Đồ án labview sử dụng PID

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
- NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM LABVIEW.
- ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC
BẰNG THUẬT TOÁN PID.

Người thực hiện : Đinh Trần Quốc Bảo
Lớp
: 09DTD
Người hướng dẫn:TS.TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC
Đà Nẵng – 2014



LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ
đồ án hoặc công trình đã có từ trước.

Đà Nẵng, Ngày 28 tháng 05 năm 2014

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................. 1
MỞ ĐẦU

3

1.1 Đặt vấn đề....................................................................................................................3
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ.................................................................................................8
1.2.1 Mục tiêu....................................................................................................................8
1.2.2 Nhiệm vụ..................................................................................................................8
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP.............8
1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện.....................................................................................8
1.3.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập(ĐMđl )...........................8
1.3.2 Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ...................................................12
a)Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng:.............................................................12
b)Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:........................................................................14
c)Ảnh hưởng của từ thông.........................................................................................15
1.4 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng
động cơ............................................................................................................................16
TÌM HIỂU PHẦN MỀM LABVIEW.......................................................................18
VÀ CARD GIAO TIẾP ARDUINO UNO................................................................18
1.5 Khái quát chung về phần mền Labview...................................................................18
1.5.1 Giới Thiệu:.............................................................................................................18
1.5.2 Thiết bị ảo (VI – Virtual Instrument)....................................................................19
1.5.3 Front Panel.............................................................................................................19
1.5.4 Block Diagram.......................................................................................................20
1.6 Kỹ thuật lập trình Labview.......................................................................................20
1.6.1 Khởi động chương trình.........................................................................................20
1.6.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình...................................................................................20
a)Tool Panel................................................................................................................21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

b)Bảng điều khiển (Controls Palette):......................................................................21
1.6.3 Giới thiệu khối PID trong Labview.......................................................................24
1.6.4 Các hàm đọc và ghi dữ liệu trong Labview...........................................................25
1.7 Giao diện điều khiển bằng máy tính.........................................................................26
1.7.1 Front Panel và Block Diagram của chương trình..................................................26
1.7.2 Các khối lập trình thông dụng...............................................................................26
1.8 Giới thiệu card giao tiếp máy tính Arduino Uno......................................................30
1.8.1 Các ứng dụng nổi bật của bo mạch Arduino.........................................................31
1.8.2 Khả năng của board mạch Arduino.......................................................................31
a)Sức mạnh xử lý.......................................................................................................32
b)Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:..............................................................................32
c)Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:............................................................................32
e)Môi trường lập trình board mạch Arduino..........................................................34
f)Các loại board mạch Arduino................................................................................35
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN
LABVIEW 36
1.9 Mô hình hóa hệ động................................................................................................36
1.9.1 Mô hình hóa động cơ.............................................................................................36
1.9.2 Bộ cảm biến vận tốc (Speed Sensor).....................................................................43
1.9.3 Bộ điều khiển (Controller).....................................................................................43
1.9.4 Khuếch đại tín hiệu................................................................................................43
1.10 Lập trình mô phỏng độnng cơ DC sử dụng phần mền LabVIEW.........................43
1.10.1 Mô phỏng hệ thống vòng hở của động cơ DC....................................................44
1.10.2 Mô phỏng hệ thống có phản hồi của động cơ DC...............................................48
1.10.3 Mô phỏng hệ thống phản hồi có bộ điều khiển PID của động cơ DC................49
1.11 Nhận xét các kết quả mô phỏng so với lý thuyết...................................................53
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÔC ĐỘ ĐỘNG CƠ.........................................................51

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


1.12 Phương án thiết kế..................................................................................................51
1.12.1 Yêu cầu thiết kế....................................................................................................51
1.12.2 Thiết kế.................................................................................................................51
1.12.3 Phương pháp điều khiển......................................................................................51
1.13 Sơ đồ mạch phần cứng............................................................................................52
1.13.1 Sơ đồ mạch nguồn................................................................................................52
a)Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................................52
b)Tính toán và thiết kế mạch nguồn.........................................................................53
1.13.2 Mạch khối động lực.............................................................................................53
a)Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................................53
b)Tính toán và thiết kế mạch động lực.....................................................................53
1.14 Code điều khiển dựa vào giải thuật........................................................................54
1.14.1 Tạo các nút nhấn..................................................................................................54
1.14.2 Tính vận tốc ngõ vào...........................................................................................55
1.14.3 Qua khâu hiệu chỉnh PID.....................................................................................56
1.14.4 Khối truyền và nhận dữ liệu................................................................................66
a)Khối khởi tạo:.........................................................................................................66
b)Khối cài đặt vào ra:................................................................................................67
c)Khối đọc encoder:...................................................................................................67
d)Khối ghi giá trị xuống chân PWM........................................................................68
e)Khối kết thúc:..........................................................................................................68
f)Code nạp cho card giao tiếp Aduino Uno..............................................................69
1.15 Giao diện điều khiển trên máy tính........................................................................71
1.16 Đánh giá kết quả thực nghiệm so với kết quả mô phỏng.......................................74
1.17 Kết luận chung........................................................................................................74
1.17.1 Kết quả đạt được..................................................................................................74
1.17.2 Hạn chế của đề tài................................................................................................74

1.17.3 Hướng phát triển đề tài........................................................................................74
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................73

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên đà phát triển mạnh và đạt được
nhiều thành tựu nổi bật. Một trong những đặc trưng đó là kỹ thuật máy tính, công nghệ
thông tin và tự động hoá. Điều đó đã mang lại lợi ích to lớn về nhiều mặt như: đảm
bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất....
LabVIEW là chương trình lập trình đồ họa có nhiều ứng dụng đo lường và điều
khiển trong cả đào tạo và công nghiệp. Dòng sản phẩm LabVIEW của NI bao gồm
phần mềm phát triển LabVIEW và các công cụ phần mềm kèm theo mở rộng chức
năng lập trình đồ họa của LabVIEW cho các ứng dụng riêng biệt.
Từ khi nhận nhiệm vụ được giao, dựa trên những kiến thức đã học, sau quá trình
tìm hiểu và nghiên cứu, tôi đã sử dụng phần mền Labview để mô phỏng bài toán điều
khiển tốc độ động cơ một chiều bằng thuật toán PID và sau đó áp dụng vô bài toán
thực tiễn.

Nội dung chính của thuyết minh gồm có 5 chương như sau:
Chương 1: Mở đầu.

Chương 2: Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Chương 3: Tìm hiểu phần mền LABVIEW và card giao tiếp Arduino Uno.
Chương 4: Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC trên Labview.
Chương 5: Thiết kế phần cứng và chương trình điều khiển cho hệ thống điều
khiển tốc độ động cơ .
Trong quá trình làm việc, tôi cùng nhóm làm việc đã cố gắng tìm hiểu, nghiên
cứu và trình bày các vấn đề một cách đầy đủ và khoa học. Tuy nhiên, trong thuyết
minh không thể tránh khỏi những thiếu sót về nội dung và hình thức trình bày nên
chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý chân thành từ hội đồng bảo vệ để chúng tôi
hoàn thiện hơn thuyết minh của mình.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 1


Lời nói đầu

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hóa cùng với sự
giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ và đặc biệt
là sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy TS. Trần Đình Khôi Quốc - giáo viên hướng
dẫn - để tôi có thể hoàn thành tốt đồ án của mình.

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 5 năm 2014
Sinh viên

Đinh Trần Quốc Bảo

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 2


Chương 1. Mở đầu
MỞ ĐẦU
1.1

Đặt vấn đề

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp điện tử, kỹ thuật số thì các hệ
thống điều khiển từng bước được tự động hóa. Những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý,
vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển đang mang lại nhiều đổi mới,
các hệ thống tự động với độ tin cậy cao đang dần thay thế các hệ thống điều khiển
truyền thống. Bên cạnh đó, khả năng lập trình và giao tiếp máy tính giúp cho con
người kiểm soát quá trình một cách tối ưu. Hiện nay, điều khiển tự động đã và đang
thâm nhập hầu hết các ngành kinh tế, giúp cải thiện đời sống sinh hoạt, tạo bước ngoặt
phát triển nền kinh tế.
Hệ thống sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp hiện nay gần như tự động hóa hoàn
toàn các khâu. Người công nhân làm việc chỉ cần quan sát và điều khiển quá trình theo
một chương trình đã thiết kế đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng tốt. Các hệ thống điều
khiển tự động giúp giảm sức lao động đồng thời tăng hiệu suất sản xuất.
Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển
tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt
động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều. Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên
được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Một số ứng dụng quan trọng của động
cơ một chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy
cán, máy nghiền. Truyền động điện tốc độ chiếm phần lớn các ứng dụng của điều
khiển đại lượng chuyển động. Trong các loại điều khiển như vậy thường gồm có các
động cơ chấp hành, các bộ biến đổi điện tử công suất và các hệ thống điều khiển số.
Đương nhiên phải có các bộ lọc nguồn đầu vào đạt tiêu chuẩn lọc nhiễu điện từ. Để

thay đổi tốc độ, các động cơ xoay chiều đòi hỏi phải thay đổi biên độ điện áp và tần số
trong khi động cơ một chiều thì chỉ cần thay đổi mỗi điện áp một chiều thì bộ chuyển
mạch cơ khí của động cơ một chiều làm thay đổi tần số theo. Các động cơ xoay chiều
hầu hết không có chổi than, chi phí ban đầu và chi phí bảo dưỡng thấp hơn của động
cơ một chiều. Tùy vào các ứng dụng mà việc chọn lựa loại động cơ nào được sử dụng
phụ thuộc vào khách hàng.
Thực tế, vấn đề “ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU” không xa lạ
với tất cả chúng ta, bởi điều khiển tốc độ động cơ một chiều đã được ứng dụng rất
nhiều trong thực tế. Xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy
nghiền….là những ứng dụng rất phổ biến. Để điều khiển tốc độ động cơ một chiều, ta
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 3


Chương 1. Mở đầu
có thể sử dụng các hệ thống điều khiển như: hệ thống điều khiển số, hệ thống điều
khiển xung áp một chiều, hệ thống điều khiển dùng Thyristor….
Mặc khác, điều khiển tốc độ động cơ một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các
loại động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ 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 rộng. Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều nhưng thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ
hoặc mạch kích từ động cơ. Trong công nghiệp thường sử dụng bốn loại bộ biến đổi
chính:

- Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy một chiều hoặc máy điện
khuyếch đại.
- Bộ biến đổi điện từ: Khuyếch đại từ.
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu Thyristor.
- Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thyristor hoặc Tranzistor.
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:
- Hệ truyền động máy phát - động cơ.
- Hệ truyền động máy điện khuyếch đại - động cơ.
- Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ.
- Hệ truyền động chỉnh lưu Thyristor - động cơ.
- Hệ truyền động xung áp - động cơ.
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 (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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 4


Chương 1. Mở đầu
độ động cơ điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và
không đảo chiều quay. Đồng thời phụ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà
ta có truyền động làm việc ở góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư.

Hình 1. 1 Hệ thống hồi tiếp tốc độ
Nội dung của đề tài này sẽ đi sâu vào việc mô phỏng cùng chương trình điều khiển
động cơ điện một sử dụng thuật toán điều khiển PID và phần mềm LabVIEW. Sơ đồ
khối thể hiện quá trình điều khiển đó như sau:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 5


Chương 1. Mở đầu

H
ình 1. 2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
- Khối Computer Program là khối chương trình từ máy tính có nhiệm vụ cài đặt
(Set Point) và hiển thị thông số, tốc độ mong muốn cho động cơ, đồng thời nhận tín
hiệu phản hồi tốc độ (feedback speed signal) từ encoder, sau đó đưa đến bộ vi xử lý
Controller Unit để xử lý và đưa tín hiệu Control Signal đến bộ Mathematical Models.
- Khối Mathematical Models bao gồm 3 khối:
 Servo Amplifier: Nhận tín hiệu điều khiển (Control signal) và khuếch đại tín
hiệu điều khiển đưa đến động cơ.
 Motor: Động cơ.
 ST (Encoder): Đo tốc độ động cơ.
Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu, phân tích những vấn đề như:
• Tìm hiểu nguyên lý điều khiển ổn định tốc độ động cơ điện một chiều
Phân tích nguyên lý hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động cơ. Từ đó đề ra các
phương án lựa chọn các cách điều khiển theo kết quả tìm hiểu. Điều quan trọng là
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 6


Chương 1. Mở đầu
chúng ta phân tích hai luồng thông tin: điều khiển và ổn định. Mà ở đây chính xác là

điều khiển tốc độ và ổn định nó theo giá trị đặt ban đầu.
• Tìm hiểu về phần mền điều khiển LABVIEW.
Tìm hiểu phần mền, từ đó tiến hành mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều
khiển động cơ. Đem kết quả mô phỏng so sánh với kết quả thực tế để đánh giá hệ
thống.
• Tìm hiểu về đối tượng điều khiển ổn định tốc độ
Đối tượng điều khiển là tốc độ, từ đó phân tích tìm hàm truyền động cơ. Nếu ta
tìm hiểu hàm truyền được chính xác cùng với các thông số của nó thì sẽ đánh giá được
chất lượng điều khiển.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 7


Chương 1. Mở đầu

1.2
Mục tiêu và nhiệm vụ
1.2.1 Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài là so sánh kết quả mô phỏng được thực hiện trên công cụ
phần mền Labview và kết quả thực tiễn có giống nhau không. Thông qua đó có thể
điều chỉnh được tốc độ động cơ một cách dễ dàng và đảm bảo được các chỉ tiêu kỹ
thuật. Đồng thời sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển phải đơn giản, dễ hiểu.
1.2.2 Nhiệm vụ
- Tìm hiểu động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
-

Tìm hiểu phần mền Labview và Card giao tiếp máy tính Arduino Uno.

-

Tiến hành thiết kế và mô phỏng quá trình điều khiển động cơ trên phần mền
Labview.

-

Thiết kế phần cứng điều khiển Động cơ.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 8


Chương 1. Mở đầu

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 9


Chương 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC
LẬP
1.3
Đặc tính cơ của động cơ điện
1.3.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập(ĐMđl )
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (ĐM đl): nguồn một chiều cấp cho phần
ứng và cấp cho kích từ độc lập nhau. Đặc điểm của ĐM đl là dòng điện kích từ và từ

thông động cơ không phụ thuộc dòng điện phần ứng.
Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn, điện trở trong của nguồn coi
như bằng không thì điện áp nguồn sẽ là không đổi, không phụ thuộc dòng điện chạy
trong phần ứng động cơ thì có thể mắc mạch kích từ song song với mạch phần ứng.
Lúc đó động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song và cũng được
coi như kích từ độc lập.
Sơ đồ nối dây của loại động cơ kích từ độc lập như hình vẽ sau:
Ukt
Ikt

Ckt

Rktf
Rưf

E
Iư
Uư
Hình 2. 1 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Phương trình đặc tính cơ:
Theo sơ đồ hình 2.1, ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần
ứng động cơ như sau:
Uư = Eư + (Rư + Rưf)Iư
Trong đó:

Uư :

(2.1)

điện áp phần ứng động cơ.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 8


Chương 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
Eư :

sức điện động phần ứng động cơ.

Rư :

điện trở mạch phần ứng động cơ.

Rưf :

điện trở phụ mạch phần ứng động cơ.

Iư :

dòng điện mạch phần ứng động cơ.

với Rư = rư + rctf + rctb + rct
rư :

điện trở cuộn dây phần ứng động cơ.

rctf :

điện trở cuộn dây cực từ phụ động cơ.

rctb :

điện trở cuộn dây cực từ bù động cơ.

rct :

điện trở tiếp xúc của chổi than với cổ góp động cơ.

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
Eu =

pN
Φ ω = K Φω
2π a

(2.2)

trong đó: p: số đôi cực từ chính.
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng động cơ.
a: số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng động cơ.
Φ: từ thông kích từ dưới một cực từ .
ω : tốc độ quay của động cơ.

K=

pN
: Hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo của động cơ.

2π a

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
Eu = K c Φn
ω=

Vì vậy :

Kc =

2π n
n
=
60
9,55

K
= 0,105 K
9,55

Từ đó ta có:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 9


Chương 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
ω=

R + Ruf
Uu
− u
Iu
KΦ
KΦ

(2.3)

Đây là phương trình đặc tính cơ - điện của ĐMđl.
Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ tỉ lệ với từ thông Φ và dòng điện phần
ứng Iư nên được xác định bởi:
Mđt = K Φ Iư
Iu =

Suy ra:

M dt
KΦ

Thay giá trị Iư vào (1.3) ta được:
ω=

U u Ru + Ruf
−
M dt
KΦ ( KΦ ) 2

Nếu bỏ qua các tổn thất trong động cơ, gồm tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất
cơ do tự quạt mát và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ coi như bằng

mômen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M:
U u Ru + Ruf
−
M
KΦ ( KΦ ) 2

ω=

(2.4)

Đây là phương trình đặc tính cơ của ĐMđl.
Mặt khác, phương trình (2.3) và (2.4) cũng có thể được viết ở dạng:
ω = ω o − ∆ω

(2.5)

Trong đó:
ω0 =
∆ω =

Uu
: gọi là tốc độ không tải lý tưởng .
KΦ

Ru + Ruf
KΦ

Iu =

Ru + Ruf

( KΦ)

2

M : gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M .

Nếu bỏ qua ảnh hưởng của phản ứng phần ứng, từ thông của động cơ sẽ không
đổi Φ = const thì các phương trình đặc tính cơ - điện (2.3) và phương trình đặc tính cơ
(2.4) là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình vẽ là những đường
thẳng.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 10


Chương 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
Đặc tính cơ tự nhiên (TN) là đặc tính cơ có các tham số định mức và không có
điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ:
ω=

U udm
Ru
−
M
K Φ dm ( K Φ dm )2

(2.6)

TN

NT

0

Hình 2. 2 Đặc tính cơ - điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Đặc tính cơ tự nhiên (TN) là đặc tính cơ có các tham số định mức và không có
điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ:
ω=

U udm
Ru
−
M
K Φ dm ( K Φ dm )2

(2.7)

Đặc tính cơ nhân tạo (NT) là đặc tính cơ có một trong các tham số định mức
hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ.
Khi ω = 0 ta có:
Iu =

và

M=

U
= I nm

Ru + Ruf
Uu
K Φ = I nm K Φ = M nm
Ru + Ruf

Inm , Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch phần ứng và mômen ngắn mạch phần
ứng.
Từ phương trình đặc tính cơ (2.4) ta xác định độ cứng đặc tính cơ:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 11


Chương 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
( KΦ)
dM
=−
dω
Ru + Ruf
2

β=

Đối với đặc tính cơ tự nhiên:

( K Φ dm )
β =−

2

Ru

1.3.2 Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ
Từ phương trình đặc tính cơ (2.4) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính
cơ: từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng động cơ U ư và điện trở mạch phần ứng động
cơ Rưf. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó:
a)Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng:
Giả thiết Uư = Uđm = const và Φ = Φđm = const.
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R ưf vào mạch
phần ứng như hình 2.1 sẽ làm thay đổi được điện trở tổng của mạch này. Khi đó, ứng
với mỗi giá trị của Rưf ta được một đường đặc tính nhân tạo với các phương trình sau:
ω=

U udm Ru + Ruf
−
Iu
K Φ dm K Φ dm

ω=

Ru + Ruf
U udm
−
M
K Φ dm ( K Φ dm )2

Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng nhân tạo:
ωoNT = ωoTN =

U dm
= const
K Φ dm

Độ sụt tốc ứng với một giá trị mômen Mc hoặc một giá trị dòng điện Iư= Ic nào đó
sẽ lớn hơn độ sụt tốc của đặc tính tự nhiên, và tỷ lệ với điện trở tổng trong mạch phần
ứng:
∆ωc =

Ru + Ruf
( K Φ dm ) 2

Mc =

Ru + Ruf
K Φ dm

Iu

Độ cứng của đặc tính cơ nhân tạo biến trở tỷ lệ nghịch với điện trở tổng R ưt:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 12


Chương 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
β NT

( K Φ dm ) 2
=−
Ru + Ruf

Ứng với Rưf = 0 ta có độ cứng đặc tính cơ tự nhiên:
βTN

( K Φ dm )
=−

2

Ru

TN
Rf1
Rf2
Rf3

0

M0

M
Rf4

Hình 2. 3 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện
trở phụ mạch phần ứng
βTN có giá trị tuyệt đối lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả

các đặc tính cơ có điện trở phụ.
Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rưf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng
như hình vẽ
Ứng với một phụ tải M c nào đó, nếu Rưf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm,
đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta
thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ
phía dưới tốc độ cơ bản.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 13


Chương 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
b)Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông Φ= Φ dm= const và không nối thêm điện trở phụ trong mạch
phần ứng ( Rưf= 0, Rưt= Rư = const), nếu làm thay đổi điệp áp đặt vào phần ứng ( U ư =
var) ta sẽ được họ đặc tính cơ nhân tạo trên hình vẽ. Đó là những đường song song và
song song với đặc tính cơ tự nhiên.

Hình 2. 4 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp
đặt vào phần ứng động cơ
Tốc độ không tải lý tưởng tỷ lệ thuận với điệp áp U ư: ωoNT =

Uu
= var và đều
K Φ dm

nhỏ hơn tốc độ không tải của đặc tính cơ tự nhiên.

Độ sụt tốc trên các đặc tính cơ nhân tạo so với khi không tải lý tưởng sẽ không
phụ thuộc vào điệp áp và bằng độ sụt tốc trên đặc tính cơ tự nhiên:
∆ωcNT =

Ru
Ru
Ic =
M c = ∆ωcTN = const
2
K Φ dm
( K Φ dm )

Độ cứng đặc tính cơ nhân tạo không phụ thuộc điện áp Uư:
β NT

( K Φ dm )
=−

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ru

2

= β TN = const

Trang 14


Chương 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều

kích từ độc lập
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện
ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do
đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng
điện khi khởi động.
c)Ảnh hưởng của từ thông
Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm =const , không nối thêm điện trở phụ vào
mạch phần ứng, tức giữ Rưt= Rư = const. Bằng cách thay đổi dòng điện kích từ I kt động
cơ ta sẽ làm thay đổi từ thông Φ và sẽ nhận được họ đặc tính cơ nhân tạo tương ứng,
trong đó:
Tốc độ không tải lý tưởng nhân tạo tỉ lệ nghịch với từ thông:
ωoNT =

U dm
= var
KΦ

Độ cứng đặc tính cơ nhân tạo tỉ lệ với bình phương từ thông:
β NT

( KΦ )
=−
Ru

2

= var

Hình 2. 5 Đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 15