Điều khiển tốc độ và góc quay động cơ, hiển thị bằng lcd

621

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

---    ---

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ GÓC QUAY ĐỘNG CƠ,
HIỆN THỊ BẰNG LCD

Người hướng dẫn :
Người thực hiện :
Lớp
:
Khóa học
:

ThS. NGUYỄN PHÚC NGỌC
PHAN XUÂN TRƯỜNG
51K1 - ĐTVT
2010 - 2015

NGHỆ AN - 2015


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt q trình học tập và hồn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ của thầy cô, các anh chị và các bạn. Với lịng kính trọng
và biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu trường Đại
học Vinh, khoa Điện tử Viễn Thông và các Thầy, Cô đã giảng dạy và đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho em trong suốt q trình học tập và hồn thành đồ án tốt nghiệp.
Đặc biệt, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy ThS Nguyễn Phúc Ngọc đã hết
lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt q
trình học tập và hồn thành đồ án tốt nghiệp.
Sau ba tháng tìm hiểu và thi cơng, em đã hồn thành đồ án tốt nghiệp của mình
và cũng đã tạo ra được sản phẩm thật. Tuy nhiên vì thời gian chuẩn bị khơng nhiều
cùng với kiến thức cịn hạn hẹp, đồ án khơng tránh khỏi những sai sót, em rất mong
nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cơ trong khoa.
Em xin chúc các thầy cơ, các anh chị và tồn thể bạn bè sức khỏe dồi dào, đạt
nhiều thành công trong công việc, học tập và nghiên cứu.

Nghệ An, tháng 1 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Phan Xuân Trường

2


MỞ ĐẦU
Hiện nay, các hệ thống dây chuyền tự động trong các nhà máy, xí nghiệp được sử
dụng rất rộng rãi, vận hành có độ tin cậy cao. Vấn đề quan trọng trong các dây chuyền sản
suất là điều chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chiều quay động cơ để nâng cao năng suất.
Với hệ truyền động điện một chiều được ứng dụng nhiều trong các yêu cầu điều chỉnh
cao, cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi điện tử. Hệ truyền
động một chiều điều chỉnh đồng thời tốc độ và góc quay của động cơ đã trở thành giải pháp

tốt cho các hệ thống có yêu cầu chất lượng cao. Vì vậy, tơi đã lựa chọn đồ án tốt nghiệp với
đề tài “ Điều khiển tốc độ và góc quay động cơ, hiển thị bằng LCD”.
Đồ án thực hiện việc điều khiển động cơ thơng qua vi điều khiển, vì vậy đề tài
nghiên cứu về việc ổn định tốc độ động cơ điện một chiều. Trong giới hạn thời gian
nghiên cứu cho phép, đề tài chỉ phát triển một hệ thống điều khiển đơn giản.
Nội dung của đồ án được trình bày trong ba chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ.
Chương này trình bày các kiến thức về động cơ điện và các phương pháp thay
đổi tốc độ động cơ điện.
Chương 2: Giới thiệu về vi điều khiển 8051.
Chương 2 đi vào tìm hiểu vi điều khiển 8051 và các linh kiện được dùng để thi
công sản phẩm.
Chương 3: Thi công mạch và đánh giá sai số.
Chương 3 tìm hiểu sơ qua về vi điều khiển dùng trong mạch là 89S52 và quy
trình thi cơng để tạo ra sản phẩm. Sau đó trình bày các nguyên nhân sai số của sản
phẩm đã được thiết kế.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của
thầy Nguyễn Phúc Ngọc và các thầy cô trong khoa điện tử viễn thông đã tạo điều kiện
thuận lợi cho em hoàn thành đề tài này.
Sinh viên thực hiện
PHAN XUÂN TRƯỜNG

3


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án thực hiện việc điều khiển tốc độ và góc quay động cơ thơng qua vi điều
khiển 8051, chính vì vậy đề tài nghiên cứu việc ổn định tốc độ động cơ điện một
chiều, hệ truyền động một chiều điều chỉnh đồng thời tốc độ và góc quay của động cơ.
Trong giới hạn thời gian nghiên cứu cho phép, đề tài chỉ phát triển một hệ thống điều

khiển đơn giản. Các thiết bị được giám sát và điều khiển tiêu tốn rất ít năng lượng sẽ
mang lại lợi ích kinh tế và hiệu quả sử dụng cao. Sau ba tháng thực hiện, em đã hoàn
thành được sản phẩm của mình. Mạch đã điều khiển được tốc độ động cơ và góc quay
theo ý của người sử dụng.

ABSTRACT

The thesis performance controlled adjustable speed and angle of rotation of the
motor via the control 8051, so deep research on steady speed DC motors, DC
transmissions adjustable speed and angle of rotation of the motor.In limited studies
allow subject developed a simple control system. Devices are monitored and
controlled consumes very little energy will bring economic benifit and high efficiency.
After three months of performance, I have completed the product. The circuit is
controlled adjustable speed and angle of rotation of the motor of the user

4


MỤC LỤC
TRANG
LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………………2
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................3
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .........................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................8
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ. .9
1.1. Tổng quan về động cơ điện. .....................................................................................9
1.1.1. Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện .................................................................9
1.1.2.Cấu tạo ..................................................................................................................10
1.1.3. Các thông số định mức ........................................................................................13

1.1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: ...............................................13
1.1.5. Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện: .....................................................14
1.2. Điều khiển tốc độ: ..................................................................................................17
1.2.1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: .....................................................18
1.2.2. Các đặc tính cơ khi đảo chiều quay: ....................................................................23
1.2.3. Các chỉ tiêu chất lượng: .......................................................................................24
1.2.4. Phạm vi điều chỉnh D: .........................................................................................24
1.2.5. Độ trơn điều chỉnh: ..............................................................................................25
1.2.6. Sai số tốc độ: .......................................................................................................25
1.2.7. Chỉ tiêu kinh tế: ...................................................................................................25
CHƯƠNG II - GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 ........................................25
2.1. Định hướng thiết kế: ...............................................................................................26
2.2. Tổng quan về vi xử lý 8051:...................................................................................28
2.2.1. Sơ đồ khối : ..........................................................................................................28
2.2.2. Sơ đồ và chức năng các chân của vi điều khiển 8051: ........................................30
2.2.3. Tổ chức bộ nhớ: ...................................................................................................32
2.2.4 Thanh ghi ghi chức năng đặc biệt (SFR= Special Function Registers): ..............35
2.2.5. Phầm mềm lập trình vi điều khiển:......................................................................36
2.3. Khối hiển thị: ..........................................................................................................37
2.4. Khối nhập giá trị: ....................................................................................................39
5


2.5. Khối nguồn: ............................................................................................................39
2.6. Mạch đảo chiều động cơ:........................................................................................40
2.7. IC UNL2803: ..........................................................................................................41
CHƯƠNG III - THIẾT KẾ MẠCH VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ................................41
3.1 Giới thiệu về vi điều khiển AT89S52: ....................................................................42
3.2. Sơ đồ khối: ..............................................................................................................49
3.3. Sơ đồ nguyên lý: .....................................................................................................49

3.4. Lưu đồ thuật toán:...................................................................................................50
3.5. Thiết kế mạch thực tế: ............................................................................................51
3.6. Nguyên nhân gây ra sai số của mạch: ....................................................................51
3.7. Ứng dụng………………………………………………………………………....54
KẾT LUẬN ..................................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................55
PHỤ LỤC .....................................................................................................................56

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Mặt cắt dọc động cơ điện . ............................................................................10
Hình 1.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song ...............................................14
Hình 1.3: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập . .................................................14
Hình 1.4: Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập ..............................16
Hình 1.5: Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập . ............................17
Hình 1.6: Điều chỉnh độ rộng xung PWM. ...................................................................18
Hình 1.7: Dạng sóng dịng và áp trên động cơ ..............................................................19
Hình 1.8: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ..........................................20
Hình 1.9: Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng ...20
Hình 1.10: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cánh thay đổi từ thơng Φ . ..................21
Hình 1.12: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư .................................22
Hình 1.13: Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Uư ........23
Hình 1.14: Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo Uư . .........................................................24
Hình 1.15: Xác định phạm vi điều chỉnh của động cơ ĐMdl . ......................................25
Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản của 8051 ...............................................................................28
Hình 2.2: Sơ đồ chân của vi mạch 8051 ........................................................................31
Hình 2.3: Sơ đồ tổ chức bộ nhớ .....................................................................................33

Hình 2.4: Sơ đồ tổ chức 128 byte thấp trong ram họ 8051 ...........................................34
Hình 2.5: Màn hình LCD...............................................................................................37
Hình 2.6: Khối phím bấm ..............................................................................................39
Hình 2.7: Mạch nguồn ...................................................................................................39
Hình 2.9: Phần mạch đảo chiều động cơ. ......................................................................40
Hình 2.10: Sơ đồ chân ULN 2803 .................................................................................41
Hình 3.1: Vi điều khiển AT89S52 .................................................................................42
Hình 3.2: Sơ đồ chân vi điều khiển AT89S52...............................................................44

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1: Chức năng các chân của vi điều khiển 8051. ................................................31
Bảng 2.2: Trạng thái khi reset của các thanh ghi. .........................................................36
Bảng 2.3: Chức năng các chân của LCD .......................................................................37
Bảng 2.4: Bảng thông số của ULN 2403 .......................................................................41
Bảng 3.1: Chức năng thanh ghi PSW ............................................................................47

8


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1.1. Tổng quan về động cơ điện
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều.
Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như
công nghiệp.
Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stator đứng yên và rotor quay so với stator.

Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stator) tạo ra từ trường đi trong mạch từ,
xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rotor). Khi có dịng điện
chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện
từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rotor, làm cho rotor quay. Tùy theo cách mắc
cuộn dây rotor và stator mà người ta có các loại động cơ sau:
-Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stator) và cuộn dây phần
ứng (rotor) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt.
-Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần
ứng.
Đối với loại động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn dây kích từ
bởi nam châm vĩnh cửu, khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng nam châm vĩnh
cửu. Đây là loại động cơ được sử dụng trong đồ án này [2].
1.1.1. Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện
Khi có một dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi, cạnh phía
bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, khi đó cạnh đối diện lại bị tác
động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này
gây tác động quay lên cuộn dây và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục
và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dịng điện sau mỗi vị trí ứng
với 1/2 chu kỳ. Nhưng vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ
trường, nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 o so với phương ban
đầu của nó thì khi đó rotor sẽ quay theo qn tính.
Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều
phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dịng điện và lực quay được liên tục và hầu
như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor.

9


Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:
E= K. Ω

V= E + chỉ số Rư.Iư
M= K.Φ. chỉ số Iư
Với:
Φ: Từ thơng trên mỗi cực(Wb)
Iư: dịng điện phản ứng (A)
V: Điện áp phản ứng (V)
Rư: Điện trở phản ứng (Ohm)
Ω : tốc độ động cơ(rad/s)
M: moment động cơ (Nm)
K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ
1.1.2.Cấu tạo
Động cơ điện một chiều gồm có hai phần chính:

1

2
3
4
5
6
7

8
9
10

Hình 1.1: Mặt cắt dọc động cơ điện.
Cấu tạo:
1- võ máy ( gông từ )
2- cực từ chính

3- dây quấn cực từ chính
4- cực từ phụ
5- dây quấn cực từ phụ
6- dây quấn phần ứng
10


7- lõi sắt phần ứng
8- rãnh phần ứng
9- răng phần ứng
10- má cực từ
a) Phần tĩnh ( stator )
Đây là phần đứng yên của máy, nó bao gồm các bộ phận chính sau:
- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và và dây
quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật
điện hay thép cacbon dày 0.5mm đến 1mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ được
quấn bằng dây đồng bọc cách điện kỹ thành một khối và được sơn cách điện trước khi
đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với
nhau.
- Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi
chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có
đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào
vào nhờ những bulông .
- Gông từ: Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy. Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
- Các bộ phận khác:
+ 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 phải điện. Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp
máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong những trường hợp này nắp thường làm

bằng gang.
+ Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than
gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lị xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi
than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay
được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít
cố định chặt lại.
b) Phần quay ( rotor )
Đây là phần quay ( động ) của động cơ gồm có các bộ phận sau.

11


- Lõi sắt phần ứng: Là lõi sắt dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ
thuật điện ( thép hợp kim silic ) dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai lớp mặt rồi ép
chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng
rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
+ Trong những máy lớn thì lõi sắt thường được chia thành từng đoạn
nhỏ. Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thơng gió ngang trục. Khi máy làm
việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt.
+ Trong những máy cỡ trung bình trở lên, người ta cịn dập những lỗ thơng gió
để khi ép lại thành lõi sắt có thẻ tạo được những lỗ thơng gió dọc trục.
+ Trong máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
- Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua.
Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ
thường dùng dây có thiết diện trịn. Trong máy điện vừa và lớn, thường dùng dây có
tiết diện chữ nhật dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt
hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
- Cổ góp: Cổ góp cịn gọi là vành góp hay vành đổi chiều, dùng để đổi chiều
dòng điện xoay chiều thành một chiều.

Kết cấu của cổ góp gồm nhiều phiến đồng có hình đi nhạn cách điện với
nhau bằng lớp mica dày 0.4 đến 1.2mm và hợp thành hình trụ trịn. Hai đầu trụ trịn
dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ trịn cũng cách điện bằng
mica. Đi vành góp có cao hơn lên một tí để hàn các đầu dây của các phần tử dây
quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
- Các bộ phận khác: Gồm có cánh quạt và trục máy.
+ Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế
theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp máy có lỗ thơng gió. Cánh quạt lắp trên trục máy, khi
máy quay cánh quạt hút gió từ ngồi vào máy. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và
dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.
+ Trục máy: Là phần trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục
máy thường làm bằng thép cacbon tốt [2].

12


1.1.3. Các thông số định mức
Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều
kiện mà xưởng chế tạo đã qui định. Chế độ đó được đặt trưng bằng những đại lượng
ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức. Trên nhãn máy thường ghi
những đại lượng sau:
Công suất định mức Pdm ( kw hay w );
Điện áp dịnh mức Udm ( V );
Dòng điện định mức Idm ( A );
Tốc độ định mức ndm ( vg/ph );
Ngồi ra cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dịng điện kích từ và các số liệu
về dòng điện sử dụng…
Cần chú ý là công suất định mức của động cơ ở đây là công suất cơ đưa ra ở đầu
trục động cơ.
1.1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là một máy điện biến đổi năng lượng điện của dòng một
chiều thành cơ năng. Trong q trình biến đổi đó, một phần năng lượng của dòng xoay
chiều bị tiêu tán do các tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ, phần cịn lại
năng lượng được biến thành cơ năng trên trục động cơ.
Khi có dịng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng
sẽ sinh ra từ trường ở phần tĩnh. Từ trường này có tác dụng tương hỗ lên dòng điện
trên dây quấn phần ứng tạo ra mômen tác dụng lên rotor làm cho rotor quay. Nhờ có
vành đổi chiều nên dịng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng một chiều đưa
vào dây quấn phần ứng. Điều này làm cho lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần
ứng không bị đổi chiều và làm động cơ quay theo một hướng.
Công suất ứng với mômen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ
và bằng [1]:
Pdt = M . ω = Eư .Iư ;
Trong đó :

M : là mơmen điện từ;
Iư : Dòng điện phần ứng ;
Eư : Suất điện động phần ứng ;
ω : Tốc độ góc phần ứng ;

và

ω =

2. .n
;
60

13

(1-1)


1.1.5. Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện
Khi nguồn điện một chiều có cơng suất vơ cùng lớn và điện áp khơng đổi thì
mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi
động cơ kích từ song song.

Hình 1.2: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song
Khi nguồn điện một có cơng suất khơng đủ lớn thì mạch phần ứng và kích từ mắt vào
hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ được gọi là kích từ độc lập.
_

+

Uư
Iư

Ikt

E

Rf

←
Ckt

Rkt

Ukt

_

+

Hình 1.3: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập.
Do trong thực tế đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song
song hầu như là giống nhau, nên ta xét chung đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động
cơ điện kích từ độc lập.
Theo sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta viết được
phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập như sau [1]:
Uư = E + (Rư + Rf).Iư ;
Trong đó :

Uư :Điện áp phần ứng ( V ) ;
E : Suất điện động phần ứng ( V ) ;
Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ) ;
Rư :Điện trở của phần ứng (Ω ) ;
14

(1-2)


Với Rư = rư + rcf + rcb + rtx ;
Trong đó :

rư : Điện trở dây phần ứng (Ω) ;
rcf : Điện trở cực từ phụ (Ω) ;
rcb : Điện trở cuộn bù (Ω) ;
rtx : Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω) ;

Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức [1]:
E =

P.N
.Φ. ω = KΦ. ω
2. .a

(1-3)

Trong đó : P : Số đơi điện cực chính ;
N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a : Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
ω : Tốc độ góc ( rad/s) ;
Φ : Từ thơng kích từ chính một cực từ ( Wb ) ;
P.N
: Hệ số kết cấu của động cơ.
2. .a

Đặt K =

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì E = Kc.Φ.n và
ω=

n
2. .n
=
;
60
9,55

Vì vậy : Eư =

K
P.N
. Φ.n = Kc.Φ.n =
.Φ.n = 0,105K.Φ.n ;
60.a
9,55

Trong đó : Kc : Hệ số sức điện động của động cơ.
Từ các phương trình trên ta có :
ω =

U u,
K .



Ru ,  R f
K .

. Iư

(1-4)

Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.
Mặt khác ta có mơmen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo
biểu thức:

Mdt = K.Φ.Iư ;
Suy ra Iư =
ω =

U u,
K .



(1-5)

M dt
, thay Iư vào (1-4) ta có:
K .

Ru ,  R f
( K . ) 2

.Mdt ;

(1-6)

15


Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất ma sát trong ổ trục thì ta có thể coi mơmen cơ
trên trục động cơ bằng mômen điện từ và ký hiệu là M:
Mdt = Mco = M ;
Suy ra : ω =

U u,
K .

Ru ,  R f



( K . ) 2

.M ;

(1-7)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
- Có thể biểu diễn phương trình đặc cơ dưới dạng khác.
ω = ω0 - ∆ω;
U u,

Trong đó : ω0 =

K .

∆ω =

(1-8)

; Gọi là tốc độ không tải lý tưởng.

Ru ,  R f
( K . )

2

.M =

Ru ,

 .M : Gọi là độ sụt tốc.
( K . ) 2

Giả thiết phần ứng được bù đủ từ thông của động cơ Φ = const, thì các phương
trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến tính. Đồ thị của
chúng được biểu diễn trên đồ thị là những đường thẳng.
Nếu xét đến tất cả các tổn thất thì : M co = Mdt ± ∆M;
ω
ω0
ωdm

0

Idm

Inm

Iư

Hình 1.4: Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập
Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì ta có: ω = ω0 =

U u,

K .

, lúc này động

cơ đạt tốc độ không tải lý tưởng.
Cịn khi ω = 0 thì ta có :
Iư =
Và

U u,
Ru ,  R f

= Inm ;

(1-9)

M = K.Φ.Inm =Mnm ;

(1-10)

Với Inm , Mnm : Gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.

16


Hình 1.5: Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
1.2. Điều khiển tốc độ động cơ:
Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt
vào nó, và lực quay tỷ lệ với dòng điện. Điều khiển tốc độ của động cơ có thể bằng
cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp nguồn thay

đổi được, dùng điện trở hoặc các mạch điện tử... Chiều quay của động cơ có thể thay
đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần kích từ hoặc phần ứng, nhưng
khơng thể được nếu thay đổi cả hai. Thông thường sẽ được thực hiện bằng các bộ công
tắc tơ đặc biệt (Công tắc tơ đổi chiều).
Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạch một điện trở nối tiếp
hoặc sử dụng một thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp bằng thyristor,
transistor hoặc loại cổ điển hơn nữa bằng các đèn chỉnh lưu hồ quang thủy ngân.
Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áp trung bình đặt vào động cơ
thay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật nhanh. Khi tỷ lệ thời gian "on"
trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình. Tỷ lệ phần trăm thời
gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp
trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời
gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V. Trong thời gian "off", điện áp cảm ứng
của phần ứng sẽ làm cho dòng điện không bị gián đoạn, qua một điốt gọi là điốt phi
hồi, nối song song với động cơ.
Vì động cơ điện một chiều kiểu nối tiếp có thể đạt tới mơ men quay cực đại từ khi
vận tốc cịn nhỏ, nó thường được sử dụng để kéo, chẳng hạn đầu máy xe lửa hay tàu
điện. Dạng đơn giản nhất là dùng một bộ đóng cắt và điện trở làm yếu từ trường, một
bộ điều khiển điện tử sẽ giám sát dòng điện của động cơ và sẽ chuyển mạch, đưa các

17


điện trở suy giảm từ vào mạch khi dòng điện của động cơ giảm thấp hơn giá trị đặt
trước.
Khi điện trở được đưa vào mạch, nó sẽ làm tăng tốc động cơ, vượt lên trên tốc độ
thông thường ở điện áp định mức. Khi dòng điện tăng bộ điều khiển sẽ tách điện trở ra
và động cơ sẽ trở về mức ngẫu lực ứng với tốc độ thấp.
Một phương pháp khác thường được dùng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều
là phương pháp điều khiển theo kiểu Ward-Leonard. Đây là phương pháp điều khiển

động cơ một chiều (thường là loại kích thích song song hay hỗn hợp) bằng cách sử
dụng nguồn điện xoay chiều, mặc dù nó khơng được tiện lợi như những sơ đồ điều
khiển một chiều. Nguồn điện xoay chiều được dùng để quay một động cơ điện xoay
chiều, thường là một động cơ cảm ứng, và động cơ này sẽ kéo một máy phát điện một
chiều. Điện áp ra của phần ứng máy phát một chiều này được đưa thẳng đến phần ứng
của động cơ điện một chiều cần điều khiển. Cuộn dây kích từ song song của cả máy
phát điện và động cơ điện một chiều sẽ được kích thích độc lập qua các biến trở kích
từ.
Có thể điều khiển tốc độ động cơ rất tốt từ tốc độ = 0 đến tốc độ cao nhất với ngẫu
lực phù hợp bằng cách thay đổi dịng điện kích thích của máy phát và động cơ điện
một chiều. Phương pháp điều khiển này đã được xem là chuẩn mực cho đến khi nó bị
thay thế bằng hệ thống mạch rắn sử dụng thyristor [1].
1.2.1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:
Đối với loại động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cữu, để thay đổi tốc
độ, ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp 1 chiều thay đổi thường khó
khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM).

Hình 1.6: Điều chỉnh độ rộng xung PWM.
18


Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm vụ (Duty
cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ. Do đặc tính cảm kháng của động
cơ, dịng qua động cơ là dịng liên tục, gợn sóng như sau:

Hình 1.7: Dạng sóng dịng và áp trên động cơ
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến phương trình
đặc tính cơ đó là từ thơng , điện áp phần ứng, điện trở phần ứng của động cơ. Thay đổi
các tham số trên ta thay đổi được tốc độ và mơmen động cơ theo ý muốn. Do phương
trình đặc tính cơ phụ thuộc vào ba tham số trên, tương ứng với đó ta sẽ có ba phương

pháp điều chỉnh tốc độ động cơ [2].
a) Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf
:
Giả thiết Uư = Udm = const và Φ = Φdm = const
Ta có phương trình đặc tính cơ tổng quát :
ω =

U u,

K .



Ru ,  Ru ' f
( K . ) 2

.M

hay ω = ω0 - ∆ω ;

Tốc độ không tải lý tưởng : ω0 =
Độ cứng đặc tính cơ :

U u,
K .

β =

= const ;

(1-10)

( K . dm ) 2
M
= –
;
Ru ,  R f


(1-11)

Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắt thêm
điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ. Khi thay đổi điện trở phụ Rf thì tốc độ
khơng tải lý tưởng ω0 = cont , còn ∆ω sẽ thay đổi theo Rf như vậy lúc này các đường
đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω0. Từ công thức (1-11) ta
thấy khi điện trở phụ Rf = 0 thì β có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc tính cơ tự
19


nhiên, cịn khi Rf càng lớn thì β càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải
nhất định.

Hình 1.8 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện trở
phụ của mạch phần ứng .
Ta có: 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 < ….. thì ωdm > ω1 > ω2 > ω3 > ….nhưng nếu ta tăng
Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ≤ Mc dẫn đến động cơ sẽ quay không được
và động cơ sẽ làm việc ở chế độ ngắn mạch ω = 0, đến bây giờ ta có thay đổi Rf thì
động cơ vẫn khơng khơng quay nữa. Do đó phương pháp này gọi là phương pháp điều
chỉnh tốc độ không triệt để.
ω

ω0

TN
Rf1
Rf2
Rf3

0
Mc

Mnm

M

Hình 1.9 : Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện
trở phụ phần ứng
Vậy ứng với một phụ tải Mc nào đó nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng
giảm, đồng thời dịng điện ngắn mạch Inm và mơmen ngắn mạch Mnm càng giảm, cho
nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều
chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.

20


b) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ của
động cơ :
Giả thiết điện áp phần ứng : Uư = Udm = const;
Từ phương trình đặc tính cơ tổng qt :
ω =

U u,

K .



Ru '
.M ;
( K . ) 2

→ ω = ω0 - ∆ω ;
Trong trường hợp này tốc độ không tải : ω0x =
Độ cứng đặc tính cơ : β = –

U u,
K .

;

( K . x ) 2
;
Ru ,

Ta thấy rằng thay đổi từ thơng Φ thì ω0 và ∆ω đều thay đổi, dẫn đến ω thay đổi
theo. Vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần ( Do độ cứng đặc
tính cơ β giảm ) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi Φ càng nhỏ, với tải như nhau thì
tốc độ càng tăng khi giảm tư thông Φ.
Như vậy ứng với Φdm > Φ1 > Φ2>…….thì ωdm < ω1 < ω2 <……, nhưng nếu
giảm Φ q nhỏ thì ta có thể làm cho tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho phép,
làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để đảm bảo

chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dịng phần ứng và như vậy sẽ làm cho
momen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải.
+

Uư
Ckt

Ikt

Iư

Rktf

E
←

Hình : 1.10: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cánh thay đổi từ thông Φ.

21


ω
ω02

Φ2

ω01
ω2

ω0dmm

Φ1

ω1
ωdm

Φdm

Mc

Mn2

Mn1

M

Hình 1.11: Đăc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi từ thông Φ .
c) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của
động cơ:
Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const, khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng
giảm so với Udm.
Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:
ω=

U u,

K .



Ru ,

( K . ) 2

.M

→ ω = ω0 - ∆ω ;
Ta có :
Tốc độ khơng tải : ω0x =
Độ cứng đặc tính cơ : β =

Udk

Ux
K . dm

;

( K . dm ) 2
= const
Ru ,

BBĐ
Uư
Iư

+

Ikt

←
-

Ckt

Hình 1.12: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư

22


Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ω0 thay đổi cịn ∆ω = const , vì vậy ta sẽ được
họ các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau. Nhưng muốn thay đổi Uư thì
phải có bộ nguồn một chiều thay đổi đươc điện áp ra, thường là dùng các bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi có thể là:
+ Bộ biến đổi máy điện: Dùng máy phát điện một chiều ( F ), máy điện khuếch đại
( MĐKĐ ).
+ Bộ biến đổi từ: Khuếch đại từ ( KĐT ) một pha, ba pha.
+ Bộ biến đổi điện từ - bán dẫn: Các bộ chỉnh lưu ( CL ), các bộ băm điện áp
( BĐA ), dùng transistor và thuyistor.
ω
ω0
ω01

Udm

ω02

U1
U2

ω03

U3
0

M

Mc

Hình 1.13: Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Uư .
Ta thấy rằng, khi thay đổi điện áp phần ứng ( giảm áp ) thì mơmen ngắn mạch
Mnm và dịng điện ngắn mạch Inm 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.
1.2.2. Các đặc tính cơ khi đảo chiều quay:
Giả sử động cơ đang làm việc ở điểm A theo chiều quay thuận của động cơ trên
đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc.

ω =

U udm
Rudm

.M
K dm ( K dm ) 2

(1-12)

Với M = Mc thì ω = ωA = ω thuận.

Muốn đảo chiều động cơ, ta có thể đảo chiều điện áp phần ứng hoặc đảo chiều
từ thơng kích từ động cơ. Khi đảo chiều điện áp phần ứng thì ω0 đảo dấu, cịn ∆ω thì
khơng đảo dấu, đặc tính cơ khi quay ngược chiều là:
23


ω =

Ru  Ruf
 U u
.M

K ( I u ) K ( I u )2

(1-13)
ω

–

+

ω0

Uư

Ikt

M
A

ωơđ
Rktf

Ckt

(ĐCth)

Mc

Mc
E
Iư

M

(ĐCng)

Rưf

←
M

A’
ω

a)

Hình 1.14 :

ω

-ωơđ
-ω0
b)

a ) Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo Uư.
b ) Đặc tính cơ hãm ngược bằng cách hãm Uư .

Động cơ quay ngược chiều tương ứng với điểm A’ trên đặc tính cơ tự nhiên bên
ngược hoặc trên đặc tính cơ nhân tạo [2].
1.2.3. Các chỉ tiêu chất lượng:
Động cơ điện một chiều có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ cơ bản:
- Phương pháp thay đổi thông số của điện trở phụ Rf của mạch phần ứng động cơ.
- Phương pháp thay đổi thông số từ thông Φ của động cơ.
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uư của động cơ.
Nói chung, mỗi phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều đều có ưu nhươc
điểm nhất định của nó. Do đó khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động ta phải căn cứ
vào các yêu cầu của các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng để chọn phương án.
1.2.4. Phạm vi điều chỉnh D:
Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất ωmax và tốc độ nhỏ
nhất ωmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức.
D =

 max
;
 min

Ta mong muốn tăng D tuy nhiên D vẫn hữu hạn đối với các phương pháp. Vì
ωmax khơng thể tăng q lớn do nó phụ thuộc vào độ bền cơ khí của động cơ. Còn ωmin
thường bị hạn chế bởi yêu cầu về mômen khởi động, về khả năng quá tải, về sai số tốc

độ làm việc cho phép.
24


ω
ω01
ωmax

∆ωc

ω02
ωmin

β1

β2
Mc

M

Hình 1.15: Xác định phạm vi điều chỉnh của động cơ ĐMdl .
1.2.5. Độ trơn điều chỉnh:
Là sự chênh lệch giữa hai cấp tốc độ liền nhau.
φ=
Trong đó :

 i 1
i

ωi : Tốc độ ổn định đạt được ở cấp i.

ωi+1 Tốc độ ổn định đạt được ở cấp i+1.

Hệ số φ càng nhỏ càng tốt, lý tưởng là φ → 1 đó là hệ điều chỉnh vơ cấp, cịn hệ
điều chỉnh có cấp khi φ ≠ 1.
1.2.6. Sai số tốc độ:
S% =
Trong đó : ω :

0  
1
. 100% = ∆ωc% =
;
0


Tốc độ làm việc thực của động cơ.

ω0: Tốc độ không tải của động cơ.
∆ωc : Độ sụt tốc độ khi mômen tải thay đổi

Mc = 0 → Mdm.

Sai số càng nhỏ, điều chỉnh càng chính xác và lý tưởng, ta có thể điều chỉnh tuyệt
đối chính xác khi S % = 0. Thực tế người ta phải thiết kế các hệ truyền động điều
chỉnh có độ chính xác đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, như truyền động
chính của máy cắt gọt kim loại yêu cầu S % ≤ 10%, truyền động ăn dao S% ≤ 5%.
1.2.7. Chỉ tiêu kinh tế:
Chỉ tiêu kinh tế là chỉ tiêu quyết định sự lựa chọn của phương án truyền động. Hệ
truyền động điện điều chỉnh tốc độ cần đạt có vốn đầu tư thấp, giá thành hạ, chi phí vận hành,
bảo quản, sữa chữa ít, đặc biệt là tiêu tốn năng lượng khi điều chỉnh và vận hành nhỏ.

Việc tính tốn cụ thể các chỉ tiêu liên quan nêu trên sẽ cho thấy hiệu quả kinh tế,
thời gian hồn vốn và lợi ích nhờ việc sử dụng hệ điều chỉnh đã chọn.
1.3. Kết luận:
Chương này đã trình bày những hiểu biết của em về động cơ điện cũng như tìm
hiểu về các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ. Các chỉ tiêu chất lượng của động cơ
sau khi hoàn thiện sản phẩm. Chương này đã giúp em hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như
nguyên lý hoạt động của động cơ điện.
25