MỤC LỤC
Trang

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong các
ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ
điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công
nghiệp cơ khí, các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện
ngầm, và các cánh tay robot; để thực hiện các nhiệm vụ trong công
nghiệp hiện đại với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây truyền sản
xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ.
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản
và bền vững nên các bộ điều khiển PID được dùng phổ biến trong các
hệ điều khiển công nghiệp.Mục tiêu điều khiển là nâng cao chất lượng
các hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều
đối tượng điều khiển khác nhau với các yêu cầu và đặc tính phức tạp
khác nhau do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương
pháp điều khiển cho hệ truyền động ngày càng đạt được chất lượng
điều chỉnh cao, mức chi phí thấp và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp
ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây truyền
sản xuất.
Trong học kì này em đã nhận được đề tài:” Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
động cơ một chiều kích từ độc lập với mạch động lực sử dụng bộ băm xung
khi không cần đảo chiều quay’.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến
Lương trong quá trình là đồ án môn học với đề tài trên. Mặc dù đã cố gắng
1


nhưng cũng không tránh khỏi những sai xót nhất định, em mong được sự góp ý,
chỉ bảo thêm của thầy, cô.


+ Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong các
rảnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín. Phần tử của dây
quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai
phiến góp của phiến góp. Hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh
dưới hai cực từ khác tên.
+ Cổ góp (vành góp): gồm nhiều phiến đồng được ghép với nhau thành
-

1.1.2.

một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy.
Chổi than: Máy có bao nhiêu cực thì có bấy nhiêu chổi than. Các chổi
than cùng cực tính được nối với nhau để có một cực âm dương duy nhất
Các bộ phận khác: cánh quạt, trục máy.
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng
có dòng điện. các thanh dẫn trên roto mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ
chịu tác dụng lực tương hỗ lên nhau tạo lên mô men tác dụng lên roto, làm quay
roto. Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái.

Hình1.2: Mô tả nguyên lí làm việc của động cơ một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn đối diện đổi chỗ cho nhau,
nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành
dòng xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không
3


i, do ú lc tỏc dng lờn roto cng theo mt chiu xỏc nh, m bo ng c


U u = E u + ( Ru + R f ).I u

(1.1)

trong ú:
uu : điện áp phần ứng
eu : suất điện động phần ứng
ru : điện trở mạch phần ứng
rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng

Ru = ru + rcf + rb + rct

(1.2)

ru : điện trở cuộn dây phần ứng
rcf :

điện trở cực từ phụ

rb : điện trỏ cuộn bù
rct : điện trở tiếp xúc chổi điện
Sut in ng ca phn ng c xỏc inh theo biu thc sau :

Eu = K .. =

p.N

2. .a


U u Ru + R f
−
Iu
Kφ
Kφ

(1.4)
Nếu bỏ qua các tổn thất năng lượng bên trong động cơ thì khi đó Mđt=Mcơ=M và
phương trình đặc tính cơ của động cơ là:

ω=

U u Ru + R f
−
M
Kφ
( Kφ ) 2

(1.5)
Từ các phương trình trên mối quan hệ ω=f(M) và ω=f(I) được biểu diển như hình
sau:

Hình 1.6: Dạng đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ một chiều
1.2.CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC
LẬP
a. Chế độ xác lập của động cơ một chiều
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có
dòng điện ik 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 I chạy qua.


tả sơ đồ thay thế hình 1.3 như sau:
Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông máy φ là phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hóa của lõi sắt:
Uk(p)=RkIk(p) + Nk.P.φ(p)

(1.9)

Trong đó Nk – số vòng dây cuộn kích từ
Rk – điện trở cuộn dây kích từ.
Mạch phần ứng:
U(p)= Rư.I(p) + Lư.p.I(p) NN.p.φ(p) + E(p)

(1.10)

Hoặc dòng điện:
I(p) =[ U(p) NN.p.φ(p) - E(p)]

(1.11)

Trong đó: Lư là điện cảm mạch phần ứng
NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp
7


Tư –Lư/Rư – hằng số thời gian mạch phần ứng
Phương trình chuyển động của hệ thống:
M(p) –Mc(p) = Jpω

(1.12)


càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ω max / ωmin càng nhỏ. Phương pháp này có thể
điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 +) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh
tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn
giản.
1.3.2. Phương pháp thay đổi từ thông φ
- Nguyên lý điều khiển:
Giả thiết U= Uđm, Rư = const. Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi
dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp
biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa ( ω=
) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có

max

thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng
trên tốc độ định mức. Nên khi giảm φ thì tốc độ không tải lý tưởng ω tăng, còn
độ cứng đặc tính cơ β giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự
nhiên:

9


Hình 1.9: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi từ thông
- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng
vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho
dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì
ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ
- Đặc điểm của phương pháp:
+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức,

(1.15)
(1.16)
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

11


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 cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và
từ 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 mômen khởi động. Khi mômen tải
là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:
(1.17)

(1.18)
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm .Trong đó KM là hệ số quá tải về
mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định
nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết:

(1.19)

Hình 1.16: Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp

12




13


-

Hình 1.17: Nguyên lí băm xung một chiều
Giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:

Ut =

t
1 to
Edt = o E = γ .E
∫
T 0
T

Trong đó:
to – thời gian van Tr dẫn
γ – tham số điều chỉnh
T- chu kì đóng cắt của van
Biểu thức cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số
γ , việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách băm điện áp một chiều E thành các xung
điện áp ở đầu ra nên thiết bị này gọi là băm xung một chiều.
a, Bộ biến đổi xung áp giảm áp

Hình 1.18: sơ đồ nguyên lí bộ biến đổi xung áp giảm áp
Nguyên lí hoạt động:
Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S( van bán dẫn điều khiển được)

-

được tích điện trước đó)
S ngắt. dòng chảy từ +U qua L, qua D, ra tải vì từ thông tỏng L không
giảm tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm có
cùng cực tính với U, do đó tổng điện áp U d=U +eL. Vậy ta có bộ biến đổi
tăng áp.

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và
năng lượng truyền ra dưới dạng xung nhọn
c, Bộ biến đổi xung áp tăng áp- giảm áp
15


Hình 1.20: Bộ biến đổi xung áp tăng - giảm áp
Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương R- L –E . L1 chỉ
đóng vai trò tích lũy năng lượng. C đóng vai trò lọc.
Nguyên lí:
-

S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U qua S qua L1 về -U , năng lượng

-

tích lũy trong cuộn cảm L1, diot D tắt, Ud=Uc, tụ C phóng điện qua tải.
S ngắt, Cuộn cảm L1 sinh ra sdd ngược chiều với trường hợp đóng, D
thông, năng lượng từ trường nạp vào C, C tíc 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

16.10−3

trong đó β là hệ số khuếch đại dòng của bong T2

Khâu khuếch đại xung dùng Driver M57957L có cách li quang điện trở
R15 hạn chế dòng qua LED ở mức diot phát quang có giá trị:

R15 =

E
I LED

=

15
3
=
0,93.10
= 930Ω
−3
16.10

Chọn R15=1k Ω
17


Chương 2
BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
ĐỘC LẬP
2.1. ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC HỆ THỐNG

nhiều trục, chương trình điều khiển được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ…
thường gặp các hệ điều khiển theo chương trình trong trung tâm gia công
cắt gọt kim loại, hoạt động của ro bốt trong sản xuất.

2.2. CÁC THÀNH PHẦN TRONG CẤU TRÚC
2.2.1.Bộ biến đổi (BBĐ)
Dùng bộ biến đổi xung áp một chiều không đảo chiều, nội dung về bộ biến đổi
xung áp một chiều không đảo chiều được nêu ở mục 1.4 chương 1.
2.2.2. Các bộ điều chỉnh Ri, Rω
Là các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ được tổng hợp trong các
mạch vòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng điều chỉnh tốc độ trong mục 2.2.1
và 2.2.2.
2.2.3. Phần tử hạn chế dòng HCD
Đóng vai trò làm phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ, phần tử hạn
chế dòng thường dùng bằng điện trở.
2.2.4. Các sensor phản hồi Si, Sω
Là các cảm biến để đo các đại lượng dòng điện, tốc độ đóng vai trò khâu phản
hồi
a.Sensor dòng điện Si
Đóng vai trò là khâu phản hồi dòng điện, để lấy tín hiệu dòng điện quay trở
lại đầu vào hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tín hiệu dòng
điện.Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện
Yêu cầu đặt ra cho các bộ đo dòng điện một chiều, là ngoài việc đảm bảo về
độ chính xác, còn phải đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.
Người ta thường dùng phương pháp biến điệu để truyền tín hiệu một chiều từ
sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng biến áp hoặc phần tử quang điện.
19


Hình 2.2:Mạch nguyên lý đo dòng điện 1 chiều

cơ.
Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều là điện áp ,một chiều có chứa ít thành
phần xoay chiều là tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về
giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo. Điện áp một chiều phát ra không phụ
thuộc vào tải, vào nhiệt độ.

Hình2.3: Sơ đồ đo tốc độ dùng máy phát tốc
Khi từ thông máy phát tốc không đổi, điện áp đầu ra phát tốc :

U ra = Kω .ω − IR up − ∆U CT
Nếu chọn điện trở đủ lớn, gần đúng ta có:

Uω = Kω .ω
Hàm truyền của máy phát tốc :
WFT ( p) =

Kω
1 + Tω p

(2.2)
Trong đó :

Tω - hằng số thời gian của máy phát tốc
Kω

- hệ số phản hồi của máy phát tốc
21


2.2.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Tu =

Lu
Ru là hằng số điện từ của động cơ

Ti =R.C Hằng số thời gian của cảm biến( sensor) dòng điện
Bỏ qua sự ảnh hưởng của suất điện động ta có:

Hình2.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua E
Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động thì ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn sau:

Hình2.5: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
Trong đó Si là mô hình đối tượng của bộ điều khiển dòng
23


SI =

1/ Ru
kb d
I ( p)
kI
=
.
.
U (p) 1 + Tu . p (1 + Tbd .p)(1 + Tv . p) 1 + TI . p

(2.3)

TSI=TSI+ Tv+Tk
1 + pTu
Ru
1
=
.(Tu + )
2 p.K I .K CL .TSI / Ru
2.K CL K I .TSI
p

(2.8)

Kết quả khi tổng hợp vòng bằng phương pháp tối ưu:
FI ( p ) =

1 / KI
1/ KI
≈
2
2
1 + 2TSI . p + 2TSI . p
1 + 2TSI .P

(2.9)

2.2.6. Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ
Trong cấu trúc điều khiển tốc độ người ta thường dùng cấu trúc nối tầng với
vòng trong là vòng điều khiển dòng, vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ. Tuy
nhiên trong những trường hợp cấu trúc nhỏ và điều khiển tốc độ có yêu cầu chất
lượng không cao thì người ta có thể bỏ qua mạch vòng dòng điện.


.
K I Kφ TC p (2 T ' s p + 1)

(2.12)

Theo tiêu chuẩn tối ưu modul , có thể xác định được hàm truyền của bộ điều
chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ:

Rω (p) =

K I KφTc
1
.
= K p'
Ru Kω 2Ts' .a2

(2.13)

Trong đó thường lấy a2 =2

Kp =

R3
R1

Kω = Kω ' .

R1
R2