Nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển AVR

ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH
BỘ MƠN KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài: Nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều sử dụng vi điều khiển AVR

Giảng viên hƣớng dẫn : TS. Hoàng Sơn
Sinh viên thực hiện

: Đào Duy Lâm

Lớp

: K58 Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

Khóa

: 2013 - 2017

Hà Nội – năm 2017

`


MỞ ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành cơng
nghiệp tự động hóa đã ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực đời sống. Truyền động điện
một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen. Về

phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các
loại động cơ khác, khơng những nó 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 lưọng điều chỉnh cao.
Từ những thực tế trên chúng tôi chọn và thực hiện để tài “Nghiên cứu điều chỉnh
tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển AVR”. Mục tiêu nghiên cứu
trong đề tài này là sử dụng vi điều khiển ATmega32 để điều khiển tốc độ của động cơ
điện một chiều. Với phạm vi nghiên cứu trong phịng thí nghiệm. Đối tượng nghiên cứu
là động cơ điện một chiều và chương trình điều khiển động cơ điện một chiều. phương
pháp sử dụng trong khóa luận gồm phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô phỏng.
Để tài bao gồm 04 chương với bố cục như sau:
-

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và phương pháp điều chỉnh tốc
độ.

-

Chương 2: Thiết kế và chế tạo phần cứng.

-

Chương 3: Chương trình điều khiển.

-

Chương 4: Kết luận và kiến nghị.

Sinh viên thực hiện đề tài

Đào Duy Lâm

`


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................................
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU
CHỈNH TỐC ĐỘ .......................................................................................................................... 1
1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều. .............................................................................. 1
1.1.1 Cấu tạo. .......................................................................................................................... 1
1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. .......................................................... 3
1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. .............................................. 4
1.2 Các phƣơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều. .................................................... 6
1.2.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng. ........................................................................ 6
1.2.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ...................................................... 10
1.2.3. Lựa chọn phương án điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ................................. 12
1.3 Điều chế PWM để điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều .................................................... 12
1.3.1 Giới thiệu về phương pháp PWM ................................................................................. 12
1.3.2 Nguyên lý của phương pháp PWM. .............................................................................. 13
1.3.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển. ............................................................. 15
1.3.4 PWM trong điều khiển động cơ. ................................................................................... 17
1.3.5 Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ DC. .................. 18
1.4 Mạch cầu H cho việc điều chỉnh tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều. ........... 19
Chƣơng 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG ............................................................ 22
2.1 Mạch cầu H sử dụng tín hiệu điều khiển từ PWM ........................................................ 22
2.2 Thiết bị mạch công suất .................................................................................................... 23
2.3 Thiết kế sơ đồ điều khiển .................................................................................................. 26
2.3.1 Sơ đồ khối ..................................................................................................................... 26
2.3.2 Thiết kế mạch điều khiển .............................................................................................. 27
2.3.3 Thiết kế mạch lực .......................................................................................................... 28

Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ......................................................................... 29
3.1 Vi điều khiển AVR ............................................................................................................ 29
3.2 Luật điều khiển. ................................................................................................................. 30
3.3 Thuật toán điều khiển ....................................................................................................... 31
3.3.1 Các chỉ thị trước khi sử lý ............................................................................................ 31
3.3.2 Các toán tử ................................................................................................................... 31

`


3.3.3 Các kiểu dữ liệu ............................................................................................................ 33
3.3.4 Cấu trúc cơ bản của một chương trình C ..................................................................... 33
3.3.5 Các lệnh cơ bản của C.................................................................................................. 34
3.4 Lập trình điều khiển động cơ điện một chiều. ................................................................ 37
3.5 Mô phỏng trên phần mềm Proteus .................................................................................. 43
Chƣơng 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 48
4.1 Kết luận .............................................................................................................................. 48
4.2 Kiến nghị ............................................................................................................................ 48
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 49

`


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Bảng dữ liệu. ................................................................................................................ 33

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ mặt cắt ngang và dọc của động cơ một chiều ...................................................... 1
Hình 1.2: Phần tĩnh và phần quay .................................................................................................. 2
Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo rơto .......................................................................................................... 3

Hình 1.4: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập ..................................................................... 4
Hình 1.5: Đặc tinh cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập ............................................... 6
Hình 1.6: Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập ............................................... 6
Hình 1.7: Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập................................................................ 7
Hình 1.8: Xác định phạm vi điều chỉnh. ......................................................................................... 8
Hình 1.9: Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau. ................. 10
Hình 1.10: Sơ đồ thay thế (a) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thơng động cơ (b) Quan hệ φ
( ), (c) ........................................................................................................................................ 11
Hình 1.11: Đồ thị dạng xung điều chế PWM ................................................................................ 13
Hình.1.12: Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải .................................................................................... 14
Hình 1.13: Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra .................................................................. 14
Hình 1.14: Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh .............................................................. 16
Hình 1.15: Mạch tạo xung đơn giản dung 555 ............................................................................. 17
Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC .................................................... 18
Hình 1.17: Sơ đồ nguyến lý mạch cầu H dùng Transistor............................................................ 19
Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng Transistor P, N hay Fet ...................................... 20
Hình 1.19: Cấu tạo và hình dáng của rơle thơng dụng ................................................................ 20
Hình 1.20: Ngun lý hoạt động mạch cầu H ............................................................................... 21
Hình 2.1: Mạch cầu H sử dụng tín hiệu từ PWM ......................................................................... 22
Hình 2.2: Ngun lý hoạt động của bộ PWM cho việc điều chỉnh tốc độ .................................... 22
Hình 2.3: Điện áp trung bình trong phương pháp PWM.............................................................. 23
Hình 2.4: MOSFET ....................................................................................................................... 24
`


Hình 2.5: Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC. ............................................................. 25
Hình 2.6: Mạch cầu H dùng MOSFET. ........................................................................................ 25
Hình 2.7: Sơ đồ khối điều khiển .................................................................................................... 26
Hình 2.8: Sơ đồ mạch điều khiển .................................................................................................. 27
Hinh 2.9: Sơ đồ mạch lực điều khiển ............................................................................................ 28

Hình 3.1: Các dịng AVR: tiny, AVR và AT mega. ........................................................................ 29
Hình 3.2: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều trên Proteus. ............................... 44
Hình 3.3: Cửa sổ lập trình C cho AVR. ........................................................................................ 44
Hình 3.4: Kết quả sau khi biên dịch. ............................................................................................ 45
Hình 3.5: Nạp chương trình cho vi điều khiển. ............................................................................ 46
Hình 3.6: Mô phỏng điều khiển động cơ điện một chiều trên Proteus. ........................................ 47

`


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máy
quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện và dùng trong những điều kiện làm việc
khác. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy được dùng
nhiều trong những ngành cơng nghiệp có u cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép,
hầm mỏ, giao thông vận tải…vv. Động cơ điện được phân loại thành động cơ kích từ độc
lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp. Trên thực tế, đặc tính cơ của
động cơ kích từ độc lập và kích từ song song hầu như giống nhau nhưng khi cần công
suất lớn ngừơi ta thường dùng động cơ điện kích từ độc lập để điều chỉnh dịng điện kích
từ được thuận lợi và kinh tế hơn mặc dù loại động cơ này địi hỏi phải có thêm nguồn
điện phụ bên ngoài.
1.1.1 Cấu tạo.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều như hình vẽ 1.1 và chia làm hai phần chính là:

phần tĩnh và phần quay. Ngồi ra cịn có các bộ phận khác như vịng bi, cổ vịng, cuộn
dây phần ứng, trục quay, nam châm.

Hình 1.1: Sơ đồ mặt cắt ngang và dọc của động cơ một chiều

1


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

a) Phần tĩnh (stato): Phần tĩnh bao gồm các bộ phận như cực từ chính, cực từ phụ,
gơng từ và một số bộ phận khác

Hình 1.2: Phần tĩnh và phần quay
Cực từ chính: Là nam châm điện, có nhiệm vụ tạo ra từ trường chính trong máy,
cực từ chính gồm có:
 Lõi thép cực từ chính: Làm bằng lá thép dày 0,5-1,0 mm ép lại và tán chặt.
 Dây quấn kích từ: Làm bằng dây điện từ lõi đồng, các cuộn dây được đặt lên cực
từ chính nối nối tiếp với nhau.
Cực từ phụ gồm có:
 Lõi thép cực từ phụ: Làm bằng thép khối.
 Dây quấn phụ: Làm bằng dây điện từ lõi đồng và đặt lên các cực từ phụ.
Gông từ (Vỏ máy): Làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy, ngồi
ra cịn có nắp máy, giá đỡ ổ bi.
Ngồi ra cịn có các bộ phận khác như: Nắp máy để bảo vệ máy khỏi bị những vật
ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Cơ cấu
chổi than để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi
b) Phần quay (rơto): phần quay gồm có lõi sắt phần ứng, dây quấn, cổ góp và một số

bộ phận khác.

2


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo rôto
Lõi thép phần ứng: Dùng để dẫn từ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại
với nhau. Trên lá thép có dập rãnh để đặt dây quấn.
Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra sức điện động và có dịng điện chạy qua.
Thường làm bằng dây đồng có bọc chách điện.
Trục rơto: Là phần đỡ lõi sắt phần ứng, cánh quạt và ổ bi, được làm bằng thép
cứng.
Cổ góp: Gồm nhiều phiến đồng cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2
mm và hợp thành hình trụ trịn.
Các bộ phận khác như: Cánh quạt để quạt gió làm nguội máy. Trục máy để đặt lõi
sắt phần ứng, cánh quạt và ổ bi.
1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều thực chất là máy điện đồng bộ trong đó sức điện động
xoay chiều được chỉnh lưu thành sức điện động một chiều. Để chỉnh lưu sức điện động ta
có hai đầu vịng dây được nối với hai phiến góp trên có hai chổi điện ln tỳ sát vào
chúng. Khi rôto quay do chổi điện luôn tiếp xúc với phiến góp nối với thanh dẫn, vì vậy
sức điện động xoay chiều trong vòng dây đã được chỉnh lưu ở mạch ngồi thànhsức điện
động và dịng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp và chổi điện. Để sức điện động một
chiều giữa các chổi điện có trị số lớn và ít đập mạch, dây quấn rơto thường có nhiều vịng
dây nối với nhiều phiến góp làm thành dây quấn phần ứng và có cổ góp điện

3


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Khi nguồn điện một chiều có cơng suất khơng đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn điện độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động
cơ kích từ độc lập.

Hình 1.4: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập
Theo sơ đồ trên có thể viết phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng như sau:
(
Trong đó:

)

là điện áp phần ứng (V),

điện trở của mạch phần ứng (Ω),
điện mạch phần ứng (A). Với
là điện trở cuộn cực từ phụ,

(1.1)

là sức điện động phần ứng (V),

là điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω),

=

là

là dòng

(

là điện trở cuộn dây phần ứng,

là điện trở cuộn bù,

là điện trở tiếp xúc của chổi

+

+

+

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

Φω = KΦω

4

(1.2)

GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Trong đó:
p – số đơi cực từ chính
N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
Φ - từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb
ω - tốc độ góc, rad/s
K=

là hệ số cấu tạo của động cơ

Từ (1-1) và (1-2) ta có :
ω=

(1.3)

Biểu thức (1-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ Mặt khác Mơmen
điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
Mđ=KΦ

(1.4)

Suy ra:
Thay giá trị

vào (1-3) ta được:

(

)

(1.5)

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mơmen cơ trên trục động cơ bằng
mômen điện từ, ta ký hiệu là M. nghĩa là
(

)

(1.6)

Cơng thức (1-6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập.
Giả thiết phản ứng được bù đủ, từ thơng Φ = const, thì các phương trình đặc tính
cơ điện (1-3) và phương trình đặc tính cơ (1-6) là tuyến tính.

5


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Hình 1.1: Đặc tinh cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 1.2: Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập
1.2 Các phƣơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều.

Có 2 phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều là được
ứng dụng rộng rãi trong thực tế gồm điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ và
điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Sau đây, khóa luận sẽ xem xét cụ thể
hai phương pháp
1.2.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng.
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn như
máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…vv. Các thiết bị
này có chức năng biến năng lượng xoay chiều thành một chiều có sức điện động
6

điều


GVHD: TS. Hồng Sơn

chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển

SVTH: Đào Duy Lâm

. Vì là nguồn có cơng suất hữu hạn so với động cơ

nên các bộ biến đổi này có điện trở trong

và điện cảm

khác 0.

Hình 1.7: Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập.
Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
(

)

(1.7)

Vì từ thơng của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng khơng
đổi, cịn tốc độ khơng tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển

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 đường đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ
thơng cũng được giữ ở gía trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của giải 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:
| |

| |

(1.8)

(1.9)

Để thoã mãn khả năng q tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
mơmen ngắn mạch là:
(1.10)

7

GVHD: TS. Hồng Sơn

Trong đó

SVTH: Đào Duy Lâm

là hệ số q tải về mơmen. Vì họ đặc tính cơ là những đường thẳng

song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta
(

)

| |

| |

(

)

(1.11)

Hình 1.8: Xác định phạm vi điều chỉnh.
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị

,

,

là xác định, vì vậy

phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β. Khi điều chỉnh điện
áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng
gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ, do đó có thể tính sơ bộ được:
| |

(1.12)

Vì thế tải có đặc tính mơmen khơng đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng
khơng vượt q 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác
duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” như trên là không thoả mãn
được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động
một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các
đặc tính cơ trong tồn giải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc độ tương đối sẽ đạt
giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác nếu đặc tính
cơ thấp nhất của giải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số tốc độ cho

8


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

phép, thì hệ truyền động xẽ 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:

(1.13)

(1.14)

| |

Với các giá trị

,

,

là xác định lên có thể tính được giá trị tối thiểu của

độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số khơng vượt q giá trị cho phép. Để làm việc này
trong đa số các trường hợp cần xây dựng hệ truyền động điện kiểu vịng kín. Trong suốt
qua trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thơng kích từ được giữ ngun, do đó
mơmen tải cho phép của hệ sẽ là khơng đổi:
(1.15)
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường
thẳng

và các trục toạ độ. Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong

,

mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ.
(

)

(
Nếu đặt

+

(1.16)

)

(1.17)

thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là:
(1.18)
(

(

)

(1.19)

)

Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mơmen do động cơ sinh ra đúng bằng mơmen
tải trên trục

và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là
(
9

)

=(

) thì:


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Hình 1.9: Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau.
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong
trường hợp mơmen tải là hằng số trong tồn giải 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.
Nhận xét: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vơ cấp có nghĩa là có thể điều
chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả ở không tải lý tưởng.
1.2.2. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Điều chỉnh từ thơng kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện
từ của động cơ M = Kφ

và sức điện động quay của động cơ

= Kφω. Mạch kích từ

của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thơng cũng là hệ phi tuyến:
(1.20)
Trong đó:

- điện trở đây quấn kích thích
- điện trở của nguồn điện áp kích thích
– số vịng dây của dây quấn kích thích
Trong chế độ xác lập ta có hệ:
10


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

; φ = f[iK]

(1.21)

Thường khi điều chỉnh từ thơng thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị
định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thơng chính là đặc tính có
điện áp phần ứng định mức, từ thơng định mức và được gọi là đặc tính cơ bản (đơi khi
chính là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị
hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thơng để tăng tốc độ
quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy
để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng
cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ
ngun dịng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ
thơng kích thích:
(

)

(1.22)

Hình 1.3: Sơ đồ thay thế (a) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thơng động cơ (b)
Quan hệ φ ( ), (c)
Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ
thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hào của đặc tính
từ hố thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số
kết cấu của máy điện:
11


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

(1.23)

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thơng có thể diều chỉnh
tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

. Phương pháp này được

dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá
trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang
tính kinh tế, thiết bị đơn giản.
1.2.3. Lựa chọn phương án điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Từ những ưu, nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều ta vừa xét ở trên thì chúng ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều bằng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ có những ưu điểm như:
Đặc tính cơ mền, dải điều chỉnh lớn, độ linh hoạt trong điều khiển cao. Do vậy, đề tài này
chọn phương án điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều thông qua việc điều chỉnh điện

áp phần ứng động cơ.
1.3 Điều chế PWM để điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều
1.3.1 Giới thiệu về phương pháp PWM
Phương pháp điều chế PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói
cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông
dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay
cao hơn nữa nó cịn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ. Ngoài lĩnh vực điều
khiển hay ổn định tải thì PWM nó cịn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là: boot,
buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các
mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện
tử cơng suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định. Các
PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hoặc là
sườn âm.
Để dễ hiểu hơn ta có hình vẽ sau:

12


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Hình 1.11: Đồ thị dạng xung điều chế PWM
Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (sườn
dương) nó thay đổi dãn ra hoặc co vào. Và độ rộng của nó được tính bằng phần trăm tức
là độ rộng của nó được tính như sau: độ rộng = (t1/T).100 (%). Như vậy thời gian xung
lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn. Nhìn trên hình vẽ trên thì ta
tính được điện áp ra tải sẽ là:
 Đối với PWM = 25%

thì Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V)

 Đối với PWM = 50%

thì Ut = Umax.50% (V)

 Đối với PWM = 75%

thì Ut = Umax.75% (V)

1.3.2 Nguyên lý của phương pháp PWM.
Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và
một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiện vụ đó
trong mạch các van bán dẫn. Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn, dùng van đóng
cắt bằng Mosfet

13


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Hình.1.12: Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải

Hình 1.13: Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra
Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều
khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM.

14

GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Nguyên lý:
Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa
ra tải. Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì
vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp tồn bộ, một phần hay khóa hồn tồn
điện áp cung cấp cho tải.
Cơng thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải: Gọi to là thời gian xung ở sườn
dương (khóa mở) cịn T là thời gian của cả sườn âm và dương. Nếu Umax là điện áp
nguồn cung cấp cho tải thì
Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D

(1.24)

với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng %.
Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có: Điện áp trùng bình
trên tải sẽ là:
Ud = 12.20% = 2.4V (với D = 20%)

(1.25)

Ud = 12.40% = 4.8V (vói D = 40%)

(1.26)

Ud = 12.90% = 10.8V (với D = 90%)

(1.27)

1.3.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển.
Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng: Bằng phần cứng và
bằng phần mềm. Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực
tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như: 555, LM556...Trong phần mềm được tạo
bằng các chip có thể lập trình được. Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo
bằng phần cứng. Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM
Tạo bằng phƣơng pháp so sánh
Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây:
 Tín hiệu răng cưa, xác định tần số của PWM
 Tín hiệu tựa là một điện áp chuẩn xác định mức cơng suất điều chế (Tín
hiệu DC)

15


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Hình 1.14: Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh
Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1
tín hiệu 1 chiều (Ref)
 Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V
 Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Urmax
Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng
D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw. Với tần số xác
định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng

xung dễ dàng. Ngồi 555 ra cịn rất nhiều các IC tạo xung vng khác
Tạo bằng phƣơng pháp dùng IC dao động:
Như chúng ta đã bít thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông mà
không cần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi và ta
chỉ việc lắp vào là xong. Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần
điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng. Ngồi 555 ra cịn rất nhiều các IC
tạo xung vng khác

16


GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Hình 1.15: Mạch tạo xung đơn giản dung 555
Tạo xung vuông bằng phần mềm:
Đây là cách tối ưu trong các cách để tạo được xung vng. Với tạo bằng phần
mềm cho độ chính xác cao về tần số và PWM. Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất
nhiều. Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU
1.3.4 PWM trong điều khiển động cơ.
Điều mà chúng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động cơ
để điều khiển động cơ như là nhanh, chậm, thuận, nghịch và ổn định tốc độ cho nó. Cái
này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều. và sơ đồ nguyên lý của mạch
điều khiển động cơ DC, đây là mạch đơn giản điều khiển động cơ. Nếu muốn điều khiển
động cơ quay thuận quay ngược thì phải dùng đến cầu H.

17

GVHD: TS. Hồng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC
1.3.5 Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ DC.
Ƣu điểm:
 Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại
bỏ được tổn thất về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra.
 Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính.
 Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM
so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi
xung PWM.
Nhƣợc điểm:
 Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao
 Các xung kích lên 12 Volt có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được
gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng
của vỏ.
 Việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ.

18


GVHD: TS. Hoàng Sơn

SVTH: Đào Duy Lâm

1.4 Mạch cầu H cho việc điều chỉnh tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều.
Mạch cầu H có hai chức năng chính là để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều (thông qua việc điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ nhờ các bộ PWM) và để đảo

chiều động cơ điện một chiều. Hai chức năng này chính là ưu điểm của mạch cầu H đã
được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Sau đây là cấu tạo và nguyên lý làm việc của mạch
cầu H
Dạng 1
Được cấu tạo bởi 4 transitor (Fet) Cùng kênh N. Nguyên lý mạch được cấu tạo
như sau (dùng transitor để mình họa). Đối với dạng này thì được cấu tạo bởi các transitor
cùng kênh N. và chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển kích mở các transitor

Hình 1.17: Sơ đồ nguyến lý mạch cầu H dùng Transistor

Dang 2
Được cấu tạo bởi 2 cặp đôi transitor P, N hay FET (Thuận Ngược). Sơ đồ nguyên
lý cấu tạo của nó được cấu tạo như sau. Đối với thiết kế này quả là thấy khá là ổn định.
Và như thế chúng ta sẽ thấy là cần 4 tín hiệu điều khiển nhưng trong thực tế mình chỉ cần

19