nghiên cứu ứng dụng vi xử lý 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



PHẠM MINH HẢI


NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TRONG ĐIỀN KHIỂN
HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




THÁI NGUYÊN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM MINH HẢI


NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TRONG ĐIỀN KHIỂN
HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá
Mã số : 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. ĐỖ TRUNG HẢI


Thái Nguyên – 2014
- i -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Minh Hải
Sinh ngày: 20 tháng 09 năm 1976
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 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 có gì sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn


Phạm Minh Hải

- 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 Error! Bookmark not defined.
1.1. Tổng quan về động cơ điện MCKCT Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện MCKCT Error!
Bookmark not defined.
1.1.2. Mô hình toán học và phƣơng trình đặc tính cơ của ĐCMCKCT Error!
Bookmark not defined.
1.2. Hệ truyền độngđộng cơ điện một chiều không chổi thanError! Bookmark not
defined.
1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) Error!
Bookmark not defined.
1.2.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)Error! Bookmark
not defined.
1.3. Kết luận Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG Error! Bookmark not defined.
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Error! Bookmark not defined.
2.1. Cấu trúc hệ truyền động động cơ MCKCT Error! Bookmark not defined.
2.2 Xác định bộ điều khiển: Ở đây ta phải thực hiện hai bài toán: Error!

Bookmark not defined.
2.2.1 Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển): Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển): Error!
Bookmark not defined.
2.3 Card ghép nối: 23
2.4. Bộ biến đổi năng lƣợng 27
2.4.1. Giới thiệu về IC MC33035 27
2.4.2 Thiết kế mạch tạo xung điều khiển 31
2.5 Mạch đo tín hiệu phản hồi 33
2.5.1 Đo tín hiệu dòng điện 33
2.5.2. Mạch đo tín hiệu tốc độ 35
2.6 Tạo tín hiệu đặt và điều khiển 35
2.7 Kết luận 36
- iv -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 37
3.1. Các thiết bị thực nghiệm 37
3.1.1. Động cơ MCKCT 37
3.1.2. Thiết bị biến đổi năng lƣợng 37
3.1.3. Tạo tín hiệu điều khiển 39
3.1.4. Thiết bị hiển thị 39
3.1.5. Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue 39
3.1.6. Thiết bị đo dòng điện – ACS712-30A 39
3.1.7. Thiết bị lấy tốc độ 40
3.1.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống 40
3.2. Thực nghiệm 41
3.2.1. Cấu trúc thực nghiệm hệ truyền động ĐCMCKCT 41

3.2.2. Kết quả thực nghiệm: 43
3.3. Kết luận chƣơng 3 48
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49
Kết luận 49
Kiến nghị 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
- v -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2 Sơ đồ khối ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 3- Stator của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 4 Các dạng sức điện động ĐCMCKCT . Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5 - Rotor của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 6. Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than Error!
Bookmark not defined.
Hình 1. 7- Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT . Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 8- Mô hình thu gọn của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 9- Sơ đồ khối của ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 10 - Sơ đồ 1 pha tƣơng đƣơng của ĐCMCKCTError! Bookmark not
defined.
Hình 1. 11 - Đặc tính làm việc và đặc tính cơ ĐCMCKCTError! Bookmark
not defined.
Hình 1. 12 - Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một
cực Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 13-Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trƣờng stator Error!
Bookmark not defined.

Hình 1. 14- Chuyển mạch hai cực tính của ĐCMCKCTError! Bookmark not
defined.

Hình 2. 1. Sơ đồ hệ truyền động động cơ MCKCTError! Bookmark not
defined.
Hình 2. 2 - Sơ đồ cấu trúc một pha ĐCMCKCT Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 3- Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 4-Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Error! Bookmark not defined.
- vi -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 2. 5- Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm ArduinoDueError! Bookmark not
defined.
Hình 2. 6- Các đầu nối ngoại vi ArduinoDue Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 7- Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 26
Hình 2. 8- Các khối chức năng trong thƣ viện ArduinoDue 26
Hình 2. 9- Sơ đồ cấu trúc BBD và động cơ sử dụng MC33035 29
Hình 2. 10- Mạch tạo xung điều khiển dùng MC33035 Error! Bookmark not
defined.
Hình 2. 11- Sơ đồ nguyên lý mạch điện 32
Hình 2. 12- Sơ đồ mạch nguyên lý BBĐ và ĐCMCKCT 33
Hình 2. 13- Sơ đồ khối ACS712 34
Hình 2.14- Sơ đồ mạch đo dòng điện 34
Hình 2.15- Đặc tính vào ra của ACS712 34
Hình 2. 16- Tín hiệu xung từ cảm biến Hall 35
Hình 2. 17- Mạch đo tốc độ động cơ 35

Hình 3. 1- Động cơ thực nghiệm 37

Hình 3. 2. Bộ biến đổi năng lƣợng cấp cho động cơ MCKCTError! Bookmark
not defined.
Hình 3. 3- Card ghép nối ArduinoDue Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4 - Khâu lấy tín hiệu dòng điện 39
Hình 3. 5- Khâu lấy tín hiệu tốc độ 40
Hình 3. 6- Mô hình thực nghiệm hệ thống 40
Hình 3. 7- Cấu trúc thực nghiệm 41
Hình 3. 8 Cấu chức hệ với tín hiệu đặt là hàm bƣớc nhảy 42
Hình 3. 9 - Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 43
Hình 3. 10 - Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 43
Hình 3. 11- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt biến thiên theo hàm sin 44
- vii -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 3. 12- Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 44
Hình 3. 13- Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin 45
Hình 3. 14- Cấu trúc hệ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 45
Hình 3. 15- Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 46
Hình 3. 16- Đáp ứng dòng điện động cơ với tín hiệu đặt dạng bậc thang 46


Bảng 1.1 So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thông thƣờng: 11
Bảng 2. 1 Bảng giải mã tín hiệu từ cảm biến Hall và xung điều khiển các pha. 37
No table of figures entries found.
- viii -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
. Tuy nhiên, điể
ệ :
-
;
- Sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc.
Để
(Ví dụ
. 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 khi đã xác đƣợc vị trí roto việc xây dựng thuật toán điều khiển dòng
cấp cho cuộn dây Stato và nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab
- Simulink để thực hiện thuật toán điều khiển này là cần thiết và cũng là hƣớng
nghiên chính của bản luận án.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động
cơ một chiều không chổi than.
- ix -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


- Thực hiện thuật toán điều khiển ứng dụng vi xử lý trong điều khiển hệ
truyền động sử dụng động cơ một chiều không chổi than.
3. Kết quả dự kiến:

- Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than.
- 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:
- Phương 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.
- Phương 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 một chiều không chổi than
Chƣơng 3: Thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị.

- 10 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỘNG CƠ 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 (ĐCMCKCT). 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.
So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thông thường:
Mặc dù ngƣời ta nói rằng đặc tính tĩnh của ĐCMCKCT và ĐCMC 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.


- 11 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Nội dung

ĐCMC thông thƣờng
ĐCMC không chổi than
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
Đápứngchậmhơn. Dễbảodƣỡng
(thƣờng không yêu cầu bảo
dƣỡng)
Sơ đồ nối dây

Nối vòng tròn. Đơn giản
nhất là nối
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
xácđịnh
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

Bảng 1.1 So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thông thường:
1.1.1.1. Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than
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:
- 12 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1.1 Cấu tạo ĐCMCKCT

Hình 1.2 Sơ đồ khối ĐCMCKCT
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.
Việc xác định vị trí rotor đƣợc thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết các
ĐC đồng bộ
kích thích vĩnh
cửu
Cảm biến
vị trí
Chuyển mạch điện tử
- 13 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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 ĐCMCKCT
Stator của ĐCMCKCT 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 ĐCMCKCT 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 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
- 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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. ĐCMCKCT 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 ĐCMCKCT hình sin và ĐCMCKCT 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 ĐCMCKCT
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 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
a) Sức điện động ĐCMCKCT hình
thang

b) Sức điện động ĐCMCKCT
hình sin

- 15 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


cơ có dạng hình trụ rỗng.


Hình 1. 5 Rotor của ĐCMCKCT
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.


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
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
- 16 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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 ĐCMCKCT
1.1.2.1. Mô hình toán học của ĐCMCKCT
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
Để thực hiện xây dựng mô hình toán học thì phải ƣớc lƣợng động cơ về các
phần tử điện cơ bản. Hình 1.7 trình bày mô hình mạch điện trong ĐCMCKCT 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.
- 17 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 1. 7 Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT
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:

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:
Ra = Rb = Rc = R ,
La=Lb=Lc=L ,
Lab = Lca = Lcb = M .
- 18 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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 1.23 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:
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 ĐCMCKCT.

Hình 1. 8 Mô hình thu gọn của ĐCMCKCT
- 19 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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
(2-8)

Momen điện từ
Momen điện từ của ĐCMCKCT đƣợc tính thông qua các công suất cơ và công
suất điện. Do trong ĐCMCKCT 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:
P
c
= M∙ω (1-9)
Công suất điện đƣợc tính theo biểu thức:
Pđ = ea∙ia + eb∙ib + ec∙ic (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 (2.12) là công thức dùng để tính momen điện từ của ĐCMCKCT.
Phƣơng trình động học của ĐCMCKCT

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
- 20 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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 ĐCMCKCT
Sơ đồ cấu trúc của ĐCMCKCT mang tính tổng quát cho một động cơ 3 pha.
Do trong ĐCMCKCT 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 ĐCMCKCT.
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

ĐCMCKCT đƣợc trình bày nhƣ trong hình 1.9.
- 21 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1. 9 Sơ đồ khối của ĐCMCKCT
1.1.2.2. Đặc tính cơ của ĐCMCKCT
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 ĐCMCKCT trong hình 1.10 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 ĐCMCKCT 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 1 pha tương đương của ĐCMCKCT
Ta có biểu thức công suất điện:
- 22 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Pd = ea∙ia + eb∙ib + ec∙ic = 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
ĐCMCKCT:


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).

.
2.
e
mm
VK
M
R
(1-28)
- 23 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Có thể thấy, dạng của phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều thông
thƣờng với ĐCMCKCT là giống nhau.
Đặc tính cơ của ĐCMCKCT 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.
ĐCMCKCT 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 ĐCMCKCT có thể đƣợc mở rộng hơn.

Hình 1. 11 Đặc tính làm việc và đặc tính cơ ĐCMCKCT
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. Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực