Thiết kế và thi công mô hình điều khiển động cơ Servo một chiều

ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
KỸ SƯ NGÀNH CƠ – ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC LOẠI MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT
TRONG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
CHUYÊN ĐỀ:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ SERVO MỘT CHIỀU

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG
SVTH : BÙI TRÍ HOÀI
MSSV : 20460182

TP HCM, Tháng 01 - 2010


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công
cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang diễn ra mạnh mẽ. Trước tình
hình đó đã có khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng là những thách thức được
đặt ra cho giới trí thức.
Ngày nay sự kết hợp giữa các ngành học trong lĩnh vực công nghiệp – tự
động hóa là rất cần thiết, cách tốt nhất để thực hiện sự kết hợp đó là đi sâu vào
tìm hiểu, thiết kế, nhằm phục vụ một giải pháp công nghiệp nào đó.
Vấn đề tự động hóa trong công nghiệp để giảm bớt lao động chân tay và
nâng cao năng suất lao động, là một trong những đề tài được các bạn sinh viên,
các thầy cô ở các trưởng kỹ thuật quan tâm và nghiên cứu nhiều nhất. Chính vì
vậy thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO MỘT CHIỀU” như là một cách thể hiện một
phần trong những kiến thức mà em để thể hiện một phần trong những kiến thức
mà em đã đạt được sau hơn bốn năm học tập tại trường.
Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm nên
không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý
thầy cô và các bạn sinh viên khoa Kỹ Thuật Công Nghệ về đề tài này.
Sinh viên thực hiện

BÙI TRÍ HOÀI


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình bốn năm rưỡi học tại trường Đại học Mở TP.HCM.Em đã
được sự hướng dẫn tận tình của quí thầy cô về những kiến thức chuyên môn
cũng như kiến thức trong cuộc sống. Tứ những kiến thức nền tảng đó đã giúp
chúng em hoàn thành đố án tốt nghiệp trong thời gian cho phép.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Công Nghệ
đã giảng dạy cho em những kiến thức về chuyên môn và định hướng đi theo sự
hiểu biết, khả năng của em để em thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp và tạo điều
kiện thuân lợi cho em hoàn tất khóa học.
Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN TRỌNG THẮNG và thầy
NGUYỄN HỒNG SƠN đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đố án tốt nghiệp
này.
Sinh viên thực hiện

BÙI TRÍ HOÀI


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
Phần A

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN
MỘT CHIỀU ĐẶC BIỆT
CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG

1
1

CHƯƠNG 2: MÁY KHUẾCH ĐẠI ĐIỆN TỪ (MĐKĐ)

2

CHƯƠNG 3: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG TIẾP XÚC
I. CẤU TẠO
II. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

6
6
6

CHƯƠNG 4: ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH MỘT CHIỀU
I. KHÁI NIỆM CHUNG
II. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
CHẤP HÀNH MỘT CHIỀU
1. ĐIỀU KHIỂN PHẦN ỨNG
a) Đặc tính cơ
b) Đặc tính điều chỉnh

c) Công suất kích thích
d) Công suất điều khiển
e) Công suất cơ trên trục động cơ
2. ĐIỀU KHIỂN TRÊN CỰC TỪ
a) Đặc tính cơ
b) Đặc tính điều chỉnh
c) Công suất kích thích
d) Công suất điều khiển
e) Công suất cơ
III. CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ
1. Loại động cơ rôto rỗng
2. Loại động cơ có rôto hình đĩa
3. Ứng dụng của động cơ chấp hành một chiều

14
14
15
15
17
18
18
18
19
20
21
22
23
23
23
24

24
25
26


Phần B

GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ SERVO
I. GIỚI THIỆU
II. HOẠT ĐỘNG CỦA SERVO
III. SERVO VÀ ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG
IV. VAI TRÒ CỦA VÔN KẾ
V. CÁC GIỚI HẠN QUAY
VI. THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA SERVO
VII. CÁC KIỂU NỐI ĐẦU DÂY
VIII. MẠCH ĐIỀU KHIỂN SERVO
IX. ĐIỀU KHIỂN SERVO BẰNG IC ĐỊNH THÌ 555
X. GẮN CÁC LIÊN KẾT CƠ KHÍ VÀO SERVO
XI. GẮN BÁNH XE VÀO SERVO
XII. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ ĐỘNG CƠ SERVO

27
27
28
29
30
30
32
32
35

36
38
39
43

Phần C

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ SERVO DC
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
MẠCH ĐIỀU KHIỂN

47
47
51

I. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
51
1. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
51
2. THIẾT KẾ PHẦN MỀM
55
2.1 Giới thiệu phần mềm Borland Delphi 7
55
2.2 Chương trình điều khiển
58
II. THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN
61

1. GIAO TIẾP GIỮA MÁY TÍNH VÀ THIẾT BỊ NGOẠI VI 61
1.1 Giao tiếp bằng SLOT – CARD
61
1.2 Giao tiếp bằng cổng máy in
61
1.3 Giao tiếp bằng cổng COM
61
1.4 Chọn phương pháp giao tiếp và cổng kết
62
2. GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH
65
2.1 LED 7 ĐOẠN
65
2.1.1 DẠNG LED
65
2.1.2 LED ANODE CHUNG
65
2.1.3 LED CATHODE CHUNG
66
2.2 ĐIỆN TRỞ
68
2.3 TỤ ĐIỆN
69
2.4 DIODE
71
2.5 OPTO
72


2.6 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI IC SỐ

2.6.1 IC ĐỆM 74x245
2.6.2 IC L298
2.6.3 IC ĐẾM 74x192
2.6.4 IC GIẢI MÃ 74x247
2.6.5 IC 74x73
2.6.6 Vi mạch so sánh hai số 4-bit 74x85

74
74
74
75
76
76
77


Phần D

TÓM TẮT – ĐỀ NGHỊ - KẾT LUẬN
CHƯƠNG 1: TÓM TẮT
I. Những vấn đề đã làm được
II. Những vấn đề chưa làm được
CHƯƠNG 2: ĐỀ NGHỊ (HƯỚNG PHÁT TRIỂN)
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN

79
79
79
79
80

81


TÀI LIỆU THAM KHẢO
GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN ĐẶC BIỆT
…...………………………………………………..NGUYỄN TRỌNG THẮNG
KỸ THUẬT SỐ 1
…………………………………………………………...NGUYỄN NHƯ ANH
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
…..……………………………………………………NGUYỄN TẤN PHƯỚC
ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH
…………………………………………………………………NGÔ DIÊN TẬP
MẠCH ĐIỆN TỬ 1, 2
……………………………………………………………..LÊ TIẾN THƯỜNG


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

PHẦN A:

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN MỘT
CHIỀU ĐẶC BIỆT
CHƯƠNG 1:

ĐẠI CƯƠNG
Máy điện một chiều chủ yếu được chế tạo thành động cơ hay máy phát điện,
nhưng trong nhiều ngành kỹ thuật chuyên môn đặc biệt máy điện một chiều được chế
tạo dưới nhiều dạng đặc biệt khác nhau, nó được dùng trong kỹ thuật hàn, điện phân,

kỹ thuật luyện kim. Trong các thiết bị cơ cấu tự động điều khiển từ xa, giao thông vận
tải, trong thông tin liên lạc v.v... Tùy theo những lĩnh vực khác nhau mà thường có
máy điện một chiều có những yêu cầu khác nhau. Thí dụ các máy sử dụng trong ngành
tự động yêu cầu độ tin cậy cao, quán tính bé, công suất nhỏ. Trong kỹ thuật hàn, luyện
kim thường yêu cầu dòng điện lớn v.v...
Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu sơ lược một vài loại máy điện một
chiều đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn bao gồm máy điện một chiều từ
trường ngang, máy phát hàn điện và một số máy nhỏ dùng trong kỹ thuật đo lường và
tự động.

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 1


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

CHƯƠNG 2:

MÁY KHUẾCH ĐẠI ĐIỆN TỪ (MĐKĐ)
Để khống chế một đối tượng nào đó, tín hiệu có thể dẫn trực tiếp đến với đối
tượng điều khiển không cần qua hệ thống khuyếch đại. Cũng có thể tín hiệu được qua
bộ phận trung gian khuếch đại đưa đến đối tượng điều khiển.
Máy khuếch đại điện từ hay máy khuếch đại (MKĐ) là một trong các thiết bị
trung gian nhận tín hiệu đưa đến đối tượng điều khiển nó có nhiệm vụ biến đổi một tín
hiệu điện áp hay dòng điện nhỏ để khống chế một công suất lớn.
Máy điện một chiều kích thích độc lập cũng có thể xem như là một mô hình của
MĐKĐ, trong đó tín hiệu đầu vào là công suất kích thích Pt và tín hiệu đã được

khuếch đại là công suất đưa ra Pđm ở đầu vào máy phát, nhưng vì Pt =  (1  2)% Pđm,
nên hệ số khuếch đại rất nhỏ (kKĐ  50  100 ) nên máy phát điện kích thích độc lập
không được dùng như MĐKĐ.

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lí máy điện một chiều kích từ độc lập.
Máy điên khuyếch đại có kKĐ rất lớn, vì có hai bậc khuyếch đại:
k KĐ 

Pra U r I r

k v ki
Pvào U v I r

(2.1)

Trong đó:
kv 

Ur
: hệ số KĐ điện áp.
Uv

ki 

Ir
: hệ số KĐ dòng điện.
Iv

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 2


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Hiện nay có thể chế tạo MĐKĐ có k KĐ  10 .000  100 .000 . Chất lượng của
MĐKĐ còn được đánh giá bởi khả năng tác động nhanh của nó, xác định bằng hằng số
thời gian điện từ T của máy (T =L/R), thông thường T  (0,05  0,3) sec . Để xét cả hai
yếu tố trên người ta thường dùng hệ số chất lượng:

k cl 

k KĐ
T

(2.2)

Sơ đồ của MĐKĐ được trình bày như Hình 1.2.
Ở đây s.t.đ F2 do I2 tạo ra hoàn toàn bị s.t.đ của cuộn bù B trung hòa nhờ đó
công suất của tín hiệu đầu vào sẽ bé dẫn đến kKĐ tăng. Biến trở Rs có công dụng điều
chỉnh tác dụng của cuộn bù B. Cuộn trợ từ T cho phép hạ thấp dòng điện I 1 do đó cải
thiện được vấn đề đổi chiều cho chổi than 1-1. Để cải thiện đồi chiều cho cặp chổi than
2-2 người ta đặt dây quấn phụ DP theo hướng dọc.

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lí của MĐKĐ.
 Nguyên lý làm việc của MĐKĐ
Tín hiệu được đặt vào dây quấn kích thích gọi là cuộn điều khiển.
Như vậy công suất ở mạch vào:

Pđk Uđk.Iđk
Dòng điện Tđk sinh ra từ thông dọc trục  đk ,  đk gây nên sđđ E1 ở 2 đầu
chổi than 1-1. Vì 1-1 mạch ngắn nên gây ra dòng I1 khá lớn chảy trong chổi than.
Dòng I1 gây nên từ thông 1 , dưới tác dụng của 1 sẽ gây nên sđđ E2 khá lớn, E2 tạo
nên điện áp U2 và cung cấp ra ngoài một dòng điện I2 nào đó.
P đk  U đk .I đk  P1  U 1 .I 1  P2  U 2 .I 2

Như vậy ta đã khống chế được công suất từ Pđk  P2 khá lớn.
SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 3


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Hệ số khuyếch đại công suất:
kp 

P2
P P
 2 . 1  k 2 .k1
Pđk P1 Pđk

(2.3)

K p có thể lên đến trị số 8000  10000 .

MĐKĐ có thể dùng để duy trì điện áp, dòng điện hay duy trì rốc độ quay của

một dộng cơ nào đó nhanh và nhạy.
Thí dụ để duy trì điện áp của máy phát điện một chiều không đổi người ta dùng
MĐKĐ để cung cấp dòng điện kích thích cho máy phát một chiều.
Lấy tín hiệu bằng cách lấy điện áp nên điện trở ra của máy phát một chiều đưa
về cuộn điều khiển hai của MĐKĐ. Sức từ động của cuộn một và hai cộng nhau.
Ta đã biết, khi tải tăng thì điện áp của máy phát điện một chiều sẽ giảm do 
(phản ứng phần ứng) và điện áp rơi trên phần ứng. Để khắc phục tình trạng này người
ta dùng sơ đồ sau để duy trì điện áp UF của máy phát điện một chiều không đổi khi I
tăng.

Hình 1.3: Sơ đồ mạch ứng dụng MĐKĐ ổn định điện áp máy phát điện.
Khi I tăng  U tăng  I t 2 tăng     (1   2 ) tăng  U MĐKĐ tăng 
ItF tăng  U F tăng đến U ban đầu.
Hình 1.4 trình bày một ứng dụng của MĐKĐ dùng duy trì điện áp và tốc độ ĐC
không đổi.

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 4


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lí mạch ứng dụng MĐKĐ.
Mạch có chức năng như sau:
Giữ: UĐ = const., I  Iđm, nđm = const

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 5


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

CHƯƠNG 3:

MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG
TIẾP XÚC
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các nhà sản xuất máy điện đã chế tạo
ra các loại máy điện một chiều không sử dụng vành góp và chổi than hay còn gọi là
máy phát điện một chiều không tiếp xúc. Đặc điểm của loại máy điện này là làm việc
tin cậy, không tạo ra tia lửa điện, không gây nhiễu và có tuổi thọ cao hơn so với các
loại động cơ một chiều thông thường. Trong phần này sẽ trình bày loại động cơ này.

I. CẤU TẠO
Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần chính sau:
Động cơ không tiếp xúc với cuộn ứng m - pha trên stato và rôto kích thích bằng
nam châm vĩnh cửu.
Cảm biến vị trí rôto, đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo ra
tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều.
Bộ đổi chiều không tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn ứng trên
stato theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rôto.

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều không tiếp xúc.

II. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

Hình 1.6 trình bày sơ đồ nguyên lí của động cơ một chiều không chổi than, có
một cuộn dây trên mạch stato.

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 6


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lí động cơ một chiều không chổi than.
1- Stato của động cơ
2- Dây quấn trên stato
3- Rôto loại nam châm vĩnh cửu, có hai cực.
4- Đĩa sắt từ, có dạng hình tròn khuyết và được đặt trên trục rôto.
5- Bộ phận đổi chiều không chổi than được cấu tạo bằng các linh kiện
điện tử thực hiện đổi chiều dòng điện của các cuộn cảm trên stato
động cơ theo tín hiệu điều khiển từ cảm biến vị trí.
6- D1, D2 là các bộ cảm biến vị trí dạng từ trở thay đổi dùng xác định vị
trí rôto (trục từ trường rôto) thông qua đĩa sắt từ.
 Hoạt động
Ở vị trí như hình vẽ, cảm biến vị trí D1 nằm trong vùng khuyết của đĩa nên tạo
ra sự thay đổi từ trở trên mạch từ ở hai cuộn dây ra của cảm biến vị trí. Sự thay đổi này
tạo ra tín hiệu điều khiển bộ đổi chiều. Bộ đổi chiều sẽ đổi chiều điện áp đặt lên dây
quấn stato (đổi chiều từ trường stato). Cực tính điện áp trên dây quấn stato có chiều
như hình vẽ.
Khi vùng khuyết của đĩa trùng với cảm biến vị trí D2, nó sẽ tạo ra tín hiệu điều
khiển bộ đổi chiều, bộ đổi chiều sẽ đảo cực tính điện áp đặt lên dây quấn stato. Chiều

điện áp ngược chiều với hình vẽ.
Quá trình đổi chiều điện áp trên dây quấn stato phải đồng thời với sự thay đổi
chiều cực từ rôto. Điều này đảm bào chiều quay của mômen không đổi trong một vòng
quay.
Hình 1.7 trình bày quá trình kết hợp đổi chiều từ trường stato và từ trường rôto.

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 7


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Hình 1.7: Quá trình đổi chiều từ trường stato và rôto.
Khi có dòng điện qua dây quấn stato, dưới sự tác động của từ trường rôto sẽ tạo
ra mômen quay.

M  k s  r Sin
Với

(3.1)

k: hệ số máy không đổi.
 s ,  r : từ thông cực từ stato và rôto

 : góc hợp bởi trục cực từ rôto và trục từ trường stato.
Khi mạch từ chưa bão hòa biểu thức trên có thể biểu diễn dưới dạng sau:

M  k m I s Sin
Với

(3.2)

k m : hệ số phụ thuộc từ trường rôto và cấu tạo stato
I s : dòng điện qua dây quấn stato.

Từ biểu thức (3.2) ta nhận thấy:
- Mômen quay có sự dao động theo góc quay  .
- Ứng với vị trí góc  làm cho mômen quay của động cơ nhỏ hơn mômen tĩnh
trên trục động cơ thì động cơ không thể quay.
Những hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách tăng số cuộn dây quấn
trên stato. Khi ấy biểu thức (1.5) có thể viết lại như sau:
 /2
M  k m .I s c
cos(   c / 2)
(3.3)
sin  c / 2
Trong đó:  c là góc giữa trục 2 cuộn dây kế tiếp nhau.
Khi số cuộn dây càng lớn   c càng bé  M  const . Nhưng khi số pha của
cuộn stato tăng dẫn đến số phần tử cảm biến tăng và mạch đảo chiều trở nên phức tạp.
Nên trong thực tế số pha của dây quấn thường không vượt quá bốn.
Ngoài ra cách đấu các cuộn dây trên mạch stato cũng làm thay đổi độ lớn và độ
dao động của mômen. Hình 1.8 trình bày một số cách đấu thường thấy.

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 8

Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Hình 1.8: Sơ đồ kết nối giữa các pha động cơ không chổi than.
a- Đấu tam giác
b- Đấu sao
c- Đấu song song với nguồn
d- Đấu nối tiếp với nguồn
Trong các cách đấu trên thì đấu tam giác sẽ cho hiệu suất cao nhất, độ dao động
của mômen là bé nhất. Cách đấu song song có bộ đổi chiều đơn giản nhất.
Để hiểu rõ hơn vấn đề đảo chiều khi số cuộn dây tăng, ta phân tích nguyên lí
hoạt động của động cơ có ba pha và các pha được đấu song song với nguồn.

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 9


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí đơn giản của động cơ một chiều không chổi than
với stato có ba cuộn dây được nối song song với nguồn.
Cuộn dây phần ứng đặt trên các rãnh của stato gồm có ba pha A, B, C lệch nhau
trong không gian một góc 1200 và được nối song song với nguồn.
Phần tử tín hiệu có dạng hình tròn khuyết và được làm bằng vật liệu sắt từ.
Phần tử này được đặt trên trục của động cơ.

Bộ phận đổi chiều gồm ba transistor T1, T2, T3, mắc nối tiếp với các pha A, B,
C của động cơ. Các tansistor này làm việc ở chế độ ngắt dẫn và được điều khiển từ bộ
ĐK.
Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến A, B, C và đưa ra tín hiệu ĐK bộ đổi
chiều.
 Nguyên lí hoạt động của động cơ theo Hình 1.9 như sau:
Giả sử ban đầu vị trí phần tử cảm biến tín hiệu của cảm biến vị trí nằm ở vị trí 1
Hình 1.9. Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến A tác động tạo tín hiệu điều khiển mở
transitor T1. Cuộn dây A trên stato tác động tạo ra s.t.đ FA, nhờ sự tương tác giữa sức
SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 10


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

từ động FA với từ thông của từ trường rôto bằng nam châm vĩnh cửu làm cho rôto quay
theo chiều kim đồng hồ. Do phần tử tín hiệu của cảm biến vị trí gắn đồng trục với rôto
của động cơ nên khi rôto quay thì phần tử này cũng quay theo.
Khi góc quay của rôto lớn hơn 300 so với vị trí ban đầu một ít ( vị trí 2 trên
Hình 1.9). Ở vị trí này hai phần tử cảm biến A, B cùng tác động tạo tín hiệu điều khiển
mở transistor T1, T2. Khi có thêm sức từ động Fb thì sức từ động tổng sẽ lệch đi
khoảng 600 so với vị trí ban đầu và tác động với từ trường của rôto nam châm vĩnh cửu
làm cho rôto động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ.
Khi góc quay của rôto lớn hơn 90 độ so với vị trí ban đầu một ít ( vị trí 3 trên
Hình 1.9). Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến B tác động tạo tín hiệu điều khiển mở
transistor T2, nên chỉ tồn tại stđ FB đây cũng chính là sức từ động của dây quấn stato
lúc này. Do đó, rôto của động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ như ban đầu.

Quá trình trên cứ tiếp tục, tín hiệu điều khiển từ cảm biến vị trí được đưa vào các
transistor của bộ phận đổi chiều và làm cho chúng dẫn hoặc ngưng dẫn đúng lúc.

III. MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN
Hình 1.10 trình bày sơ đồ diều khiển động cơ không chổi than, có ba pha, kết
nối sao và có đảo chiều quay.

Hình 1.10: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ không chổi than.
 Nguyên lí hoạt động của mạch
- Khi quay theo chiều kim đồng hồ: D=0
SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 11


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Trạng thái điều khiển các pha tương ứng với tín hiệu nhận được từ cảm biến vị
trí như được trình bày ở Hình 1.11
.

Hình 1.11: Trình tự điều khiển các pha động cơ không chổi than khi quay
theo chiều kim đồng hồ.
Giả sử ban đầu vị trí vùng khuyết của phần tử cảm biến tín hiệu nằm ở vị trí
như Hình 1.10. Ở vị trí này chỉ có phần tử cảm biến A tác động tương ứng với trạng
thái logic DCBA =0001. Bộ mã hóa vị trí sẽ tạo tín hiệu ứng với mã 1 điều khiển mở
transistor T1, T6 thông qua 2 cổng or 1 và 6, khi ấy cuộn dây A và C có điện tạo ra stđ
F AC. Nhờ sự tương tác giữa sức từ động F AC với từ thông của từ trường rôto bằng nam

châm vĩnh cửu làm cho rôto quay theo chiều kim đồng hồ. Do phần tử tín hiệu của
cảm biến vị trí gắn đồng trục với rôto của động cơ nên khi rôto quay thì phần tử này
cũng quay theo.
Khi góc quay của rôto lớn hơn 300 so với vị trí ban đầu một ít. Ở vị trí này hai
phần tử cảm biến A, b cùng tác độn tương ứng với trạng thái logic DCBA =0011. Bộ
mã hóa vị trí sẽ tạo tín hiệu ứng với mã 3 điều khiển mở transistor T6, T3 thông qua 2
cổng 3 và 6, khi ấy cuộn dây B và c có điện tạo ra st đ FBC làm cho động cơ tiếp tục
quay theo chiều kim đồng hồ.
SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 12


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Khi góc quay của rôto lớn hơn 900, 1500, 2700, 3300 so với vị trí ban đầu một ít
tương ứng với mã thập phân 2, 6, 4, 5 thì lần lượt các cặp transistor T3-T2, T2-T5, T5T4, T4-T1 dẫn làm co các cuộn dây B-A, A-C, C-B, B-A có điện, tạo ra st đ F BA,
FCB, FAB, làm cho động cơ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ.
- Khi quay ngược chiều kim đồng hồ: D= 1
Trạng thái điều khiển các pha tương ứng với tín hiệu nhận được từ cảm biến vị trí
trình bày ở Hình 1.12

Hình 1.12: Trình tự điều khiển các pha động cơ không chổi than khi quay
ngược chiều kim đồng hồ.

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 13

Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

CHƯƠNG 4:

ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH MỘT CHIỀU
I. KHÁI NIỆM CHUNG:
Là một máy biến tín hiệu điện áp thành tốc độ quay hoặc góc chuyển dịch để
đưa vào đối tượng điều khiển
Trong các hệ thống tự động và điều khiển từ xa, ĐCCH được sử dụng rất rộng
rãi.
So với ĐCCH xoay chiều ĐCCH một chiều có những ưu điểm sau:
- Chúng cho phép nhận được những tốc độ quay lớn, nhỏ tùy ý.
- Điều chỉnh tốc độ quay dễ dàng, bằng phẳng, kinh tế và có phạm vi điều chỉnh
rộng.
- Làm việc ổn định mọi tốc độ.
- Có đặc tính cơ và đặc tính điều chỉnh tuyến tính.
- Không có hiện tượng tự quay.
- Kích thước và trọng lượng nhỏ hơn từ 2 đến 3 lần so với ĐCCH không đồng bộ
có cùng công suất.
Tuy nhiên ĐCCH một chiều có những khuyết điểm sau:
Có vành góp và chổi than, nghĩa là có sự tiếp xúc trượt. Điện trở tiếp xúc quá
độ không phải là hằng số gây nên sự kém ổn định của các đặc tính làm việc. Tia lửa
điện dưới lửa than làm nóng động cơ không cho phép ĐCCH một chiều làm việc ở
những vị trí dễ gây nổ. Tia lửa điện còn là nguồn gây nhiễu vô tuyến điện, do đó yêu
cầu phải có bộ lọc nhiễu đặc biệt và lưới chắn.
Theo cấu trúc ĐCCH một chiều có thể phân loại thành:

- ĐCCH một chiều thông thường có kích thước độc lập hoặc bằng nam châm
vĩnh cửu.
- ĐCCH một chiều phần ứng nhẵn, không có rãnh.
- ĐCCH một chiều có quán tính nhỏ.
a) ĐCCH một chiều thông thường khác với động cơ một chiều động lực ở
chỗ là:
Không những lõi thép phần ứng mà cả phần cảm (các cực từ) đếu được ghép
bởi các lá thép kỹ thuật điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy vì động cơ thường
làm việc trongc hế độ quá độ. Mạch từ trong máy không bão hòa nên phản ứng phần
ứng không ảnh hưởng đến từ thông chính và do đó không ảnh hưởng đến đặc tính làm
việc của động cơ.
b) ĐCCH một chiều phần ứng không có rãnh chỉ mới xuất hiện trong thời
gian gần đây:
Trong loại động cơ này, cuộn dây phần ứng được bố trí trực tiếp trên bề mặt
hình trụ của rôto. Bố trí như vậy, một mặt làm tăng khe hở không khí (khoảng cách
không dẫn từ) giữa các cực từ và lõi phần ứng do đó làm tăng dòng điện kích thích cần
thiết để sinh ra từ thông trong máy, mặt khác làm giảm đáng kể điện kháng của dây
SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 14


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

quấn phần cứng để cải thiện quá trình đổi chiều và làm giảm hằng số thời gian điện cơ,
đáp ứng yêu cầu tác động nhanh.
c) ĐCCH một chiều quán tính nhỏ cũng nhằm mục đích giả hằng số thời
gian điện cơ để đáp ứng yêu cầu tác động nhanh.

Trong khuôn khổ giáo trình, chúng ta chỉ nghiên cứu ĐCCH một chiều thông
thường
II. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
CHẤP HÀNH MỘT CHIỀU.
Ở ĐCCH một chiều kích thích độc lập, điện áp điều khiển có thể đưa vào một
trong hai cuộn dây:
Nếu điệp áp điều khiển đưa vào cuộn phần ứng thì ta gọi là điều khiển phần
ứng.
Nếu điện áp điều khiển đưa vào cuộn kích thích thì ta gọi là điều khiển cực.
Ở ĐCCH một chiều nam châm vĩnh cửu, cuộn điều khiển chỉ có thể là cuộn dây
phần ứng nghĩa là chỉ có thể điều khiển phần ứng (hình 1.13).

a)
b)
Hình 1.13: Các phương pháp điều khiển ĐCCH một chiều:
a – điều khiển phần ứng
b – điều khiển cực
1. Điều khiển phần ứng
Cuộn dây kích thích nối trực tiếp vào lưới điện có điện áp Ukt = U = const.
Cuộn dây phần ứng đặt vào điện áp điều khiển có trị số thay đổi UĐK = var. Vì UKT =
const nên IKT = const và do đó  KT = const;
Có nghĩa là:  KT  IKT  UKT = const
hoặc:
 KT = C  UKT
SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

(4.1)

Trang 15

Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

Khi phần ứng quay, các dây dẫn của nó cắt từ trường kích thích và trong cuộn
dây phần ứng (cũng chính là cuộn dây điều khiển) sẽ cảm ứng một sức điện động EĐK,
trị số của SĐĐ nảy tỉ lệ với độ quay n và từ thông  KT :
EĐK = Ce  KTn = CeC  UKT n

(4.2)

Dòng điện phần ứng (cũng là dòn điện điều khiển) bằng
IĐK =

UĐK  EĐK UĐK  CeCUĐK.n

;
rĐK
rĐK

(4.3)

Trong đó: r ĐK là điện trở của mạch điện phần ứng
Tương tác giữa  KT và IĐK tạo ra momen quay:
M = CM  KTI ĐK = CMC  UKTIĐK

(4.4)

Sau khi thay trị số Iđk từ 9.3 vào công thức này ta được

M=

2
CM CU KTUĐK  CeCM C2UKT
.n

rĐK

Tín hiệu điều khiển  

.

(4.5)

U ĐK
chính là điện áp điều khiển trong hệ đơn vị tương
U KT

đối
Thay Uđk =  UKT vào biểu thức 4.5 ta được:

M=

2
2
CM CUKT
 CeCM C2UKT
.n

rĐK

.

(4.6)

Chúng ta sẽ thay các giá trị thực của M; n, U ĐK bằng các giá trị trong hệ đơn vị
tương đối để so sánh đặc tính của các của các động cơ có công suất khác nhau và tốc
độ khác nhau.
M
- Momen tương đối: m 
,
(4.7)
M K1
Trong đó M K 1 là mômen mở máy của động cơ (khi n= 0,   1 hoặc UĐK = UKT)
Thay các điều kiện này vào (4.6) ta có

SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 16


Luận Văn Tốt Nghiệp Khóa 2004
M K1 

2
CM CU KT

rĐK

GVHD: Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG

.

(4.8)

Thay (4.6) và (4.8) vào (4.7) ta được:
m =  - CeC  n
-Tốc độ quay tương đối:  

n
no

(4.9)
(4.10)

Trong đó: no là tốc độ quay không tải lý tưởng (khi m = 0,   1)
Thay điều kiện này vào (4.9) ta được:
no 

1
.
CeC

(4.11)

Thay (4.10) và (4.11) vào (4.9) ta có:
m    .
(4.12)
Nhận thấy rằng mômen quay m của ĐCCH một chiều khi điều khiển phần

ứng là hàm số bậc nhất (tuyến tính) của tốc độ quay  và của hệ số tín hiệu điều khiển

a) Đặc tính cơ
Là quan hệ m= f ( ) khi  = const.
(4.13)
Trên hình 9.2a vẽ họ đặc tính cơ của ĐCCH.

Hình 1.14: Đặc tính cơ (a) và đặc tính điều chỉnh (b) của ĐCCH một chiều
khi điều khiển phần ứng
Từ biểu thức (1.14) và hình 1.13a ta thấy: khi giữ không đổi điện áp điều khiển
(  =const) thì tốc độ quay của động cơ giảm đi một cách tuyến tính theo sự tăng lên
mômen cản m trên trục động cơ. Mômen cực đại của động cơ ứng với thời điểm mở
máy ( khi  = 0 ). Trị số mômen cực đại (mômen mở máy) trong hệ đơn vị tương đối
bằng hệ số tín hiệu điều khiển (khi  = 0 thì m=  ). Điều đó có nghĩa là mômen mở
SVTH: BÙI TRÍ HOÀI

Trang 17