Tài liệu Điều khiển động cơ 1 chiều dùng 8051 pptx

Luận văn


Đề Tài:


Điều khiển động cơ 1 chiều
dùng 8051



TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
LỜI NÓI ĐẦU
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - i -

Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều khiển vận hành
hiệu quả các thiết bò nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm
được chi phí sản xuất cũng như mọi chi phí cho việc trùng tu bảo dưỡng thiết bò sản
xuất giữ một vò trí quan trọng.

Điều khiển máy điện là một lónh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết bò, khí cụ và sơ
đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động như mô
men, tốc độ hay điều khiển vò trí tuỳ theo các yêu cầu phát sinh của mỗi loại hình 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 đònh 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, .v.v…

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.

LỜI NÓI ĐẦU
- ii -
Trong phạm vi luận án này, em xin trình bày vấn đề về điều khiển tốc độ động cơ
một chiều dùng họ vi điều khiển 8051 bằng phương pháp độ rộng xung.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và góp ý của các Thầy, các Cô khoa Điện—
Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản luận án này. Một lần nữa,
em xin cảm ơn Thầy Dương Hoài Nghóa đã hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình em
làm luận án.

Do kinh nghiệm và trình độ còn hạn chế, phần thể hiện và trình bày còn nhiều
khiếm khuyết. Kính mong q Thầy cô bỏ qua cho em.

Trân trọng kính chào,
TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2002






Sinh viên: Trần Xuân Khánh.

PHẦN MỤC LỤC
- iii -

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU i
MỤC LỤC iii
PHẦN I GIỚI THIỆU iv
Chương 1 CƠ SỞ CHUNG 1
A. KHÁI NIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2
B. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 4
C. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 7
D. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG 8
E. MÔ MEN CẢN 9
F. QUY ĐỔI CÁC ĐẠI LƯNG VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ 10
G. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 12
Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 15
A. CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 16
B. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 19
C. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 31
D. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 36
PHẦN II THIẾT KẾ 67
Chương 3 MẠCH PHẦN CỨNG 68
A. SƠ ĐỒ 69
B. CHỨC NĂNG CỦA TỪNG BỘ PHẬN 71
C. HOẠT ĐỘNG CỦA SƠ ĐỒ 77
Chương 4 PHẦN MỀM ASSEMBLER 79
D. GIẢI THUẬT 80

E. CHỨC NĂNG CỦA TỪNG CHƯƠNG TRÌNH CON 88
F. CHƯƠNG TRÌNH 92
Chương 5 PHẦN MỀM VISUAL BASIC 99
G. NHIỆM VỤ CỦA PHẦN MỀM 102
H. GIẢI THÍCH HOẠT ĐỘNG 103
I. CHƯƠNG TRÌNH 104
Chương 6 KẾT QUẢ 119
J. MẠCH THI CÔNG 120
K. GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY TÍNH 121
PHẦN III KẾT LUẬN 122
PHẦN IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 124
PHẦN V PHỤ LỤC 126
1. GIỚI THIỆU MCS-8051 127
2. CỔNG NỐI TIẾP 140
3. GIỚI THIỆU CÁC VI MẠCH SỬ DỤNG VÀ LINH KIỆN KHÁC 152
4. GIỚI THIỆU VỀ CHOPPER HAI-PHẦN TƯ , CÁC CHOPPER NHIỀU PHA
VÀ CHOPPER THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHOPPER 172

PHẦN I
-iv-




PHẦN I

GIỚI
THIỆU

Chương 1 CƠ SỞ CHUNG
A. KHÁI NIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
B. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
C. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
D. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG
E. MÔ MEN CẢN
F. QUY ĐỔI CÁC ĐẠI LƯNG VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ
G. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
A. CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
B. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
C. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
D. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

PHAÀN I - CHÖÔNG 1
- 1 -

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 2 -

A—KHÁI NIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN



Một hệ truyền động là một hệ thống công nghiệp thực hiện biến đổi năng lượng
điện sang năng lượng cơ (ở chế độ động cơ) hay ngược lại ở chế độ hãm máy phát phục
vụ việc chạy các quy trình sản xuất khác nhau như là: các nhà máy sản xuất, vận
chuyển người và hàng hóa, các đồ dùng trong nhà, các máy bơm, các máy nén khí,
truyền động cho ổ đóa máy tính, các rôbốt, các máy nghe nhạc, xem phim .v.v…
Ngày nay, truyền động điện tiêu thụ khoảng 50% năng lượng điện sản xuất được.
Các hệ truyền động có thể chạy thay đổi tốc độ hoặc chạy với tốc độ không đổi.

Động cơ xoay
chiều
Ghép nối đàn
hồi
Máy sản xuất

(Phụ tải)
Hệ thống
bảo vệ và khởi
động/dừng bằng cơ-điện
hoặc điện tử.
3 pha

Hình 1.1 Truyền động tốc độ hằng.

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 3 -

Truyền động điện tốc độ thay đổi có động cơ điện (dòng điện xoay chiều), bộ ghép
nối đàn hồi, tải cơ khí (máy sản xuất) và hệ thống bảo vệ và đóng / mở bằng cơ điện
hay điện tử. Ngày nay gần (75-80)% truyền động điện vẫn còn là loại truyền động ở
tốc độ không đổi vì không có nhiều ứng dụng yêu cầu đến điều khiển tốc độ ngoại trừ
trường hợp lúc khởi động, ngừng và trong hoạt động bảo vệ.
Tuy nhiên còn khoảng (20-25)% cần đến điều khiển tốc độ và mô men sao cho
thích hợp với phụ tải cơ khí. Các bộ biến đổi điện tử tỏ ra có nhiều đặc trưng mạnh
trong việc thay đổi và duy trì mức năng lượng cung cấp thích hợp với loại phụ tải cần

đến điều khiển tốc độ hay mômen như : máy công cụ, rôbốt, truyền động cho đóa máy
tính, các phương tiện chuyên chở, v.v…
Về cấu trúc, một hệ thống truyền động điện nói chung, bao gồm các khâu:

Động cơ xoay
chiều
Ghép nối đàn
hồi
Máy sản xuất

(Phụ tải)
Hệ thống bảo vệ và đóng
/ mở bằng cơ-
điện hoặc
điện tử.
3 pha



Hệ thống bộ
biến đổi nguồn
điện tử
Hình 1.2 Truyền động tốc độ thay đổi

Ghép nối đàn
hồi
Máy sản xuất

(Phụ tải)
1 pha

Động cơ một
chiều
Hệ thống bảo vệ và bộ
cầu dao cơ điện.
PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 4 -
1. Bộ biến đổi: dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc
ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại), biến đổi
mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số,v.v…. Các bộ biến đổi
thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát—động cơ (hệ F-Đ), các chỉnh lưu có điều
khiển và không điều khiển, các bộ biến tần,v.v….
2. Động cơ điện: dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện
năng (khi hãm điện). Các động cơ điện thường dùng là:
− Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ rotor lồng sóc hay dây quấn;
− Động cơ điện một chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp hay kích
từ bằng nam châm vónh cửu;
− Động cơ điện xoay chiều ba pha có cổ góp;
− Động cơ đồng bộ…
3. Khâu truyền lực: dùng để truyền lực từ trục động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc
dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tònh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về
tốc độ, mô men, lực. Để truyền lực có thể dùng các bánh răng, trục vít, xích, đai truyền,
các bộ ghép nối đàn hồi….
4. Cơ cấu sản xuất hay máy sản xuất: thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ
(gia công chi tiết, nâng—hạ tải trọng, dòch chuyển…)
5. Khối điều khiển: là các thiết bò dùng để điều khiển bộ biến đổi, động cơ điện, cơ
cấu truyền lực.
Sử dụng trong khối này có thể là các khí cụ đóng cắt mạch có tiếp điểm (các relay,
contactor) hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn), các bộ khuyếch đại, các bộ điều

chỉnh (regulator), các máy tính, các bộ vi xử lí (microprocessor), các bộ điều chỉnh
theo chương trình, CPU, PLC, CNC….
Các thiết bò đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là
các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang….
Một hệ thống truyền động điện không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu như đã
nêu. Tuy nhiên, một hệ truyền động điện bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính:
− Phần lực: bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện.
− Phần điều khiển.
Một hệ truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, được gọi là hệ
kín khi có phản hồi nghóa là đại lượng đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng một
tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đại lượng đầu ra đạt một giá
trò mong muốn nào đó.

B—PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Một sơ đồ tóm tắt chỉ ra các ứng dụng chủ yếu và giới hạn công suất các dạng
truyền động điện chính như sau:
PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 5 -

Các ứng dụng như bơm trữ cho nhà máy thuỷ điện bằng các tổ máy được chế tạo có
công suất 100MW hoặc hơn nữa.
Mức độ vận hành cao trong hình 3, có ý nghóa rằng hệ thống truyền động này đòi
hỏi phải đạt được đáp ứng tốc độ hay điều khiển vò trí một cách nhanh chóng, chính xác
và phạm vi điều chỉnh rộng.
Cùng với sự phát triển của lónh vực điện tử, các bộ biến đổi điện tử công suất, đã
tạo một sự chuyển dòch lớn trong thò trường truyền động. Các động cơ một chiều có
chổi than tốc độ thay đổi được sử dụng từ nhiều thập kỷ trước nhưng tới nay các động
cơ loại xoay chiều với nhiều ưu điểm của mình đang thay thế dần cho nó. Các bộ
truyền động động cơ xoay chiều và bộ biến đổi điện tử tỏ ra bền, rẻ hơn và khả năng
vận hành tương đương, đặc biệt là các ứng dụng điều khiển chuyển động có tính thuận
nghòch.

Công suất

(kW)
100000

10
000

1000

100

10

1

0.1

Trung bình

Cao

Mức độ yêu cầu của vận hành

Máy bơm nhà
máy thuỷ điện
Nhà máy xay
xát, xi măng.
Máy li tâm

Các máy bơm

Quạt

Máy trộn,

băng tải
Lò nhiệt, bốc hơi,

Các máy điều hòa nhiệt độ.
Các máy làm giấy

Chuyên chở

Cần cẩu

Xử lý

luyện kim
Thang máy

Máy in

Máy dệt

Máy đóng hộp

Rôbốt

Máy công cụ
Hình 1.3 Các ứng dụng truyền động có tốc độ thay đổi.

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 6 -



















Các bộ biến đổi điện tử công suất dành cho các loại động cơ một chiều có chổi than
hoặc không chổi than cũng được nghiên cứu và đưa ra cho các ứng dụng với giá cả hợp
lý.
Mức chi phí cho bộ biến đổi điện tử công suất thường luôn cao hơn chi phí của động
cơ khoảng từ hai đến năm lần, nói chung thì giới hạn công suất của hệ truyền động
càng lớn thì sự chênh lệch giá giữa hai thành phần này giảm hơn.
Lý do của việc dùng bộ biến đổi điện tử công suất cho dù giá của nó lớn hơn của

động cơ vì trong hầu hết các ứng dụng có tính lâu dài việc tiết kiệm được năng lượng
sản xuất giúp thu hồi khoảng chi phí thêm cho bộ biến đổi điện tử công suất, giả sử
đònh mức công suất sử dụng khoảng hơn 10kW, nếu xem mức tiết kiệm năng lượng có
được nhờ sử dụng bộ biến đổi chỉ 25%, phạm vi điều chỉnh tốc độ chừng một đến ba
lần và hoạt động liên tục 24/24 giờ/ngày thì khoảng thời gian thu hồi vốn chừng chưa
tới năm năm.
Giới hạn sử dụng công suất càng lớn thì thời gian quay vòng vốn càng nhanh do
việc tiết kiệm năng lượng tỏ ra càng hiệu quả. Các tính toán chi tiết xin xem chi tiết
trong tài liệu chuyên đề.
Vai trò của hệ truyền động trong thực tế là điều khiển mô men động cơ phù hợp với
mômen tải và với lưới điện nguồn cung cấp khi xác lập. Các quan hệ của mô men tải
cóthể được diễn đạt bằng một trong các quan hệ sau :
 Mô men / tốc độ quy về đầu trục động cơ;

năm 1990

năm 1995

năm 2000

d.
c.

a.c.

40%

60%

d.c.

a.c.

30%

70%

d.c.

a.c.

25%

75%

Hình 1.4 Sự thay đổi của thò trường truyền động.

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 7 -
 Hay mô men / thời gian và Tốc độ / thời gian;
 Hay quan hệ vò trí / thời gian.
Còn quá trình quá độ, bộ truyền động thể hiện vai trò nó bằng cách điều khiển
vòng kín, trong đó tín hiệu đầu ra được đưa trở lại tín hiệu đầu vào so sánh với tín hiệu
đặt và lấy sai lệch làm tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi…nhằm duy trì đầu ra theo
yêu cầu.

C—PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Có nhiều phân loại hệ truyền động điện:

1) Phân loại theo số lượng động cơ sử dụng: chia ra 3 loại
− Truyền động nhóm: dùng một động cơ điện để kéo một nhóm gồm nhiều máy
sản xuất.
− Truyền động đơn: dùng một động cơ điện để kéo toàn bộ một máy.
− Truyền động nhiều động cơ: trường hợp này máy sản xuất có các chuyển động
thành phần của nó do một động cơ riêng đảm nhận. Hình thức này được sử dụng
khá phổ biến.
2) Phân loại theo đặc điểm chuyển động :
− Chuyển động quay;
− Chuyển động thẳng.
3) Phân loại theo chế độ làm việc:
− Làm việc liên tục;
− Làm việc gián đoạn.
4) Phân loại theo chiều quay động cơ:
− Truyền động có đảo chiều;
− Truyền động không đảo chiều.
5) Phân loại theo dòng điện:
− Truyền động điện xoay chiều: dùng động cơ điện xoay chiều;
− Truyền động điện một chiều: dùng động cơ điện một chiều.
6) Phân loại dựa theo sự thay đổi thông số điện:
− Truyền động không điều chỉnh: nối thẳng động cơ vào nguồn và kéo máy sản
xuất với một tốc độ không đổi. Thay đổi xuất hiện chỉ là do nhiễu từ bên ngoài;
− Truyền động có điều chỉnh: công nghệ quy trình sản xuất đòi hỏi phải có điều
chỉnh tốc độ, vò trí hay mômen. Thông số điện của hệ thay đổi được nhờ các thiết
bò điều khiển.
7) Phân loại theo thiết bò biến đổi:
− Hệ máy phát—động cơ: (ký hiệu: F-Đ), động cơ một chiều được cấp điện từ
một máy phát điện một chiều (bộ biến đổi ở đây là máy phát).
PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM

- 8 -
− Thuộc hệ truyền động này có hệ máy điện khuyếch đại—động cơ (ký hiệu:
MĐKĐ-Đ). Trong đó, bộ biến đổi ở đây là MĐKĐ;
− Hệ chỉnh lưu—động cơ: (ký hiệu: BCL-Đ), động cơ một chiều được cấp điện
từ một bộ chỉnh lưu (BCL). Chỉnh lưu có thể không điều khiển (chỉnh lưu diode)
hay có điều khiển (chỉnh lưu Thyristor: hệ T-Đ).v.v….

D—PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1. Hệ thống chuyển động tònh tiến:
Theo đònh luật II Newton, nếu xem khối lượng vật chuyển động là không đổi, ta có
phương trình:
F
Đ
+ F
C
= F
a
= ma = m
dt
dv
(I.1.1)
Trong đó:
F
Đ
- lực phát động do động cơ điện tạo ra (N);
F
C
- lực cản chuyển động của cơ cấu (N);
F

a
- lực động tạo ra gia tốc chuyển động (N);
m - khối lượng quán tính của vật chuyển động (kg);
a - gia tốc chuyển động ( m/s
2
);
v - vận tốc của chuyển động (m/s);
t - thời gian trong đó tốc độ biến đổi (s).
* Lưu ý về lực động F
a
:
Lực động là không phải là thành phần gây nên chuyển động. Đại lượng F
a
chỉ là
một khái niệm vật lý. Xem phần của mô men động M
θ
bên dưới.

2. Hệ thống chuyển động quay:
Trong hệ chuyển động quay, nếu coi mô men quán tính không đổi, dùng đònh luật
II Newton ta có:
M
Đ
+ M
C
= M
θ
=Jθ = J
dt
d

ω
(I.1.2)
Trong đó:
M
Đ
- mô men do động cơ điện tạo ra (Nm);
M
C
- mô men cản của cơ cấu (Nm)
(M
C
còn gọi là mô men tónh);
M
θ
- mô men động tạo ra gia tốc góc (Nm);
J - mô men quán tính của vật quay (Nm);
θ - gia tốc góc (rad/s
2
);
ω - tốc độ góc (rad/s);
t - thời gian trong đó tốc độ góc biến đổi (s).
PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 9 -

* Lưu ý về đại lượng M
θ
θθ
θ
:

Trạng thái làm việc của truyền động phụ thuộc vào mômen quay M
Đ
do động cơ
sinh ra và mô men tónh M
C
do phụ tải của máy quyết đònh. Mỗi một mô men trên đều
có thể là mô men gây chuyển động hoặc mô men hãm. Ví dụ, ở máy cưa đóa hoặc quạt
gió: M
Đ
là mô men gây chuyển động, M
C
là mô men hãm; khi cần trục hạ tải ứng với
trạng thái máy phát của động cơ: M
Đ
là mô men hãm, M
C
là mô men gây chuyển động;
khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai mô men đều gây chuyển động; khi hãm điện máy
cán: cả hai mô men đều là hãm.
Động lực của truyền động được xác đònh bởi mô men tổng hợp của hai mô men
trên. Ta gọi mô men tổng hợp này là mô men động, ký hiệu: M
θ
. Dấu của mô men
động là giá trò đại số.
Mô men động không phải dùng để chỉ mô men gây ra gia tốc hay giảm tốc của
truyền động (M
θ
= M
Đ
+ M

C
), mà là dùng để chỉ một đại lượng mô men bằng về trò số
và ngược chiều với nó, đó là mô men của khối lượng quán tính Jdω/dt. Mô men này
phát sinh khi truyền động thay đổi tốc độ và nó có tác dụng chống lại sự thay đổi nó.
Nói cách khác, danh từ trên không phải chỉ nguyên nhân mà chỉ hậu quả. Đó là một
khái niệm vật lý.

Nếu tốc độ động cơ tính theo vòng/phút thì tốc độ góc:
ω = 2π
60
n
≈
55,9
n
(rad/s)
Nên (M.4.2) trở thành:
M
θ
= Jθ =
55,9
1
×
dt
dn

Đối với tốc độ, ta lấy chiều quay của động cơ làm chiều dương không kể động cơ
quay theo chiều nào. Dấu của mô men hướng theo chiều quay của truyền động là
dương, còn những mô men ngược chiều quay là âm.

E—MÔ MEN CẢN

Theo đặc tính tác động ta chia mô men cản thành hai nhóm:
Mô men cản phản kháng M
pk
và mô men cản thế năng M
tn
.
1. Mô men cản phản kháng:
Mô men cản loại này bao gồm mô men của lực ma sát, lực cắt, lực biến dạng của
các vật thể không đàn hồi. Chúng đều được tạo ra do các lực phản kháng chống lại
chuyển động. Do đó mo men cản phản kháng luôn luôn ngược chiều chuyển động.
2. Mô men cản thế năng:
PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 10 -
Mô men cản thế năng bao gồm mô men do trọng lực và lực biến dạng của những
vật thể đàn hồi. Nâng hoặc hạ tải trọng cũng như nén hoặc kéo lò xo đều có liên quan
đến sự biến thiên của thế năng truyền động, chính vì vậy ta gọi mô men cản loại này là
“mô men thế năng”. Khi tăng dự trữ thế năng (nâng tải, nén lò xo, v.v…) mô men thế
năng có tác dụng cản trở chuyển động, tức hướng ngược chiều quay của động cơ; khi
giảm thế năng (hạ tải, giãn lò xo, v.v…), mô men thế năng lại là mô men gây chuyển
động, nghóa là nó hướng theo chiều quay của động cơ.
Để cho việc tính toán được thuận tiện hơn, ta dùng đại lượng “mô men cản toàn
phần”:
M
C
= M
pk
+ M
tn

(I.1.3)
Thành phần nào trong vế phải của (M.5.1) trội hơn thì mô men cản sẽ mang tính
đó. Phổ biến nhất trong thực tế là các truyền động có mô men cản thuần phản kháng,
hoặc mô men cản mang thành phần phản kháng trội. Đó là các truyền động chính của
máy cán, băng lăn, máy tiện, máy phay, quạt gió, bơm nước, v.v…. Các truyền động có
mô men cản mang thành phần thế năng trội là truyền động của cần trục, bàn nâng (với
đối trọng không cân bằng), máy nâng hầm mỏ, thang máy, truyền động nâng của máy
xúc, v.v….
Qua việc phân tích tính chất của mô men nói trên ta thấy:
Mô men của động cơ ở trạng thái động cơ sẽ mang dấu dương vì nó hướng theo
chiều quay, còn ở trạng thái máy phát sẽ là âm vì hướng ngược chiều quay.
Mô men cản phản kháng thì luôn luôn âm vì nó luôn luôn hướng ngược chiều quay.
Mô men cản thế năng có dấu âm khi tăng dự trữ thế năng (khi nâng tải, nén lò xo),
và mang dấu dương khi giảm dự trữ thế năng (khi hạ tải, giãn lò xo).

F—QUY ĐỔI CÁC ĐẠI LƯNG MÔ MEN CẢN, LỰC CẢN, QUÁN TÍNH CỦA
MÁY SẢN XUẤT VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ

Một hệ truyền động điện thường có nhiều bộ phận khác nhau với các trục quay
khác nhau: quay trái, quay phải, tònh tiến lên, xuống…. Các bộ phận này tạo thành phần
cơ học của hệ truyền động điện. Chúng có các tốc độ, lực hoặc mô men tác dụng khác
nhau.
Khi tính toán thiết kế, chọn công suất động cơ hoặc nghiên cứu sự làm việc của
một hệ truyền động điện, có thể cần phải thiết lập phương trình chuyển động (I.1.1)
hoặc (I.1.2) tại một điểm nào đó trên sơ đồ động. Các đại lượng để thiết lập phương
trình phải lấy ở ngay tại điểm đó. Do vậy, cần phải tiến hành tính quy đổi các đại lượng
như lực cản, mô men cản, khối quán tính và mô men quán tính về điểm đònh tính toán.
Thông thường, để thuận tiện khi khảo sát các trạng thái làm việc của truyền động,
người ta hay tính quy đổi các đại lượng về trục động cơ (nguồn phát động lực).
Nguyên tắc tính quy đổi là dựa vào đònh luật bảo toàn năng lượng.

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 11 -

1. Quy đổi mô men cản M
C
về trục động cơ:
Gọi mô men sau khi quy đổi về trục động cơ là M
qđ
.
Công truyền từ động cơ = Công nhận đến máy sản xuất
⇔ M
qđ
× ω
Đ
× η × t = M
C
× ω
MSX
× t
⇒ M
qđ
=
i
M
C
η
,(Nm) (I.1.4)
Trong đó:
η - hiệu suất của cơ cấu truyền lực từ động cơ tới máy sản xuất;

i - tỷ số truyền từ trục động cơ tới trục máy sản xuất, i = ω
Đ
/ω
MSX
;
ω
Đ
- tốc độ góc của động cơ, (rad/s)
ω
MSX
- tốc độ góc của máy sản xuất, (rad/s)
t - thời gian sản xuất;
2. Quy đổi lực cản F
C
của chuyển động tònh tiến thành mô men trên trục động cơ:
Công truyền từ động cơ = Công nhận đến máy sản xuất
⇔ M
qđ
× ω
Đ
× η × t = F
C
× v × t
⇒ M
qđ
=
η
ρ
×
C

F
,(Nm) (I.1.5)
Trong đó:
ρ - bán kính quy đổi của chuyển động tònh tiến về trục động cơ,
ρ = v/ω
Đ
,(m)
v - tốc độ nâng (hạ) tải trọng ,(m/s)
3. Quy đổi mô men quán tính J
MSX
về trục động cơ:
Mô men quán tính cần quy đổi ở đây là mô men quán tính của các phần quay của
máy sản xuất J
MSX
, được quy đổi về trục động cơ.

Động năng tích lũy trên trục động cơ = Động năng tích lũy của máy sản xuất.
2
1
× J
qđ
× ω
Đ
2
=
2
1
× J
MSX
× ω

MSX
2

⇒ J
qđ
=
2
i
J
MSX
, (kgm
2
) (I.1.6)
4. Quy đổi khối quán tính của chuyển động tònh tiến thành mô men quán tính
trên trục động cơ:
Khối quán tính ở đây có thể đưa ra một thí dụ như phần carbin chứa người và đối
trọng của nó trong hệ truyền động thang máy.
Theo đònh luật bảo toàn năng lượng, động năng tích luỹ trên trục động cơ bằng với
động năng tích luỹ của khối quán tính có khối lượng m (kg):
2
1
× J
qđ
× ω
Đ
2
=
2
1
× m × v

2

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 12 -
⇒ J
qđ
= m × (v/ω
Đ
)
2
= m × ρ
2
(I.1.7)
Như vậy, sau khi quy đổi các đại lượng máy sản xuất về trục của động cơ, phương
trình chuyển động của hệ truyền động trở thành:
M
Đ
+ M
qđ
= Jθ
Trong đó:
M
Đ
- mô men động cơ, (Nm)
M
qđ
- mô men cản (hoặc lực cản hoặc cả hai) của máy sản xuất được quy
đổi về trục động cơ, (Nm)
J - mô men quán tính tổng cộng của cả phần quay và khối quán tính (nếu

có), (kgm
2
)
θ - gia tốc góc, θ = dω
Đ
/dt , (rad/s
2
).

* Lưu ý về quy ước dấu:
 Đối với tốc độ, ta lấy chiều quay của động cơ làm chiều dương không kể động cơ
quay theo chiều nào.
 Những mô men hướng theo chiều quay của truyền động là dương, còn những mô
men ngược chiều quay là âm.

G—ĐẶC TÍNH CƠ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Trong hệ truyền động điện, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp động lực cho cơ
cấu sản xuất. Các cơ cấu sản xuất của mỗi loại máy có các yêu cầu công nghệ và đặc
điểm riêng. Máy sản xuất lại có rất nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khác biệt.
Động cơ điện cũng như vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với các tính năng, đặc điểm
riêng.
Để hệ truyền động điện làm việc tốt, có hiệu quả thì giữa động cơ điện và cơ cấu
sản xuất phải đảm bảo có một sự phù hợp tương ứng nào đó. Việc chọn lựa hệ truyền
động điện và chọn động cơ điện đáp ứng đúng các yêu cầu của các cơ cấu sản xuất có
một ý nghóa lớn không chỉ về mặt kỹ thuật mà cả về mặt kinh tế.
Do vậy, ta phải xem xét kỹ đặc tính cơ của truyền động điện—tức đặc tính cơ của
cơ cấu sản xuất và đặc tính cơ của động cơ điện.
Đặc tính cơ biểu thò mối quan hệ giữa tốc độ quay và mô men quay:
ω = f(M) hoặc n = F(M)

1. Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất:
Các cơ cấu sản xuất tuy rất khác nhau nhưng đặc tính cơ của chúng phần lớn được
biểu diễn tổng quát bởi công thức được rút ra từ thực tế:
M
C
= M
C(0)
+ (M
Cđm
- M
C(0)
)
k
dm








ω
ω
(I.1.8)
Trong đó:
PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 13 -
M

C
- mô men cản của cơ cấu sản xuất ở tốc độ ω nào đó;
M
C(o)
- mô men cản của cơ cấu sản xuất ở tốc độ ω = 0;
M
Cđm
- mô men cản của cơ cấu sản xuất ở ω = ω
đm
;
k - số mũ đặc trưng cho phụ tải, (k = 0, ±1, 2).
 Trường hợp k = 0: đây là đặc tính cơ của các cơ cấu nâng—hạ (máy trục, thang
máy), cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại v.v….
 Trường hợp k = -1: máy quấn dây, cơ cấu truyền động chính các máy cắt gọt kim
loại v.v….
 Trường hợp k = 1: máy phát điện một chiều với tải thuần trở….
 Trường hợp k = 2: các máy thuỷ khí: bơm, quạt, chân vòt tàu thủy v.v….

2. Đặc tính cơ của động cơ điện:
Đặc tính cơ ω = f(M) của động cơ điện chia ra: đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ
nhân tạo. Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau sẽ khác nhau.
a) Đặc tính cơ tự nhiên (tn):
Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông số điện: điện áp, tần số, …
là đònh mức theo chế độ đã được thiết kế chế tạo và mạch điện của động cơ không nối
thêm điện trở, điện kháng,….
b) Đặc tính cơ nhân tạo (nt):
Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi các thông số điện không đúng đònh
mức hoặc khi mạng điện có nối thêm điện trở, điện kháng,… hoặc có sự thay đổi mạch
nối.
3. Độ cứng của đặc tính cơ:
Đại lượng độ cứng β của một đường đặc tính cơ là:
Hình 1.5 Dạng đặc tính cơ của một số cơ cấu sản xuất

M
Cđm


M
C(0)
ω
ωω
ω
Cđm
0

ω

ωω
ω

M

k = 0

k =
1

k = 2

k =
-
1

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 14 -
β =
ω
∆
∆
M
= cotg(α) (I.1.9)
Độ cứng β của một đặc tính cơ được dùng để đánh giá đặc tính cơ đó.

− Khi |β| nhỏ, đặc tính cơ là mềm (|β|<10)
− Khi |β| lớn, đặc tính cơ là cứng (|β| =10÷100)
− Khi |β| = ∞, đặc tính cơ là nằm ngang và là cứng tuyệt đối.

Đặc tính cơ cứng tuyệt đối

Đặc tính cơ cứng

Đặc tính cơ mềm

α

ω

M

0

∆
Μ

∆
ω

Hình 1.6 Độ cứng đặc tính cơ

PHAN I - CHệễNG 1
TAỉI LIEU ẹệễẽC SHARE TREN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 15 -

PHAÀN I - CHÖÔNG 2
- 16 -

PHẦN I - CHƯƠNG 2
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 17 -
Điều chỉnh tốc độ động cơ là chủ động thay đổi tốc độ động cơ theo ý muốn của
người hay thiết bò điều khiển sao cho phù hợp với quy trình công nghệ của bộ phận làm
việc của máy sản xuất.

Để thay đổi tốc độ bộ phận làm việc của máy sản xuất có thể thực hiện bằng hai
phương pháp:
− Thay đổi tỉ số truyền của bộ phận truyền lực hoặc biến tốc đặt giữa động cơ và
bộ phận làm việc của máy sản xuất (i = ω
Đ
/ω
MSX
).
− Thay đổi tốc độ động cơ.
Ở đây ta chỉ xét đến phương pháp thay đổi tốc độ động cơ.

A—CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Sơ đồ nối dây của một máy phát kích từ song song:

2. Mạch từ của một máy điện hai cực:












Biến trở hạn
dòng
Cực từ phụ

Hình 2.1

Cuộn kích từ

Lõi từ

Đế của cực từ

Tư
ø thông tản

Phần ứng

Răng

Gông (ách)

Hình 2.2

PHẦN I - CHƯƠNG 2
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 18 -

3. Cuộn dây kích từ trên một cực từ:

4. Phần ứng:











5. Cấu trúc cổ góp:











Lõi cực từ

Cuộn kích từ

Đầu ra

Đầu ra

Hình 2.3

Cổ góp

Trục

Hình 2.4

Ống lót của cổ góp

Rãnh gắn ca
ùc đầu ra
của các cuộn dây
phần ứng
Các phiến góp
bằng đồng
Vành chữ “V”

Nêm

Cách điện mica

Các phiến góp hướng ra ngoài

Hình 2.5

PHẦN I - CHƯƠNG 2
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 19 -


6. Mạch điện phần ứng:
















7. Cấu trúc chổi than:

Máy điện một chiều về cơ bản có hai phần mạch điện: mạch kích từ và mạch phần
ứng. Phần kích từ nằm ở phần tónh hay stator của máy điện bao gồm các cuộn dây quấn
quanh các cực từ của stator. Các cực từ này hướng vào trong stator như trên hình 2.1.
Bộ gá

Chổi than

Đuôi sam

Lò xo cố đònh chổi than

Chổi than

Đầu chỉnh độ căng lò xo

Hình 2.7

Phiến góp

Chổi than

B
1

B
2


Hình 2.6

PHẦN I - CHƯƠNG 2
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 20 -
Số cực từ là một số chẵn và chúng sắp sếp xen kẻ theo cực tính nam – bắc. Cuộn kích
từ, dòng điện cũng như thông lượng của các cực từ là như nhau. Các cuộn dây kích từ
được nối nối tiếp. Dòng điện cấp cho cuộn kích từ nhằm từ hóa các cực từ và tạo ra từ
thông trong khe hở không khí giữa stator và rotor của động cơ. Mạch kích từ không
phải là mạch tiêu thụ công suất nguồn chính trong máy điện.
Mạch phần ứng tiêu thụ công suất nguồn chính và nằm trên rotor. Các cuộn dây
của phần ứng đặt trong các rãnh phân bố trên chu vi bề mặt của rotor (hình 2.4). độ
rộng một cuộn dây gọi là bước cuộn dây, bằng bề rộng vùng dưới một cực từ, được gọi
là bước cực. Do đó nếu một cạnh tác dụng của cuộn dây đang nằm dưới một cực bắc thì
cạnh còn lại sẽ nằm dưới cực nam kế bên. Các cuộn dây trên mạch phần ứng nối nhau
thành mạch kín, kết thúc của cuộn này sẽ là bắt đầu của cuộn tiếp đó và kết thúc của
cuộn dây cuối cùng sẽ nối vòng đến điểm bắt đầu của cuộn đầu tiên. Dòng điện một
chiều được đưa vào hay lấy ra từ dây quấn phần ứng thông qua các chổi than tì lên cổ
góp. Cổ góp là một kết cấu hình trụ trên bề mặt có nhiều phiến góp, số phiến góp bằng
số cuộn dây và chúng được cách điện với nhau bằng mica. Đầu kết thúc của một cuộn
và khởi đầu của một cuộn ứng khác được nối đến chung một rãnh gắn đầu ra cuộn dây

trên phiến góp (hình 2.5).
Kết nối mạch phần ứng như trên hình 2.6. Dòng điện đưa vào phần ứng qua chổi
than và cổ góp. Chổi than B
1
được nối đến phiến góp số 1, và chổi kia nối đến phiến
góp số 13. Dòng điện đến phần ứng từ chổi than B
1
phiến góp số 1 và vòng về ở phiến
góp 13 tại chổi than B
2
theo hai đường dẫn song song, mỗi đường dẫn tải một nửa dòng
phần ứng. Mỗi đường gồm mười hai cuộn dây, trên hình 2.6 là hai mạch nhánh có các
cuộn : nhánh phải gồm từ cuộn AA’ đến cuộn WW’ và nhánh kia phần còn lại. Mỗi
cuộn dây trong nhóm mười hai cuộn dây này, giả sử cuộn đầu tiên nằm dưới một cực
bắc thì cuộn cuối trong nhóm sẽ kết thúc nằm dưới cực nam. Mạch nhánh gồm mười
hai cuộn còn lại sẽ ngược lại, bắt đầu nằm dưới một cực nam và kết thúc cực bắc. Khi
rotor quay, dòng điện chảy trong cuộn dây nằm dưới một cực từ không đổi, tiếp xúc
chổi than-cổ góp thay đổi. Vì chiều dòng điện trong các cuộn dây ngược nhau và do
cách bố trí xen kẻ của cực từ, mô men tạo ra do các cuộn dây có cùng chiều. Nhờ hệ
chổi than-cổ góp mà máy điện mới có thể làm việc với nguồn một chiều.
Dòng điện trong các cuộn dây phần ứng thực ra là xoay chiều vì mỗi lần một cuộn
dây dòch chuyển từ vùng tác động của một cực từ sang vùng tác động của một cực từ
khác, dòng điện trong nó bò đảo chiều. Ta có thể nói hệ cổ góp và chổi than hoạt động
như một bộ biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều trong các cuộn
dây phần ứng.

B—ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song: