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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG 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
TRƯỜNG 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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PHÒNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Thái Nguyên – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-i-

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

-i-

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 – Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Trường Cao đẳng Nghề Cơ điện Phú Thọ
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự
hướng 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

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

- ii -

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


-3-

MỤC LỤC

CHƯƠNG 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 phương 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 chương 1.............................................................................................. 18
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG
CHỔI THAN ................................................................................................................. 19
2.1. Đặc điểm khi làm việc và phương pháp xác định vị trí roto ............................. 19
2.1.1. Đặc điểm khi làm việc ................................................................................ 19
2.1.2. Phương pháp xác định vị trí rotor............................................................... 19
2.2.2. Phương 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 lượng...................................................................................... 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 chương 2.............................................................................................. 45
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM .................................................................................... 46
3.1. Các thiết bị thực nghiệm .................................................................................... 46


-43.1.1. Động cơ MCKCT ....................................................................................... 46
3.1.2. Thiết bị biến đổi năng lượng ...................................................................... 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 chương 3.............................................................................................. 58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 59
Kết luận ..................................................................................................................... 59
Kiến nghị................................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 60


-5-

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 tương đương 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 trường 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 thư 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 lượng ..................................................... 42


-6Hình 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 lượng 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 chưa hiệu chỉnh ............................................... 52
Hình 3.11 Đáp ứng tốc độ hệ thống khi chưa hiệu chỉnh ............................................. 52
Hình 3.12 Cấu trúc hệ với tín hiều đặt là hàm bước 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 thường .................... 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


-7-

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề


-8. 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 được 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 trường roto. Như
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 hướng 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 phương 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.


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. Phương pháp và phương 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 được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than.
Chương 2: Thiết kế hệ truyền động động cơ điện một chiều không chổi than.
Chương 3: Thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị.

-1-

CHƯƠNG 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 thường 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 dưỡng thường xuyên. Để khắc phục nhược điểm này
người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng
của cổ góp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn
như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những
động cơ này được biết đến như 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 được hầu hết
các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường.
1.1.1.1. So sánh động cơ MCKCT với động cơ một chiều thông thường
Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ MCKCT và động cơ
một chiều thông thường 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 thường đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Bảng
1.1 so sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ này. Khi nói về chức năng của động
cơ điện, không được 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 thường, sự đổi chiều được thực hiện bởi cổ góp và chổi
than. Ngược lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều được thực hiện
bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor, MOSFET, GTO, IGBT.

-2-

Bảng 1.1 So sánh động cơ MCKCT với động cơ một chiều thông thường
Nội dung
Cấu trúc cơ khí

Động cơ một chiều

Động cơ MCKCT

Mạch kích từ nằm trên Mạch kích từ nằm trên rotor.
stator.

Tính năng đặc Đáp ứng nhanh và dễ Đáp ứng chậm hơn. Dễ bảo dưỡng
biệt

điều khiển.

(thường không yêu cầu bảo dưỡng).

Sơ đồ nối dây

Nối vòng tròn.

Cao cấp: Ba pha nối Y hoặc

.

Bình thường: Dây quấn 3 pha nối Y

có điểm trung tính nối đất hoặc nối
4 pha. Đơn giản nhất: nối 2 pha
Phương pháp đổi Tiếp xúc cơ khí giữa Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết
chiều

chổi than và cổ góp.

Phương pháp xác

Tự

định vị trí rotor

bằng chổi than.

động

xác

bị bán dẫn như transitor, IGBT...

định Sử dụng cảm biến vị trí: phần tử
Hall, cảm biến quang học (optical
encoder).

Phương pháp đảo

Đảo

chiều

điện

áp Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu

chiều

nguồn (cấp cho phần logic.
ứng hoặc mạch kích từ).

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-

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ MCKCT
ĐC đồng bộ
kích thích vĩnh
cửu

Cảm biến
vị trí

Chuyển mạch điện tử
Hình 1.2 Sơ đồ khối động cơ MCKCT
Dây quấn stator tương tự như 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 phương 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 như 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.


-4Việc xác định vị trí rotor được 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 được sử
dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản.
Như 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 thường, 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 nhưng thường 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 được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các
cuộn dây được 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 như cấu tạo của các
động cơ cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây được 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

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

-5hoặc hình tam giác. Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các bối dây
nối liền với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối liền
nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây được 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 tương ứng cũng có dạng hình sin
và hình thang. Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt
hơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục. Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn
nhưng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động
là lớn hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

-6a) Sức điện động động cơ
MCKCT
hình thang

b) Sức điện động cơ MCKCT

hình sin

Hình 1.4 Các dạng sức điện động động cơ MCKCT
Động cơ một chiều không chổi than thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3
pha. Tương 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 được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

-6nhỏ…. Các động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động
hóa và các ứng dụng công nghiệp.
Rotor:
Được 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, người ta thường chế tạo
trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng.

Hình 1.5 Rotor của động cơ MCKCT
Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu. Số lượng 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 trường trong rotor, chất liệu nam châm thích
hợp được chọn tương ứng. Nam châm Ferrite thường được sử dụng. Khi công nghệ
phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Nam châm Ferrite rẻ hơn
nhưng mật độ thông lượng 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 thước của rotor
nhưng vẫn đạt được momen tương tự. Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có
nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite.

-7-


-8Rotor lõi tròn với nam

Rotor lõi tròn với nam

Rotor lõi tròn, nam châm

châm đặt trên bề mặt

châm hình chữ nhật được

hình chữ nhật chèn vào

đặt trong rotor

trong lõi rotor

Hình 1.6 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than
Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của động
cơ một chiều không chổi than được điều khiển bằng điện tử. Tức là các cuộn dây
của stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất. Để
động cơ làm việc, cuộn dây của stator được 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 được cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ được cấp
điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của rotor được xác định bằng nhiều cách khác nhau

như phương pháp điện từ; phương pháp quang điện và phương 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 tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích
mô tả lại đối tượng thực tế đó nhưng dưới 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 ước lượng 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 được ước lượng bởi điện trở Ra và điện cảm La, do 3
cuộn dây của stator được đặt cạnh nhau nên xảy ra hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn
dây với nhau, sự hỗ cảm giữa các cuộn dây được thể hiện qua đại lượng 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 tương tác giữa hai từ trường. Vì vậy các đại lượng ea, eb,
ec thể hiện sự tương tác giữa hai từ trường, biên độ của các sức phản điện động này
là bằng nhau và bằng E. Do các nam châm đều được 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 phương trình điện áp của một pha:


Va

Vb
Vc

di
ea
dt
d
Rb .i Lb i eb
dt
d
R c.i Lc i ec
dt
Ra .i La

Đặt s là toán tử Laplace, khi đó di/dt = i.s
Phương trình của điện áp 3 pha:

(1-1)


va
vb

Ra 0
0 Rb

0 ia
0 . ib

vc

0

Rc

0

ic

La Lba Lca ia
s. Lab Lb Lcb . ib
Lac Lbc

Lc

ea
eb

ic

ec

(1-2)

Trong đó: La, Lb, Lc là điện cảm của các cuộn dây động cơ. Lab, Lbc, Lca là hỗ
cảm giữa các cuộn dây tương ứng. Ra, Rb, Rc 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.
Do đó:

va

R

0

0

ia

vb
vc

0 R 0 . ib
0 0 R ic

L M M

ia

ea

s. M L M . ib
M M L ic

eb
ec

(1-3)

Trên hình 1.7 các cuộn dây của stator đấu sao nên:
ia + ib + ic = 0

(1-4)

Suy ra :
M.ia + M.ib = -M.ic

(1-5)

Kết hợp hai biểu thức (1-3) và (1-5), suy ra:

va
vb

R 0
0 R

vc

0

0 ia
0 . ib

0 R

ic

L M
0
s. 0 L M
0

0

0
0

ia
. ib

ea
eb

L M

ic

ec

Chuyển vế của (1-6) và đưa dòng điện về một vế ta được:

(1-6)


ia

s. ib
ic

1/ (L M )
0
0

0

0

1/ (L M )
0
. vb
0
1/ (L M )

0 R

0 . bi

eb

(1-7)

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