Lời nói đầu
Trong những năm gần đây việc sản xuất hàng hoá phục vụ nhu cầu
trong đời sống sinh hoạt cũng như công trong nghiệp đã có những bước
tiến rất lớn. Đó là những dấu Ên về sự phát triển của mọi ngành trong khoa
học kỹ thuật nói chung trong đó ngành điện, điện tử đã có những phát triển
một cách rất đáng kể.
Việc ra đời của những mạch tổ hợp có lớn, cực lớn với khả năng lập
trình kỹ thuật điện tử.
Những dây chuyển sản xuất tự động làm việc nhịp nhàng và chính
xác trong đó phải kể đến sự linh động, hợp lý và chính xác của sự chuyển
động mà chủ yếu là kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại kết quả đầy
tính ưu việt. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với
máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập và xử lý với tốc độ cao đã
xử lý các kết quả đo để tìm ra phương án có điều khiển tối ưu.
Chuyên đề đo tốc độ và điều khiển động cơ điện là một khâu bắt đầu
của mọi công nghệ sản xuất nó là một khâu đo lường có điều khiển trực
tiếp đến đại lượng cần đo nhằm duy trì hay tác động đến đôí tượng đo để
đáp ứng yêu cầu trong công nghệ đã đặt trước.
Để có được hiểu biết về hệ thống đo lường và điều khiển hệ thống
nói chung đo lường và điều khiển động cơ điện nói riêng em xin được chân
thành cám ơn đến thầy giáo Nguyễn Vũ Sơn, người trực tiếp hướng dẫn và
tập thể các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông và những người
đồng nghiệp trong các công ty mà em đã đến tìm hiểu.
Hà Nội, ngày 25 tháng 6 năm 2002
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ
Trong hệ truyền động điện tự động điều chỉnh nói chung và hệ
truyền động điện cơ kết hợp đo tốc độ và điều chỉnh động cơ điện nói riêng
bao giê cũng có một cấu trúc chung được trình bày như trên hình 1-1.
Hình 1-1. Cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tự động đo lường và điều

- Độ nhạy thích hơp.
- Tiêu thụ năng lượng Ýt.
- Tốc độ xử lý nhanh.
- Dễ tương thích truyền đi xa.
- Độ tin cậy cao.
- Dễ thích nghi với các đại lượng đo.
2. CHỨC NĂNG CỦA ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ
- Tốc độ làm việc của máy sản xuất chính là tốc độ quay của động cơ
điện truyền cho nó vì vậy tốc độ truyền động là đại lượng điều chỉnh chính.
Thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng động và
tĩnh của hệ truyền động. Hiện nay, đo tốc độ động cơ điện người ta thường
dùng các loại cảm biến để biến đổi tốc độ quay của động cơ thành tín hiệu
điện dùa theo định luật cảm ứng điện từ và các cảm biến loại xung và số để
đo tốc độ.
3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ
Theo cách thức đo, quá trình đo ta có thể phân ra 2 phương pháp đó
3-1. Phương pháp đo trực tiếp:
a) Định nghĩa về phép đo trực tiếp:
Đây là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy
nhất. Cách đo này cho ta kết quả ngay giá trị của đại lượng cần đo.
Dụng cụ đo của phép đo này mang tính chuyên dùng, nó được thiết kế
phù hợp với đại lượng cần đo.
b) Sơ đồ khối tổng quát của phép đo trực tiếp:
Hình 3-1: Sơ đồ khối tổng quát của dụng cụ đo trực tiếp.
c) Đo tốc độ quay của một trục quay bằng tốc độ kế cầm tay:
a. Cấu tạo bên ngoài của tốc độ kế:
  
Hình 3-2: Hình dáng bên ngoài của tốc độ kế cầm tay.
b. Nguyên lý cấu tạo của tốc độ kế:
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một thiết bị đo tốc độ vòng quay loại đơn giản.

Vậy đĩa nhôm sẽ dừng lại tại vị trí mà M
đtừ
= M
cản
.
Nhận xét:
- Ưu điểm:
+ Cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ chủ yếu là cơ khí.
+ Không tiêu hao năng lượng.
+ Kết cấu chắc chắn, độ tin cậy cao.
- Nhược điểm:
+ Cấp chính xác thấp.
+ Không lấy ra được tín hiệu để khống chế và điều khiển
Phạm vi ứng dụng.
- Vì thiết bị không tiêu hao năng lượng nên nó rất tiện lợi dùng để
kiểm tra tốc độ của những thiết bị như ôtô, xe máy để báo tốc độ xe chạy
hoặc báo tốc độ quay của máy.
- Mặt khác người ta có thể chế tạo một cách hợp lý kết cấu để làm tốc độ kế
kiểm tra tốc độ quay của những thiết bị đơn lẻ.
3-2.Phương pháp đo gián tiếp
Để khắc phục những hạn chế của phương pháp đo trực tiếp như đã
giới thiệu phần trên. Trong kỹ thuật và nhất là trong lĩnh vực đo lường và
điều khiển tốc độ cho động cơ điện trong hệ thống điều chỉnh truyền động
điện độ chính xác của thiết bị đo lường có ảnh hưởng rất lớn đến chất
lượng điều chỉnh, bởi vì nhiệm vụ của nó là phải phản ánh chính xác trạng
thái làm việc của hệ để từ đó đi đến điêù khiển hệ. Do vậy yêu cầu đối với
các thiết bị đo lường là phải đảm bảo độ chính xác cao trong chế độ động
và chế độ tĩnh, ngoài ra phải đảm bảo không bị nhiễu loạn do bên ngoài tác
động.
a) Định nghĩa phương pháp đo tốc độ gián tiếp

Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là: điện áp một chiều có chứa
Ýt thành phần điện áp xoay chiều tần số cao và phải đảm bảo tỷ lệ với tốc
độ quay của động cơ. Không được trễ nhiều về giá trị cũng như về dấu so
với biến đổi của đại lượng đo. Ngoài ra phải đáp ứng yêu cầu là điện áp
phát ra không phụ thuộc vào tải và biến đổi của nhiệt độ. Để đáp ứng yêu
cầu trên thì về mặt cấu tạo phải làm sao để máy phát một chiều phải có từ
thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc độ ( từ giới hạn min 
max ) vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có
từ trễ hẹp và sử dụng các lá thép kỹ thuật điện mỏng để hạn chế dòng điện
xoáy về cấu tạo được chia làm 2 phần chính.


!
"!!
# 
H×nh 1.1: CÊu t¹o tèc ®é kÕ ®iÖn tõ lo¹i DC
+ Phần cảm ( phần đứng yêu) gọi là Stato được cấu tạo bởi vật liệu
sắt từ như đã nói trên và nó mang 2p cực được hình thành do sự quấn dây
hoặc nam châm vĩnh cửu.
+ Phần quay ( phần ứng ) hay còn gọi là Rôto cũng được cấu tạo từ
các lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Phần ứng được tạo các rãnh song song
với nhau và song song với trục của Rôto.
Trong rãnh có đặt các thanh dẫn số thanh dẫn n = 2K, các đầu dây ra
được nối với các phiến góp tương ứng. Tập hợp các phiến góp được gọi là
cổ góp và trên đó có bố trí một cặp chổi than với lực tỳ thích hợp để lấy
điện ra. Sức điện động thu được có dạng
E = ( W/ 2).n.o = N.n. o
E = .n.φ
0
= N.n.φ

được chia làm P phần bằng nhau, mỗi phần được đánh dấu mang một đặc
tính như lỗ, răng, v v.
Một cảm biến phân tích được đặt đối diện với chi tiết thử nghiệm,
phân tích (đếm) số phần tử đã đánh dấu đi ngay qua, đồng thời tạo ra một
mặt tín hiệu xung tương ứng. Tần số f của tín hiệu xung tạo ra bởi cảm biến
có giá trị :
f = p.N
Trong đó: N là số vòng quay của chi tiết thử nghiệm trong đơn vị
thời gian.
p là số phần tử được đánh dấu trên đĩa.
Việc chọn cảm biến được gấn liền với loại vật liệu làm đĩa quay
cũng như phần tử đánh dấu trên đĩa. Người ta sử dụng tuỳ theo trường hợp,
hoặc một trong những cảm biến do giới hạn hai đầu hoặc một cảm biến
quang.
Ưu điểm của tốc độ kế loại xung là cấu tạo đơn giản, chắc chắn, bảo
quản dễ dàng mặt khác nó không tạo nên tiếng ồn không có nhiễu ký sinh
#$%$
&'%(
)*+,+
H×nh 2.1: Nguyªn t¾c cña tèc ®é
kÕ lo¹i tõ trë thay ®æi
đồng thời việc biến đổi sang tín hiệu số đơn giản. Dùa theo nguyên tắc trên
người ta tạo ra các cảm biến sau:
a) Cảm biến từ trở thay đổi:
- Cấu tạo: (Hình vẽ)
- Nguyên lý hoạt động: Cuộn dây phân tính có lõi sắt từ cho phép
một từ thông đi qua nã. Nam châm tạo ra từ thông và khép mạch qua lõi sắt
của cuộn dây. Cuộn dây được đặt đối diện với đĩa cũng cấu tạo bởi vật liệu
sắt từ ( Hình vẽ ) sù dịch chuyển của đĩa sẽ tạo ra sự gián đoạn của mạch
từ, ( do cấu tạo của đĩa ) từ trở của lõi cuộn dây thay đổi, khi đó cuộn dây

bởi đĩa quay sẽ tạo ra một tín hiệu điện có tần số tỷ lệ với vận tốc quay còn,
biên độ độc lập với vận tốc. Khoảng đo vận tốc phụ thuộc:
+ Mét mặt số lần gián đoạn trên đĩa ( sè phần tử đánh dấu).
+ Mét mặt do băng thông của bộ phận tính và mạch điện đi kèm.
4-2. Khối xử lý tín hiệu:
Thông thường tín hiệu cảm biến thường đã được chuẩn hoá theo một
chuẩn nhưng thực tế nó vẫn chưa thể tương thích với cơ cấu hiển thị. Có
thể tín hiệu ra quá lớn hoặc quá nhỏ về mặt biên độ hoặc về đặc tính nên
nhất thiết phải qua khâu xử lý và chế biên tín hiệu với mục đích là hạn chế,
khuyếch đại hoặc chỉnh sửa sao cho tín hiệu phản ánh trung thực và tuyến
tính với đại lượng cần đo. Bộ phận này bao gồm mạch phân tầm đo, mạch
điều chỉnh tổng trở, mạch khuyếch đại, mạng lọc, mạch chỉnh lưu, mạch
sửa dạng tín hiệu, mạch biến đổi tín hiệu A/D hoặc D/A v v
4-3. Khối chỉ thị kết quả:
Bộ chỉ thị kết quả là giao diện giữa con người và dụng cụ đo, là thiết
bị đưa ra kết quả mà hệ thống đo được, có thể là con số có thể là kim chỉ
lên khắc độ.
Bộ chỉ thị được phân làm hai loại:
4-3-1. Bộ chỉ thị kim:
Bộ chỉ thị kim:
Chính là bộ biến đổi điện cơ, cơ cấu biến đổi điện cơ bao gồm phần
tĩnh và phần quay. Tuỳ theo phương pháp biến đỏi năng lương điện từ
người ta chia thành những cơ cấu sau:
- Cơ cấu từ điện.
- Cơ cấu đo điện từ.
- Cơ cấu đo điện động.
- Cơ cấu đo sắt điện động.
- Cơ cấu đo cảm ứng.
- Cơ cấu đo tĩnh điện.
4-3-2.Bé chỉ thị số:

+415
6789
:!;<:=
+>
5$?4 @!
4
(4
:6
6
7A

:B
6.!
./
>
4?
:A
H×nh 5.1: HÖ thèng ®o l,êng ®iÒu khiÓn d¹ng t,¬ng tù
4?:=
+>
5.2. Hệ thống đo lường dạng số
Hệ thống đo lường điện tử dãy số kết hợp với thiết bị vi xử lý tham
gia vào hệ thống đo lường nhằm mục đích xử lý nhanh tín hiệu đo. khả
năng chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu đo ở dạng tương tự khi truyền đi
xa. Cách ly tốt hơn và dễ thực hiện (phối ghép bằng tín hiệu quang Opso -
Coupler). Đây cũng là hình thức thường sử dụng hiện nay.
Với sự phát triển của máy tính cá nhân (PC), hệ thống đo lường dùng
kỹ thuật số, dùng PC thực hiện tự động hoá hệ thống đo lường ở mức cao
hơn và thuận lợi hơn khi sử dụng. Điều đó cho chóng ta thấy được xu thế
máy tính hoá thiết bị đo lường.

IU CHNH TC NG C
1.TNG QUAN V IU KHIN NG C
ng c in c s dng rt rng rói do cú nhiu u im so vi
nhiu loi ng c khỏc. Hiu sut cao, tỏc ng nhanh, d dng iu khin
v t ng ha, lm vic tin cy, h thng cung cp nng lng tin li v
kinh t. Chớnh vỡ vy m hu ht cỏc mỏy sn xut u c truyn ng
bng ng c in.
Cỏc phn t c bn ca mt h thng truyn ng in bao gm:
(a) ng c in: chc nng bin i in nng thnh c nng quay
cỏc mỏy sn xut.
(b) Mỏy sn xut: l thit b c khớ thc hin chc nng theo cụng
ngh sn xut.
(c) B bin i: Dựng bin i ngun in li thnh ngun in
phự hp vi phng phỏp iu chnh tc ng c.
(d) H thng iu khin v bo v nhm thc hin cỏc chc nng:
4 - M mỏy v hóm mỏy thc hin chc nng hn ch dũng in v
mụmen ca ng c trong gii hn cho phộp vi thi gian ngn nht.
- iu chnh tc ca ng c theo yờu cu ca cụng ngh ũi hi.
- Bo v ng c khi quỏ ti v ngn mch.
Lới
điện
Bộ biến
đổi
Động cơ điện Máy sản xuất
Hệ thống điều
khiển và bảo vệ
Hình 3-1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền động điện.
Trong hệ truyền động cho trong hình trên ta đi xem xét và tìm hiểu
các phương pháp điều khiển tốc độ cho động cơ điện.
Nguyên lý làm việc của tất cả các máy điện quang đều dùa vào hai

với mômen điện từ của động cơ
n = f ( M )
Trong đó: n: là tốc độ quay của động cơ.
M: là mômen điện từ của động cơ.
Từ phương trình:
n =
Mặt khác: M mômen điện từ của động cơ được tính theo công thức:
M = C M = C
M
. φ I
ư

⇒ I
ư
=
⇒ n =
Phương trình:
n =
Là phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều.
Trong đó C
e
, C
M
đều là những hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động
cơ và dây quấn của động cơ.
Vậy việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều có thể thực
hiện được bằng cách thay đổi các thông số sau:
- Điện áp đặt vào động cơ: U
- Điện trở mạch phần ứng của động cơ: R
ư

thay đổi được điện áp.
Trên đây là các phương pháp để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ
quay của động cơ điện. Trên thực tế mọi động cơ điện một chiều đều có
chung một nguyên lý cấu tạo nhưng tuỳ theo cách đấu nối khác nhau mà ta
có những loại động cơ có kích từ khác nhau và mỗi loại lại mang những nét
riêng khác nhau. Ta sẽ xét từng trường hợp cụ thể.
2-2-2.Động cơ điện một chiều kích thích song song hoặc kích thích
độc lập:
Với điều kiện U = const It = const
Khi M hoặc I
ư
thay đổi từ thông φ của động cơ hầu như không đổi
( bá qua phản ứng phần ứng ) khi đó phương trình đặc tính của động cơ có
dạng:
n = n
0
-
Nhìn vào phương trình đặc tính cơ ta thấy đường đặc tính cơ của
động cơ một chiều kích thích song song hoặc độc lập là một đường thẳng
với độ dốc phụ thuộc vào giá trị của Rư.
a) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
φ

Φ

OΦ

Φ

OΦ

0
> n
0đm
Vậy N
0
=
Độ dốc cũng lớn hơn độ dốc khi φ = φ
đm
Có độ nghiêng khác nhau và sẽ giao nhau trên trục hoành tại điểm
ứng với dòng điện phần ứng rất lớn
I
ư
=
theo điều kiện
n = n
0
-
Đường thấp nhất trên hình vẽ 2-1-b là ứng với từ thông φ = φđm
Do điều kiện đảo chiều các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều
chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này trong giới hạn 1:2 hoặc có thể mở
rộng đến 1:5 hoặc 1:8 nhưng cũng phải dùng phương pháp khống chế đặc
biệt do đó công nghệ chế tạo phức tạp giá thành cao.
b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng


!

:$
"
T

iu khin bng phng phỏp ny khụng lm thay i cng ca
tng c tớnh c nhng nú cng khụng cho phộp iu chnh tc > tc
nh mc vỡ: U
ch
U
m
m thụi.
U
m
> U
ch1
> U
ch2
> U
ch3
2-2-3. ng c in mt chiu kớch thớch ni tip


!

Q

Q

Q
R
:$
R
:
R

P
8
Hình 3-7: Sơ đồ nối dây của động cơ
một chiều kích từ nối tiếp
Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có sơ đồ nối dây hình 3-7
dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng I
ư
= I
kt
= I, vì vậy trong
phạm vi khá rộng có thể biểu thị.
φ = Kφ.I
Trong đó Kφ là hằng số tỷ lệ trong phạm vi I < 0,8 Iđm còn khi
I ≥ ( 0,8-0,9).I
đm
hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hoà của mạch từ.
Và như vậy khi mạch từ chưa bão hoà, đường đặc tính cơ của động
cơ một chiều kích thích nối tiếp có dạng là đường Hypecbôn như trên hình
3-8 đường số 1. Ta thấy ở động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp, tốc độ
quay n giảm rất nhanh khi M tăng và đặc biệt là khi mất tải Mc = 0 ⇒ I ≈ 0
tốc độ tăng quá lớn chính vì lý do đó mà không được cho loại động cơ này
làm việc ở những điều kiện có thể xảy ra mất tải như, dùng đai truyền,
tránh trường hợp khi đai bị đứt hoặc trượt dẫn tới tốc độ sẽ tăng quá lớn.
Thông thường hệ thống chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiểu là
P
2
= (0,2 ÷ 0,25)P
đm
Trên thực tế khi tải tăng ảnh hưởng của hiện tượng bão hoà mạch từ
nên tốc độ của động cơ giảm Ýt hơn so với đường đặc tính 1 ( theo đường