Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
Lời nói đầu
Chương 1 : Tổng quan về động cơ một chiều
1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
1.2. Các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập
* Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng
* Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ
Chương 2 : Tổng quan về bộ biến đổi xung áp
2.1. Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp
* Bộ biến đổi xung áp nối tiếp ( xung áp giảm áp )
* Bộ biến đổi xung áp song song ( xung áp tăng áp )
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
* Lựa chọn bộ biến đổi
2.2. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp
* Phương pháp thay đổi độ rộng xung
* Phương pháp thay đổi tần số băm xung
* Lựa chọn phương pháp điều khiển
Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển
3.1. Sơ đồ mạch động lực
3.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
1
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
* Khâu tạo điện áp tam giác
* Khâu so sánh tạo xung điều khiển van
* Khâu tạo xung chùm
* Khâu khuếch đại xung chùm
* Biến áp xung
3.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay
máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất
của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản
thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì
4
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động
cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc
mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng 75%
÷85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% ÷ 94% .Công
suấtlớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào
khoảngvài trăm cho đến 1000v. Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu,
nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó
là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của
mình trongphạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập
tới vấn đề thiết kế bộ băm xung một chiều để điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của
động cơ một chiều kích từ độc lập theo nguyên tắc đối xứng . Đây là một trong
những phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay để điều chỉnh động cơ điện
một chiều kích từ độc lập với yêu cầu đảo chiều quay động cơ theo phương pháp
đối xứng .Đây là một phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao và được sử dụng
rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm nổi bật
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
5
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều
Động cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng
(phần quay).

Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái
(hình 1.4a).
Hình 1.4 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau
(hình 1.4b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến
đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác
dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.
Chế độ làm việc định mức của máy điện nói chung và của động cơ điện một
chiều nói riêng là chế độ làm việc trong những điều kiện mà nhà chế tạo quy định.
Chế độ đó được đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy gọi là những
đại lượng định mức.
1. Công suất định mức P
đm
(kW hay W).
2. Điện áp định mức U
đm
(V).
3. Dòng điện định mức I
đm
(A).
4. Tốc độ định mức n
đm
(vòng/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dòng điện kích từ…
8
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab

• Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ (T-Đ)
• Hệ truyền động xung áp-động cơ (XA-Đ)
Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động
cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự
động) và loại điều khiển theo mạch hở (hệ truyền động điều khiển hở). Hệ điều
chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều
chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động hở. Ngoài ra các hệ
truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều còn được phân loại theo
truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào
các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần
tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư.
• Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn
như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển vv
10
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một
chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk.
§BB§
L k
U
®k
R
b
R
u®
I
E
u

M
U
dk
−= )(
0
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng
không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều
khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.
Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống
bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ
11
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị
giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mô men khởi động. Khi mô men tải là
định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:
β
ωω
dm
M
−=
max0max
(II-2-2)
β
ωω
dm
M
−=
min0min
Để thoả mãn khả khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh

dm
dm
M
dm
K
M
M
K
M
D
βω
β
β
ω
(II-2-3)
12
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
W
o max
W
max
W
min
W
o min
W
®k1
W
®k1

cách khác , nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không
vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ
hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở
đặc tính cơ thấp nhất là:
minmin
minmin
oo
o
s
ω
ω
ω
ωω
∆
=
−
=
cp
o
dm
s
M
s ≤=
min
ωβ
(II-2-4)
Vì các giá trị Mdm, ωmin, Scp la xác định nên có thể tính được giá trị tối
thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để
làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ thống truyền động
điện kiểu vòng kín.

ω
ω
®m
ω
Μ
η
u
1
1
x
=
0
x
=
-
1
Μ
®m
Hình II-3 Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại
tải khác nhau
Hình II-3 mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường
hợp đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
là rất thích hợp trong trường hợp mô men tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh.
Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy
sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ.
• Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ:
15
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
Điều chỉnh từ thông kích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men

thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết qủa là mô men cho
phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần
ứng thì độ cứng đặc tính cơ cững giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:
16
Thit k h thng iu khin tc cho ng c in mt chiu v mụ
phng trờn phn mm Matlab
( )
u
R
K
2

=


hay
( )
2
**


=
U
đk

r
bk
L
k
i

c,
Hỡnh II-4 S thay th (a) c tớnh iu chnh khi iu chnh t thụng
ng c (b) Quan h ?(ikt),(c)
Do iu chnh tc bng cỏch gim t thụng nờn i vi cỏc ng c m
t thụng nh mc nm ch tip giỏp gia vựng tuyn tớnh v vựng bo ho ca
c tớnh t hoỏ thỡ cú th coi vic iu chnh l tuyn tớnh v hng s C ph thuc
vo thụng s kt cu ca mỏy in:
Kt lun
Phng phỏp iu chnh tc bng cỏch thay i t thụng cú nhiu hn
ch
17
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
so với phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phương pháp thay đổi từ thông
bị
hạn chế bởi các điều kiện cơ khí: đó chính là điều kiện chuyển mạch của cổ góp
điện. Cụ thể phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như
sau :
1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để)
hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất
điều khiển nhỏ.
2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen
ngắn mạch giảm, dòng ngán mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi
động động cơ.
3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều
chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải
có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu đIểm
của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
18

và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
* Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
Sơ đồ nguyên lý:
20
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
Tải là động cơ mmột chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E. L1 chỉ
đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc.
Nguyên lý hoạt động :
+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U → S → L1 → -U. Năng lượng tích
luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải.
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng
⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; ud sẽ ngược chiều
với U.
Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với U. Giá trị tuyệt đối |Ud| có thể lớn hơn
hay nhỏ hơn U nguồn.
* Bộ băm xung một chiều có đảo chiều
21
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
Ở đây ta sử dụn van bán dẫn IGBT Bộ BXM dùng van điều khiển hoàn toàn IGBT
có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải
Trong các hệ trngruyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó
bộ biến đổi này tthường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ
độc lập có nhu cầu đảo chiều quay.
Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm .Các Điôt Đ1,Đ2,Đ3,Đ4
dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh.
Có các phhương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập, điều khiển
không đối xứng và điều khiển đối xứng
* Lựa chọn bộ biến đổi

- Thay đổi độ rộng xung.
- Thay đổi tần số băm xung.
* Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T. Giá trị
trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
1
.
.
d
t U
U U
T
γ
= =
Trong đó đặt :
1
t
T
γ
=
là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng(0 < ε ≤
1).
* Phương pháp thay đổi tần số băm xung
24
Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều và mô
phỏng trên phần mềm Matlab
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const. Khi đó:
1
1