm nấc và là hằng đối với đầu vào hàm dốc.
Khâu tích phân tỉ lệ (PI) : có mặt trong hệ thống làm triệt tiêu sai lệch chuẩn.
Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ(PID) : kết hợp những ưu điểm của khâu PI
và PD ,có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt,khử chậm pha.Sự có mặt của
khâu PID ở vòng hồi tiếp có thể dẫn tới sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị
vọt lố bởi hàm dirac δ(t).
3. Cách tính KI, KP, KD
Theo nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler_Nichols: các hệ số K
I,
K
P,
K
D
được xác
định từ L và T với L và T được xác định từ tiếp tuyến cuả quỹ đạo quá độ của đầu
vào như hình vẽ:
Kp = 1,2.T/L
L
T

Biến đổi
Khuếch đại KĐ có giới hạn Khuếch đại
Vòng dòng điện
Điện áp tỉ lệ dòng điện
Vòng tốc độ
Vòng vị trí
e
V1 V2 V3 V4
V5
ω
m
ϕ
m
25