Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
ĐIỆN 1 CHIỀU
I. Nguyên lý điều khiển động cơ điện 1 chiều.
1. Đặc điểm của Động Cơ một chiều:
Động cơ điện một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ. Dễ thay đổi tốc độ
trong một khoảng khá rộng.
Cấu tạo phức tạp do có chổi quét trên vành bán nguyệt dẫn tới tuổi thọ động cơ
không cao, phải bảo dưỡng định kỳ, dễ phát sinh tia lửa điện nên không làm việc ở
những nơi có khí gas hầm lò, chống cháy nổ.
Công suất của động cơ điện một chiều thường thấp vì có cấu tạo phức tạp. Nếu
cống suất cao thì sẽ cồng kềnh, đắt tiền.
Hiệu suất không cao so với các loại động cơ điện khác.
Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương pháp thay
đổi tốc độ và dễ dàng thay đổi tốc độ, chiều quay nên các động cơ một chiều công suất
nhỏ vẫn thường được sử dụng hiện nay.
Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều khiển tốc độ động cơ
điện một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động) và
loại điều khiển mạch hở. Hệ truyền động điều khiển tự động có cấu trúc phức tạp,
nhưng có chất lượng điều khiển cao và dải điều khiển rộng hơn so với hệ truyền động
hở.
Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều còn phân
loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tùy 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.
2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn
so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ
dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng
điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Từ phương trình tính tốc độ:

1

Φ
−
Φ
=
.
.
. k
RI
k
U
uuu
ω
(1)
Suy ra : để điều chỉnh ω có thể:
- Điều chỉnh U
ư
.
- Điều chỉnh Rư bằng cách thêm R
p
vào mạch phần ứng.
- Điều chỉnh từ thông Φ
2.1.Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm R
p
:
Mắc nối tiếp R
p
vào phần ứng, từ (1) suy ra Rư tăng lên, suy ra ω giảm, độ dốc
của đường đặc tính giảm. Các đường 1,2 là đường đặc tính sau khi tăng Rư, đường TN

là đường đặc tính tự nhiên của động cơ ban đầu.
ω
ω
o
TN
1
2
M
M
c
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng do
thêm R
p
nên tổn hao tăng, không kinh tế.
2.2.Điều khiển từ thông:
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh
moment điện từ của động cơ
u
M K I= Φ
và sức điện động quay của động cơ
u
E K
ω
= Φ
. Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới
hạn của việc thay đổi từ thông. Nhưng theo công thức trên khi Φ thay đổi thì mômen,
dòng điện I cũng thay đổi nên khó tính được chính xác dòng điêù khiển và mômen tải
=> phương pháp này cũng ít dùng.
2.3.Điều khiển điện áp phần ứng:
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện một

chiều bằng điện áp:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ.
2

Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng.
Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phương
trình sau:
Φ
−
Φ
=
.
.
. k
RI
k
U
uuu
ω
Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi, còn
tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U
u
của hệ thống,
do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để.
Đặc tính thu được khi điều khiển là 1 họ đường song song :
ω
ω
o
ω

1
TN
ω
2
1
2
M
M
c
Nguyên lý điều khiển:
Người ta thường dùng phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện áp
động cơ:
Mạch nguyên lý:
3

Trong đồ thị trên : i
dk
là dòng điều khiển, U là điện áp điều khiển.
t
1
là độ rộng xung, t
2
=T-t
1
là độ rỗng xung.
Ta có :
U
d
= U.t
1

/T
Để thay đổi U
d
ta thay đổi độ rộng xung điều khiển ta thay đổi thời gian đóng
mở khoá K => thay đổi thời gian có dòng t
1
trong mỗi chu kỳ T => độ rộng xung thay
đổi.
Set bit K=1 (đóng) => có i.
Set bit K=0 (mở) => không có i.
Như vậy ta đã có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ.
II.Thiết kế các mạch điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều.
1. Mạch điều khiển dùng bộ đếm tiến lùi và DAC
Sơ đồ khối:
Trong sơ đồ trên tín hiệu sau bộ đếm tiến lùi là số, trong khi tín hiệu điều khiển
ĐC phải là analog. Do đó ta phải dùng bộ biến đổi DAC (Digital to Analog Converter)
để chuyển tín hiệu từ số sang xung. Điện áp sau DAC được qua khâu khuếch đại để có
điện áp thích hợp điều khiển động cơ.
Thiết kế:
DAC : Ta chọn vi mạch DAC là DAC 0808 - vi mạch chuyển đổi số - tương tự
8-bit. Thời gian chuyển đổi tối đa là 150 ns. Tiêu thụ công suất 33 mW với nguồn nuôi
±5V. Đầu ra là dòng điện có giá trị phụ thuộc vào mã nhị phân đưa vào. DAC0808
tương thích và giao tiếp được với các mức logic TTL, DTL hay CMOS. Nguồn nuôi
4

của vi mạch cho phép trong khỏang từ -18V đến +18V. Dòng vào so sánh là 2-5 mA.
Nhiệt độ làm việc bình thường là 0-75°C. Trong các ứng dụng thông thường, chân 14
được nối lên điện áp so sánh Vref thông qua điện trở 5k . Sơ đồ chân và cách ghép nối
của DAC0808 trong mạch được trình bày ở hình sau:
Bộ đếm : 8 đầu vào số (A1 đến A8) được nối với đầu ra của bộ đếm tiến lùi. Bộ

đếm ở đây là 8 bit được thành lập bằng cách nối ghép 2 IC đếm 74193 (mỗi IC là 4 bit
–modun 16) ta được bộ đếm modun 16x16 =256:
5

Để khởi động cho bộ đếm ta dùng 1 D-Flip flop 74LS74 như hình vẽ. Các chân
ra của bộ đếm là 3,2,6,7 được nối trực tiếp với các đầu vào của DAC. Ta được các giá
trị tổ hợp A1÷A8 từ 0 ÷ 255 và giá trị điện áp sau DAC được tính theo công thức:
)
256
8
......
4
2
2
1
(
AAA
VV
refout
+++=
)
256
8
......
4
2
2
1
(
AAA

R
V
I
ref
ref
out
+++=
Trong mạch : V
ref
= +5V, R
ref
= 5K.
Để có Uđk động cơ ta dùng 1 bộ khuếch đại đảo LM741 sau DAC:
)
256
8
......
4
2
2
1
(
1
2
1/2.
AAA
V
R
R
RRVU

refoutdk
+++==
Chọn R1 = 1K, R2 có thể thay đổi (để điều chình Udk ở đầu output thích hợp).
Mạch tạo xung : mạch tạo xung để tạo xung đồng bộ cho bộ đếm, đầu ra của mạch tạo
xung nối với chân clk của Flip-Flop.
Để tạo xung có 2 cách, ta có thể dùng thạch anh, nhưng do cần tần số xung có
thể thay đổi được ta phải thiết kế mạch tạo dao động (ossillator) dùng 555 để tạo xung
cho bộ đếm.
Thiết kế mạch tạo xung 555 theo sơ đồ sau:
6

Xung ra (chân 3 của 555) là xung vuông độ rộng T1, độ rỗng T2, chu kỳ
T =T1 + T2, tính theo công thức:
T
1
= 0,693.( Ra + Rb).C
T
2
= 0,693. Rb.C
=> T =0,693.( Ra + 2.Rb).C
Tần số f =1/T.
Ở đây ta chọn Ra có thể thay đổi (VR) để khi điều chỉnh Ra => thay đổi T =>
thay đổi được số xung phát ra trong 1s. Chẳng hạn trong mạch chọn:
Ra = 5K, Rb = 2,2 K; C = 1uF thì ta được xung dao động có :
T
1
= 0,693.( Ra + Rb).C = 0,693.( 5 + 2,2). 10
3
. 10
-6

= 0,005 s
T
2
= 0,693. Rb.C = 0,693. 2,2 . 10
3
. 10
-6
= 0,0015 s
T =T1 + T2 = 0,0065 (s) tức f = 1/T = 1/0,0065 = 153,8 xung/s
Ta có thể lắp 2 led sau chân 3 để kiểm tra xung ra: nếu led dưới sáng thì Ura=1,
ngược lại Ura = 0.
2.Mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều đơn giản dùng 555.
555 còn có thể dùng tạo xung theo cách khác nếu lắp thêm điot ngược từ chân
6 lên chân 7 để ngăn dòng đi qua Rb khi tụ hoá C xả. Khi đó T1 giảm 1 lượng
0,693.Rb.C, còn T2 không đổi so với trường hợp trên:
7

Nếu theo cách này khi ta điều chỉnh được T1, T2 (bằng biến trở) đồng thời mà
vẫn giữ nguyên T , tức tăng Ra và giảm Rb đồng thời một lượng như nhau thì độ rộng
xung thay đổi mà tần số không đổi như thế ta đã điều chế được độ rộng xung cho mạch
điều khiển động cơ. Điều này có thể làm được bằng cách sử dụng thêm 1 biến trở lắp
giữa Ra, Rb dùng cả 3 chân theo sơ đồ sau:
Chức năng các linh kiện:
LM555: dao động tạo xung PWM
R2: điều chỉnh tốc độ động cơ.
MOSFET IRF510: tầng công suất cho mạch điều khiển
Diode D2: triệt xung gai, bảo vệ MOSFET
8

Diode D1 :tạo đường xả độc lập cho tụ C2

Ta vẫn có : T
1
= 0,693.Ra .C
T
2
= 0,693. Rb.C
T =0,693.( Ra + Rb).C
Nhưng : Ra = R1 + R21

Rb = R3 + R22
R1, R3, R21+R22 =R2 không đổi suy ra (Ra + Rb) không đổi => T
không đổi.
3. Một số mạch khác điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều dùng phương
pháp PWM
3.1. So sánh xung tam giác để điều chế độ rộng xung.
Sơ đồ mạch:
Trong mạch trên ta có :
IC U1c : có chức năng tạo điện áp chuẩn 6V cho 2 IC: U1a và U1d.
IC U1a : tạo xung vuông.
IC U1b : bộ tích phân biến đổi xung vuông thành xung tam giác.
9

IC U1b : là bộ so sánh giữa xung tam giác ở đầu vào 5 với điện áp 1 chiều ở
đầu vào 6 có thể thay đổi nhờ chỉnh biến trở VR1:
U6 = 12.
72
76
RVR
VRRR
+

++
Khi thay đổi U6 (bằng cách thay đổi VR) qua mạch so sánh ta được độ rộng
xung thay đổi => tốc độ động cơ thay đổi.
Mosfet : tầng khuếch đại cho mạch điều khiển.
D1 : bảo vệ mosfet, led để kiểm tra xung điều khiển cho động cơ.
Các tụ C2,C3,C4,C5 : lọc nguồn.
U2 ( IC 7812) : ổn định điện áp 12V cho các nguồn trong mạch.
3.2.Mạch điều khiển tốc độ dùng NE 556
10

Trong mạch trên :
IC NE556 thực chất là 2 x IC555 được tích hợp trong 1 công nghệ chế tạo bán
dẫn. ½ 556 đầu được nối ghép làm mạch tạo dao động (như phần trên). Chân ra của ½
556 đầu dùng để nuôi ½ 556 sau:
T =0,693.( Ra + 2.Rb).C
½ NE556 sau dùng để điều chế độ rộng xung, sau NE556 là mosfet khuếch đại
cho mạch điều khiển. Khi thay đổi điện trở Speed 10K, và điện trở Cut off thì điện áp
chân 11 (control voltage ) của ½ 556 sau thay đổi do đó theo trên độ rộng điện áp xung
ra (chân 9) thay đổi => có thể điều chế độ rộng xung.
LM311 là bộ so sánh dùng để cắt dòng điều khiển ( => cắt tốc độ về 0 – zero
speed cut off) khi điện áp chân 11 (control voltage ) nhỏ hơn địên áp U3.
Tính toán mạch LM311:
11

Ta có: khi U2 >U3 =
)(
19
12
181
1.

V
kk
kVcc
=
+
KK
UVcc
K
UU
5010
3
50
310
+
−
=
−

=> U10 =
6
3
103
6
)312.(5 U
U
U
+=+
−
=10,…
Như vậy chân 10 của ½ 556 sau luôn ở mức cao khi U2 >U3 tức ½ NE556 sau

hoạt động khi U2> U3. Còn khi U2<U3 thì ½ NE556 không hoạt đông => cắt dòng
điều khiển cho động cơ. Việc cắt dòng điều khiển cho động cơ là cần thiết bởI mặc dù
khi điện áp chân 11 nhỏ hơn cỡ 12/19 =0,61 V thì gần như tốc độ động cơ -> 0 (độ
rộng xung rất nhỏ) nhưng do xung gai điện áp thậm chí khi U2=0,..V vẫn có gai do đó
để bảo vệ động cơ cần phải cắt dòng điều khiển.
4. Vi mạch LM3524.
Các đặc điểm (Features) LM 3524/2524 :
- Có đầy đủ các đặc tính họ LM3524 chuẩn.
- Độ chính xác ± 1 % với điện áp chuẩn 5 V.
- Đầu ra có dòng điện tới 200 mA DC.
- Điện áp đầu ra có thể đến 60V DC.
- Đầu vào có độ rộng chung cho error-Ampli (xem Block diagram).
- Tại một thời điểm có một xung xác định ( triệt xung nhiễu - ồn).
- Cải thiện khả năng làm việc ở tần số cao.
- Khả năng triệt xung gai gấp hai lần .
- Đồng bộ hóa xung qua chân 3
Sơ đồ chân:
12