nghiên cứu giải pháp xác định vị trí rô to trong điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều không chổi than

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



HÀ VIỆT DŨNG



NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ RÔ TO
TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN




LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT




THÁI NGUYÊN - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



HÀ VIỆT DŨNG



NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ RÔ TO
TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN


Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 605 202 16



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN




PHÒNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Thái Nguyên – 2014
- i -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Hà Việt Dũng
Sinh ngày: 02 tháng 9 năm 1980
Học viên lớp cao học K14 – Tự động hoá – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Trƣờng Cao đẳng Nghề Cơ điện Phú Thọ
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự
hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết
quả nghiên cứu là trung thực.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm


Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014
Tác giả luận văn


Hà Việt Dũng
- ii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ĐCMC Động cơ một chiều

MCKCT Một chiều không chổi than
DC Direct Current
DSP Digital Signal Processor
PWM Pulse Width Modulation
BEMF Back EMF – Sức phản điện động
ADC Analog to Digital Converter
DAC Digital to Analog Converter
GND Ground
BLDC Brushless Direct Current
MOSFET Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor
IC Integrated Circuit
- iii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỤC LỤC

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI
THAN 1
1.1. Tổng quan về động cơ điện MCKCT 1
1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện MCKCT 1
1.1.2. Mô hình toán học và phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ MCKCT 7
1.2. Hệ truyền độngđộng cơ điện một chiều không chổi than 15
1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) 15
1.2.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) 17
1.3. Kết luận chƣơng 1 18
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG
CHỔI THAN 19
2.1. Đặc điểm khi làm việc và phƣơng pháp xác định vị trí roto 19
2.1.1. Đặc điểm khi làm việc 19

2.1.2. Phƣơng pháp xác định vị trí rotor 19
2.2.2. Phƣơng pháp không sử dụng cảm biến 20
2.1.3. Cảm biến Hall 21
2.2. Cấu trúc hệ truyền động động cơ MCKCT 24
2.3. Xác định bộ điều khiển 25
2.3.1. Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển) 25
2.3.2. Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển) 32
2.4. Card ghép nối 33
2.5. Bộ biến đổi năng lƣợng 36
2.5.1. Giới thiệu về IC MC33035 37
2.5.2. Thiết kế mạch tạo xung điều khiển 40
2.6. Mạch đo tín hiệu phản hồi 43
2.6.1. Đo tín hiệu dòng điện 43
2.6.2. Mạch đo tín hiệu tốc độ 44
2.7. Kết luận chƣơng 2 45
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 46
3.1. Các thiết bị thực nghiệm 46
- iv -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


3.1.1. Động cơ MCKCT 46
3.1.2. Thiết bị biến đổi năng lƣợng 47
3.1.3. Tạo tín hiệu điều khiển 48
3.1.4. Thiết bị hiển thị 49
3.1.5. Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue 49
3.1.6. Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A 50
3.1.7. Thiết bị lấy tốc độ 50
3.1.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống 51
3.2. Thực nghiệm 51

3.2.1. Cấu trúc thực nghiệm hệ truyền động động cơ MCKCT 51
3.2.2. Kết quả thực nghiệm 53
3.3. Kết luận chƣơng 3 58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59
Kết luận 59
Kiến nghị 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

- v -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ MCKCT 3
Hình 1.2 Sơ đồ khối động cơ MCKCT 3
Hình 1.3 Stator của động cơ MCKCT 4
Hình 1.4 Các dạng sức điện động động cơ MCKCT 5
Hình 1.5 Rotor của động cơ MCKCT 6
Hình 1.6 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than 7
Hình 1.7 Mô hình mạch điện của động cơ MCKCT 8
Hình 1.8 Mô hình thu gọn của động cơ MCKCT 10
Hình 1.9 Sơ đồ khối của động cơ MCKCT 12
Hình 1.10 Sơ đồ một pha tƣơng đƣơng của động cơ MCKCT 13
Hình 1.11 Đặc tính làm việc và đặc tính cơ động cơ MCKCT 15
Hình 1.12 Nguyên lý làm việc của động cơ MCKCT truyền động một cực 15
Hình 1.13 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trƣờng stator 16
Hình 1.14 Chuyển mạch hai cực tính của động cơ MCKCT 17
Hình 2.1 Hiệu ứng Hall 20
Hình 2.2 Động cơ một chiều không chổi than - cấu trúc nằm ngang 20

Hình 2.3 Tích hợp cảm biến Hall vào một IC 22
Hình 2.4 Mô tả cảm biến Hall 22
Hình 2.5 Đặt cảm biến Hall bên trong động cơ 23
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạh đóng cắt nguồn cho động cơ 24
Hình 2.7 Sơ đồ hệ truyền động động cơ MCKCTsử dụng SIMULINK 25
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc một pha động cơ MCKCT 26
Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 29
Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 31
Hình 2.11 Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 34
Hình 2.12 Các khối chức năng trong thƣ viện ArduinoIO 35
Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc BBĐ và động cơ sử dụng MC33035 38
Hình 2.14 Mạch tạo xung điều dùng MC33035 40
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 41
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi năng lƣợng 42
- vi -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 2.17 Sơ đồ khối ACS712 43
Hình 2.18 Sơ đồ mạch đo dòng điện 43
Hình 2.19 Đặc tính vào ra của ACS712 44
Hình 2.20 Tín hiệu xung từ cảm biến Hall 44
Hình 2.21 Mạch đo tốc độ động cơ 45
Hình 3.1 Động cơ thực nghiệm 46
Hình 3.2 Bộ biến đổi năng lƣợng cấp cho động cơ MCKCT 47
Hình 3.3 Máy tính có cài đặt Matlab Simulink 48
Hình 3.4 Cấu trúc hai mạch vòng trên Matlab Simulink 48
Hình 3.5 Card ghép nối ArduinoDue 49
Hình 3.6 Khâu lấy tín hiệu dòng điện 50
Hình 3.7 Khâu lấy tín hiệu tốc độ 50

Hình 3.8 Mô hình thực nghiệm hệ thống 51
Hình 3.9 Cấu trúc thực nghiệm 51
Hình 3.10 Đáp ứng tố độ hệ thống khi chƣa hiệu chỉnh 52
Hình 3.11 Đáp ứng tốc độ hệ thống khi chƣa hiệu chỉnh 52
Hình 3.12 Cấu trúc hệ với tín hiều đặt là hàm bƣớc nhảy 53
Hình 3.13 Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 54
Hình 3.14 Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 54
Hình 3.15 Cấu trúc hệ với tín hiều đặt biến thiên theo hàm sin 55
Hình 3.16 Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 55
Hình 3.17 Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 56
Hình 3.18 Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 56
Hình 3.19 Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 57
Hình 3.20 Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 57

Bảng 1.1 So sánh động cơ MCKCT với động cơ một chiều thông thƣờng 2
Bảng 2.1 Bảng quy luật điều khiển đóng cắt dòng dựa vào vị trí rotor 24
Bảng 2.2 Bảng giải mã tín hiệu từ cảm biến Hall và xung điều khiển các pha 39

- vii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
. Tuy nhiên, điể
và trong quá trình làm việ :
-
;
- Sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc.
Để

(Ví dụ
(Brushless DC
Moto
. Chính vì lý do
trên mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều
không chổi than đã và đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp và dân dụng.
Một điều quan trọng trong hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than
là việc cấp dòng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí của từ trƣờng roto. Nhƣ
vậy việc xác định chính xác vị trí roto để điều khiển việc cấp dòng cho cuộn dây
Stato là cần thiết và cũng là hƣớng nghiên chính của bản luận án.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề xuất giải pháp xác định vị trí roto động cơ một chiều không chổi than trong
hệ truyền động.
Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động
cơ một chiều không chổi than với phƣơng pháp xác định vị trí roto đã nghiên
cứu, để xuất.
3. Kết quả dự kiến:
Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than.
- viii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển động cơ một chiều không
chổi than.
Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều
không chổi than.

4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận:
Phƣơng pháp luận:

Nghiên cứu lý thuyết về động cơ một chiều không chổi than, phân tích lựa
chọn, xây dựng cấu trúc và thuật toán luật điều khiển.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán, mô phỏng, kiểm chứng.
Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu
lý thuyết.
5. Cấu trúc của luận văn:
Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than.
Chƣơng 2: Thiết kế hệ truyền động động cơ điện một chiều không chổi than.
Chƣơng 3: Thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị.
- 1 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
1.1. Tổng quan về động cơ điện MCKCT
1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện MCKCT
Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thƣờng có hiệu suất cao và các đặc tính
của chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là
trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu
cầu bảo trì, bảo dƣỡng thƣờng xuyên. Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta chế
tạo loại động cơ không cần bảo dƣỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và
chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn nhƣ biến tần sử
dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những động cơ này đƣợc
biết đến nhƣ là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là
động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor). Do không có cổ
góp và chổi than nên động cơ này khắc phục đƣợc hầu hết các nhƣợc điểm của động

cơ một chiều có vành góp thông thƣờng.
1.1.1.1. So sánh động cơ MCKCT với động cơ một chiều thông thường
Mặc dù ngƣời ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ MCKCT và động cơ
một chiều thông
thƣờng hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt
đáng kể ở một vài khía cạnh. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ
hiện tại, ta thƣờng đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Bảng 1.1
so sánh ƣu nhƣợc điểm của hai loại động cơ này. Khi nói về chức năng của động cơ
điện, không đƣợc quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều. Đổi chiều là quá
trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố
một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ. Ở động cơ
một chiều thông thƣờng, sự đổi chiều đƣợc thực hiện bởi cổ góp và chổi than.
Ngƣợc lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều đƣợc thực hiện bằng
cách sử dụng các thiết bị bán dẫn nhƣ transitor, MOSFET, GTO, IGBT.
- 2 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Bảng 1.1 So sánh động cơ MCKCT với động cơ một chiều thông thường
Nội dung
Động cơ một chiều
Động cơ MCKCT
Cấu trúc cơ khí
Mạch kích từ nằm trên
stator.
Mạch kích từ nằm trên rotor.

Tính năng đặc
biệt

Đáp ứng nhanh và dễ
điều khiển.
Đáp ứng chậm hơn. Dễ bảo dƣỡng
(thƣờng không yêu cầu bảo dƣỡng).
Sơ đồ nối dây

Nối vòng tròn.
Cao cấp: Ba pha nối Y hoặc .
Bình
thƣờng: Dây quấn 3 pha nối Y
có điểm trung tính nối đất hoặc nối
4 pha. Đơn giản nhất: nối 2 pha
Phƣơng pháp đổi
chiều
Tiếp xúc cơ khí giữa
chổi than và cổ góp.
Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết
bị bán dẫn nhƣ transitor, IGBT
Phƣơng pháp
xác
định vị trí
rotor
Tự động xác định
bằng
chổi than.
Sử dụng cảm biến vị trí: phần tử
Hall, cảm biến quang học (optical
encoder).
Phƣơng pháp đảo
chiều

Đảo chiều điện áp
nguồn
(cấp cho phần
ứng hoặc
mạch kích từ).

Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu
logic.
1.1.1.2. Cấu tạo của động cơ MCKCT
Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động
cơ xoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm
vĩnh cửu. Hình 1.1 minh hoạ cấu tạo của một động cơ một chiều không chổi
than ba pha điển hình:
- 3 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1.1 Cấu tạo động cơ MCKCT

Hình 1.2 Sơ đồ khối động cơ MCKCT
Dây quấn stator tƣơng tự nhƣ dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều
pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản
của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết
hợp một vài phƣơng tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo
ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử nhƣ biểu diễn trên hình 1.2. Từ
hình 1.2 ta thấy rằng động cơ một chiều không chổi than chính là sự kết hợp của
động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử chuyển
mạch theo vị trí rotor.
ĐC đồng bộ

kích thích vĩnh
cửu
Cảm biến
vị trí
Chuyển mạch điện tử
- 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Việc xác định vị trí rotor đƣợc thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết các
cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sử
dụng cảm biến quang học. Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất
cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng đƣợc sử
dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản.
Nhƣ vậy, về mặt cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm có 3 phần
chính đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xác
định vị trí rotor, bộ mã hoá so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor của động cơ.
Stator:
Khác với động cơ một chiều thông thƣờng, stator của động cơ một chiều
không chổi than chứa dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba
pha hay nhiều pha nhƣng thƣờng là dây quấn ba pha (hình 1.3). Dây quấn ba pha có
hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác .


Hình 1.3 Stator của động cơ MCKCT
Stator của động cơ MCKCT đƣợc cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn
dây đƣợc đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator. Theo truyền
thống cấu tạo stator của động cơ MCKCT cũng giống nhƣ cấu tạo của các động cơ
cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây đƣợc phân bố theo cách khác. Hầu hết tất cả
các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao

- 5 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


hoặc hình tam giác. Mỗi một cuộn dây đƣợc cấu tạo bởi một số lƣợng các bối dây
nối liền với nhau. Các bối dây này đƣợc đặt trong các khe và chúng đƣợc nối liền
nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây đƣợc phân bố trên chu vi của
stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực. Cách bố trí và số rãnh của
stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau.
Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sự
khác nhau của hình dáng sức phản điện động. Động cơ MCKCT có 2 dạng sức phản
điện động là dạng hình sin và dạng hình thang. Cũng chính vì sự khác nhau này mà
tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là động cơ MCKCT hình sin và động cơ
MCKCT hình thang. Dòng điện pha của động cơ tƣơng ứng cũng có dạng hình sin
và hình thang. Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhƣng đắt
hơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục. Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn
nhƣng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động
là lớn hơn.

Hình 1.4 Các dạng sức điện động động cơ MCKCT
Động cơ một chiều không chổi than thƣờng có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3
pha. Tƣơng ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3. Phụ thuộc vào
khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp. Động cơ
nhỏ hơn hoặc bằng 48V đƣợc dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động
a) Sức điện động động cơ MCKCT
hình thang

b) Sức điện động cơ MCKCT
hình sin

- 6 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


nhỏ…. Các động cơ trên 100V đƣợc dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động
hóa và các ứng dụng công nghiệp.
Rotor:
Đƣợc gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm
vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, ngƣời ta thƣờng chế tạo
trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng.

Hình 1.5 Rotor của động cơ MCKCT
Rotor đƣợc cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu. Số lƣợng đôi cực dao động từ
2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau.
Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trƣờng trong rotor, chất liệu nam châm thích
hợp đƣợc chọn tƣơng ứng. Nam châm Ferrite thƣờng đƣợc sử dụng. Khi công nghệ
phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Nam châm Ferrite rẻ hơn
nhƣng mật độ thông lƣợng trên đơn vị thể tích lại thấp. Trong khi đó, vật liệu hợp
kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thƣớc của rotor
nhƣng vẫn đạt đƣợc momen tƣơng tự. Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có
nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite.
- 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1.6 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than
Không giống nhƣ động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của động
cơ một chiều không chổi than đƣợc điều khiển bằng điện tử. Tức là các cuộn dây
của stator sẽ đƣợc cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất. Để

động cơ làm việc, cuộn dây của stator đƣợc cấp điện theo thứ tự. Tức là tại một thời
điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trí
của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng. Vì vậy điều quan trọng là cần phải
biết vị trí của rotor để tiến tới biết đƣợc cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ đƣợc cấp
điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của rotor đƣợc xác định bằng nhiều cách khác nhau
nhƣ phƣơng pháp điện từ; phƣơng pháp quang điện và phƣơng pháp sử dụng cảm
biến Hall.
1.1.2. Mô hình toán học và phương trình đặc tính cơ của động cơ MCKCT
1.1.2.1. Mô hình toán học của động cơ MCKCT
Mô hình toán học của đối tƣợng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích
mô tả lại đối tƣợng thực tế đó nhƣng dƣới dạng các biểu thức toán học để thuận lợi
cho quá trình phân tích, khảo sát thiết kế. Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vai
trò quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán bằng lý thuyết đều dựa trên mô hình toán
học. Vì vậy mô hình toán học là chìa khoá để mở ra mọi vấn đề trong quá trình tính
toán thiết kế cho động cơ.
Mô hình toán học
Rotor lõi tròn với nam
c
hâm đặt trên bề mặt


Rotor lõi tròn với nam
châm hình chữ nhật đƣợc

đặt trong rotor
Rotor lõi tròn, nam châm
hình chữ nhật chèn vào

trong lõi rotor
- 8 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Để thực hiện xây dựng mô hình toán học thì phải ƣớc lƣợng động cơ về các
phần tử điện cơ bản. Hình 2.1 trình bày mô hình mạch điện trong động cơ MCKCT
bao gồm 3 cuộn dây stator đƣợc ƣớc lƣợng bởi điện trở Ra và điện cảm La, do 3
cuộn dây của stator đƣợc đặt cạnh nhau nên xảy ra hiện tƣợng hỗ cảm giữa các cuộn
dây với nhau, sự hỗ cảm giữa các cuộn dây đƣợc thể hiện qua đại lƣợng M. Mặt
khác do rotor của động cơ là nam châm vĩnh cửa nên khi rotor quay sẽ quét qua
cuộn dây stator nên có sự tƣơng tác giữa hai từ trƣờng. Vì vậy các đại lƣợng ea, eb,
ec thể hiện sự tƣơng tác giữa hai từ trƣờng, biên độ của các sức phản điện động này
là bằng nhau và bằng E. Do các nam châm đều đƣợc làm từ vật liệu có suất điện trở
cao nên có thể bỏ qua dòng cảm ứng rotor.

Hình 1.7 Mô hình mạch điện của động cơ MCKCT
Từ mô hình mạch điện của động cơ thì phƣơng trình điện áp của một pha:

c
t
i
ccc
b
t
i
bbb
a
t
i
aaa
e

d
d
LiRV
e
d
d
LiRV
e
d
d
LiRV
.
.
.
(1-1)
Đặt s là toán tử Laplace, khi đó di/dt = i.s
Phƣơng trình của điện áp 3 pha:
- 9 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



00
0 0 . . .
00
a a a a ba ca a a
b b b ab b cb b b
c c c ac bc c c c
v R i L L L i e
v R i s L L L i e

v R i L L L i e
(1-2)
Trong đó: L
a
, L
b
, L
c
là điện cảm của các cuộn dây động cơ. L
ab
, L
bc
, L
ca
là hỗ
cảm giữa các cuộn dây tƣơng ứng. R
a
, R
b
, R
c
là điện trở của cuộn dây stator động
cơ. Do các pha là đối xứng nên các giá trị điện trở, điện cảm, hỗ của ba cuộn dây là
bằng nhau. Khi đó:
R
a
= R
b
= R
c

= R,
L
a
=L
b
=L
c
=L,
L
ab
= L
ca
= L
cb
= M.
Do đó:

00
0 0 . . .
00
a a a a
b b b b
c c c c
v R i L M M i e
v R i s M L M i e
v R i M M L i e
(1-3)
Trên hình 1.7 các cuộn dây của stator đấu sao nên:
i
a

+ i
b
+ i
c
= 0 (1-4)
Suy ra :
M.i
a
+ M.i
b
= -M.i
c
(1-5)
Kết hợp hai biểu thức (1-3) và (1-5), suy ra:
0 0 0 0
0 0 . . 0 0 .
0 0 0 0
a a a a
b b b b
c c c c
v R i L M i e
v R i s L M i e
v R i L M i e

(1-6)
Chuyển vế của (1-6) và đƣa dòng điện về một vế ta đƣợc:
- 10 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1/ ( ) 0 0 0 0
. 0 1/ ( ) 0 . 0 0 .
0 0 1/ ( ) 0 0
a a a a
b b b b
c c c c
i L M v R i e
s i L M v R i e
i L M v R i e

(1-7)
Từ biểu thức (1-7) xây dựng đƣợc mô hình thu gọn của động cơ MCKCT.

Hình 1.8 Mô hình thu gọn của động cơ MCKCT
Đặt L-M = Ls là điện cảm tƣơng đƣơng của mỗi pha . Thay vào biểu thức (1-
7):

1/ 0 0 0 0
. 0 1/ 0 . 0 0 .
0 0 1/ 0 0
a a a a
b b b b
c c c c
i Ls v R i e
s i Ls v R i e
i Ls v R i e
(1-8)
Momen điện từ
Momen điện từ của động cơ MCKCT đƣợc tính thông qua các công suất cơ
và công suất điện. Do trong động cơ MCKCT ma sát sinh ra chủ yếu giữa trục động

cơ và ổ đỡ nên lực ma sát này nhỏ. Thêm vào đó vật liệu chế tạo động cơ cũng là
loại có điện trở suất cao nên có thể giả thiết bỏ qua các tổn hao sắt, tổn hao đồng…
Vì vậy, công suất điện cấp cho động cơ cũng chính bằng công suất cơ trên đầu trục.
Với ω là tốc độ của động cơ, công suất cơ đƣợc tính theo biểu thức:
Pc = M∙ω (1-9)
- 11 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Công suất điện đƣợc tính theo biểu thức:
P
đ
= e
a
∙i
a
+ e
b
∙i
b
+ e
c
∙i
c
(1-10)
Cân bằng công suất ở hai biểu thức trên:
M∙ω = e
a
∙i
a

+ e
b
∙i
b
+ e
c
∙i
c
(1-11)
=>

a a b b c c
e i e i e i
M
(1-12)
Biểu thức (1-12) là công thức dùng để tính momen điện từ của động cơ
MCKCT.
Phƣơng trình động học của động cơ MCKCT
Momen quán tính: J
m
Momen ma sát: M
f
Ma sát thƣờng tỷ lệ với tốc độ và đƣợc biểu hiện thông qua hệ số nhớt D theo
biểu thức:
M
f
= D ∙ω
m
(1-13)
Momen tải của động cơ: M

c

Momen quán tính của tải: J
c
Nhƣ vậy, phƣơng trình động học tổng quát của động cơ có dạng nhƣ sau:


()
mc
d
M J J D Mc
dt
(1-14)
Đặt J = J
m
+ J
c
, biến đổi phƣơng trình (1-14) sẽ đƣợc:

d M D Mc
dt J
(1-15)
Viết dƣới dạng toán tử Laplace:

M D Mc
s
J
(1-16)
Sơ đồ cấu trúc của động cơ MCKCT
- 12 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Sơ đồ cấu trúc của động cơ MCKCT mang tính tổng quát cho một động cơ 3 pha.
Do trong động cơ MCKCT hệ số nhớt là rất nhỏ nên có thể bỏ qua thành phần D
trong các phƣơng trình tính toán. Xuất phát từ biểu thức (1-7), các phƣơng trình
điện đƣợc viết lại nhƣ sau:

1/
()
1
a a a
u
R
i V e
T
(1-17)

1/
()
1
b b b
u
R
i V e
T
(1-18)

1/
()

1
c c c
u
R
i V e
T
(1-19)
Trong đó T
ƣ
= L
ƣ
/R
ƣ
đƣợc gọi là hằng số thời gian điện từ của động cơ
MCKCT.
Từ 3 phƣơng trình trên, kết hợp với các phƣơng trình momen điện từ (1-11)
và
phƣơng trình động học (1-14), bỏ qua ma sát trong động cơ, sơ đồ khối của
động cơ
MCKCT đƣợc trình bày nhƣ trong hình 1.9.

Hình 1.9 Sơ đồ khối của động cơ MCKCT
- 13 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.1.2.2. Đặc tính cơ của động cơ MCKCT
Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ.
Công suất cơ của động cơ là tích số giữa momen và tốc độ. Tuy vậy, ở cùng một giá
trị công suất, mỗi loại động cơ khác nhau thì mối quan hệ giữa hai đại lƣợng này là

khác nhau.
Xét sơ đồ một pha tƣơng đƣơng của động cơ MCKCT trong hình 2.3 gồm
nguồn cấp một chiều có độ lớn V, sức phản điện động là E, điện trở cuộn dây là R
và dòng điện mỗi pha ở chế độ xác lập là I. Do tại một thời điểm trong động cơ
MCKCT luôn có 2 pha cùng dẫn nên phƣơng trình cân bằng điện áp của động cơ ở
thời điểm xác lập nhƣ sau:
V = 2∙E + 2∙R.I (1-20)

Hình 1.10 Sơ đồ một pha tương đương của động cơ MCKCT
- 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Ta có biểu thức công suất điện:
P
đ
= e
a
∙i
a
+ e
b
∙i
b
+ e
c
∙i
c
= 2∙E∙I
(1-21)

Biểu thức về công suất cơ:
P
c
=M
∙
ω
(1-22)
Biểu thức về sức phản điện động:
E = K
e
∙
ω

(1-23)
Nếu bỏ qua các tổn hao về momen nhƣ tổn hao do ma sát, tổn hao sắt từ,
khe
hở… thì có thể coi công suất cơ xấp xỉ bằng công suất điện. Trong biểu
thức về
sức phản điện động trên, E là giá trị đo theo đỉnh - đỉnh. Vì vậy, biên độ của sức
phản điện động phải là E/2. Cân bằng các phƣơng trình (1-21) và
(1-22) kết hợp
với biểu thức sức phản điện động, ta đƣợc:

.
. 2. . 2. . . .
2
e
e
e
K

M
M E I I K I I
K

(1-24)
Nếu thay biểu thức sức điện động vào (2-16), ta sẽ có biểu thức
của tốc độ
nhƣ sau:

2. .
e
V R I
K


(1-25)
Từ hai biểu thức
(1-24) và
(1-25), ta sẽ có phƣơng trình đặc tính cơ
của động cơ
MCKCT:


2
2.
.
ee
VR
M
KK

(1-26)
Giao điểm của đặc tính cơ với trục tốc độ chính là biểu thị của tốc độ không
tải lý tƣởng. Lúc đó, dòng điện bằng 0.

0
e
V
K
(1-27)
Giao điểm của đƣờng đặc tính cơ với trục momen là giá trị momen lớn nhất
hay momen ngắn mạch (tƣơng ứng với dòng điện ngắn mạch).
- 15 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



.
2.
e
mm
VK
M
R
(1-28)
Có thể thấy, dạng của phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều thông
thƣờng với động cơ MCKCT là giống nhau.
Đặc tính cơ của động cơ MCKCT giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
thông thƣờng. Tức là mối quan hệ giữa momen và tốc độ là các đƣờng tuyến tính nên rất

thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác. động
cơ MCKCT không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn chế
đánh lửa. Vì vậy vùng điều chỉnh của động cơ MCKCT có thể đƣợc mở rộng hơn.

Hình 1.11 Đặc tính làm việc và đặc tính cơ động cơ MCKCT

1.2. Hệ truyền độngđộng cơ điện một chiều không chổi than
1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)

Hình 1.12 Nguyên lý làm việc của động cơ MCKCT truyền động một cực