Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý trong điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều không chổi than

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-i-

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Phạm Minh Hải
Sinh ngày: 20 tháng 09 năm 1976
Học viên lớp cao học K14 – Tự động hố – Trƣờng đại học Kỹ thuật cơng
nghiệp Thái Nguyên – đại học Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Trƣờng cao đẳng nghề phú Thọ
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi 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 tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Phạm Minh Hải

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- iii 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. Mơ hình tốn 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 dịng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- iv 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. Mơ 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-vDANH 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- Mơ hình mạch điện của ĐCMCKCT . Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 8- Mơ 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 vịng dịng điện Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 4-Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ ....... Error! Bookmark not defined.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- vi 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 dịng 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 dịng điện..............................................................39
Hình 3. 5- Khâu lấy tín hiệu tốc độ ....................................................................40
Hình 3. 6- Mơ 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 dịng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- vii Hình 3. 12- Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu đặt dạng hàm sin ..................44
Hình 3. 13- Đáp ứng dịng 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 dịng 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- viii -

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề

. Tuy nhiên, điể
ệ

:

;

- Sinh ra tia lửa điện trong q 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 khơng chổi
than là việc cấp dịng 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 tốn điều khiển dịng
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 khơng chổi than.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- ix -

- 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 mơ hình tốn học của động cơ một chiều không chổi than.
- Xây dựng cấu trúc và thuật tốn điều khiển động cơ một chiều khơng chổi
than.
- Xây dựng mơ 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 tốn luật điều khiển.
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Phân tích và tổng hợp hệ bằng mơ hình tốn, mơ phỏng, kiểm chứng.
+ Xây dựng mơ 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 10 -

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 mịn 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 cơng 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 cịn gọi là
động

cơ

một

chiều

khơng

chổi

than

(ĐCMCKCT).

Do

khơng

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 thơng thƣờng.
So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thơng thường:
Mặc dù ngƣời ta nói rằng đặc tính tĩnh của ĐCMCKCT và ĐCMC thơng
thƣờng hồn tồn 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 dịng 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 11 Nội dung
Cấu trúc cơ khí
Tính năng đặc biệt

Sơ đồ nối dây

Phƣơng
chiều

pháp

ĐCMC thơng thƣờng

ĐCMC khơng chổi than

Mạch kích từ nằm trên Mạch kích từ nằm trên rotor
stator
Đáp ứng nhanh và dễ điều Đápứngchậmhơn.
Dễbảodƣỡng
khiển
(thƣờng khơng u cầu bảo
dƣỡng)
Nối vịng trịn. Đơn giản Cao cấp: Ba pha nối Y hoặc .
nhất là nối
Bình thƣờng: Dây quấn 3 pha nối
Y có điểm trung tính nối đất hoặc
nối 4 pha. Đơn giản nhất: nối 2
pha
đổi Tiếp xúc cơ khí giữa chổi Chuyển mạch điện tử sử dụng
than và cổ góp
thiết bị bán dẫn nhƣ transitor,
IGBT...

Phƣơng phápxácđịnh Tự động xác định bằng Sử dụng cảm biến vị trí: phần tử
vị trírotor
chổi than
Hall, cảm biến quang học (optical
encoder)
Phƣơng
chiều

pháp

đảo Đảo chiều điện áp nguồn Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu
(cấp cho phần ứng hoặc logic
mạch kích từ)
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 khơng chổi than ba
pha điển hình:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 12 -

Hình 1.1 Cấu tạo ĐCMCKCT
ĐC đồng bộ
kích thích vĩnh
cửu

Cảm biến
vị trí

Chuyển mạch điện tử
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 khơng 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 thơng qua cảm biến vị trí, hầu hết các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 13 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, ngồi ra cịn có cảm biến vị trí để xác định vị trí
rotor, bộ mã hố 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 khơng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 14 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. Dịng 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. Cịn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhƣng đặc tính
momen lại nhấp nhơ do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn.

a) Sức điện động ĐCMCKCT hình
thang

b) Sức điện động ĐCMCKCT
hình sin

Hình 1. 4 Các dạng sức điện động ĐCMCKCT
Động cơ một chiều khơng 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 cơng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 15 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 thơng 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.

Rotor lõi tròn với nam

Rotor lõi tròn với nam

Rotor lõi tròn, nam châm

châm đặt trên bề mặt

châm hình chữ nhật đƣợc

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 nhƣ động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của động
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 16 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 khơng 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. Mơ hình tốn học và phương trình đặc tính cơ của ĐCMCKCT
1.1.2.1. Mơ hình tốn học của ĐCMCKCT
Mơ hình tốn học của đối tƣợng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích
mơ tả lại đối tƣợng thực tế đó nhƣng dƣới dạng các biểu thức tốn học để thuận lợi cho
q trình phân tích, khảo sát thiết kế. Đối với động cơ, mơ tả tốn học đóng vai trị
quan trọng vì mọi khảo sát và tính tốn bằng lý thuyết đều dựa trên mơ hình tốn học.
Vì vậy mơ hình tốn học là chìa khố để mở ra mọi vấn đề trong q trình tính tốn
thiết kế cho động cơ.

Mơ hình tốn học
Để thực hiện xây dựng mơ hình tốn học thì phải ƣớc lƣợng động cơ về các
phần tử điện cơ bản. Hình 1.7 trình bày mơ 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
dịng cảm ứng rotor.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 17 -

Hình 1. 7 Mơ hình mạch điện của ĐCMCKCT
Từ mơ hình mạch điện của động cơ thì phƣơng trình điện áp của một pha:
Va

Ra .i La

di
dt

ea

Vb

Rb .i Lb

di
dt

eb

Vc

Rc .i Lc

di
dt

ec

(1-1)

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

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

ic

ea
eb

(1-2)

ec

Trong đó: La, Lb, Lc là điện cảm của các cuộn dây động cơ. Lab, Lbc, Lca là hỗ cảm
giữa các cuộn dây tƣơng 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 .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 18 Do đó:

va
vb

R 0
0 R

vc

0

0 ia
0 . ib

0 R

L M M ia
s. M L M . ib

ic

M M L

ea
eb

ic

(1-3)

ec

Trên hình 1.23 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

L M
0
s. 0
L M

ic

0

0

0
0

ia
. ib

L M

ic

ea
eb (1-6)

ec

ia

ea

Chuyển vế của (1-6) và đƣa dòng điện về một vế ta đƣợc:

ia
s. ib
ic

1/ ( L M )
0
0

0

0

va

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

R

0

0

0 R 0 . ib
0 0 R ic

eb (1-7)
ec

Từ biểu thức (1-7) xây dựng đƣợc mơ hình thu gọn của ĐCMCKCT.

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

/>

- 19 Đặt L-M = Ls là điện cảm tƣơng đƣơng của mỗi pha . Thay vào biểu thức (1-7):

ia

1/ Ls

s. ib
ic

0
0

0

0

va

1/ Ls 0 . vb
0 1/ Ls vc

R

0

0

ia

ea

0 R 0 . ib
0 0 R ic

eb
ec

(2-8)

Momen điện từ
Momen điện từ của ĐCMCKCT đƣợc tính thơng qua các cơng 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, cơng suất điện
cấp cho động cơ cũng chính bằng cơng 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)

Cơng 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 = ea∙ia + eb∙ib + ec∙ic
=> M

ea ia

eb ib

(1-11)

ec ic

(1-12)

Biểu thức (2.12) là cơng thức dùng để tính momen điện từ của ĐCMCKCT.
Phƣơng trình động học của ĐCMCKCT
Momen qn tính : Jm
Momen ma sát : Mf

Ma sát thƣờng tỷ lệ với tốc độ và đƣợc biểu hiện thông qua hệ số nhớt D theo
biểu thức:
Mf = D∙ωm

(1-13)

Momen tải của động cơ : Mc; Momen qn tính của tải : Jc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 20 Nhƣ vậy, phƣơng trình động học tổng quát của động cơ có dạng nhƣ sau:
M

(Jm

Jc )

d
dt

D

(1-14)

Mc

Đặt J = Jm + Jc, biến đổi phƣơng trình (1-14) sẽ đƣợc:
d

dt

M

D

Mc
J

(1-15)

Viết dƣới dạng toán tử Laplace:
s

M

D

Mc
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 tốn. Xuất phát từ biểu thức (1-7), các phƣơng trình điện đƣợc viết
lại nhƣ sau:
ia

ib

ic

(Va ea )

(Vb eb )

(Vc ec )

1/ R
1 Tu

(1-17)

1/ R
1 Tu

(1-18)

1/ R
1 Tu

(1-19)

Trong đó Tƣ=Lƣ/Rƣ 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 21 -

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.
Cơng suất cơ của động cơ là tích số giữa momen và tốc độ. Tuy vậy, ở cùng một giá trị
cơng 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 cơng suất điện:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

- 22 Pd = ea∙ia + eb∙ib + ec∙ic = 2∙E∙I

(1-21)

Biểu thức về công suất cơ:
Pc = M∙ω

(1-22)

Biểu thức về sức phản điện động:
E = Ke∙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 cơng 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:
M.

2.E.I

2.

Ke .
.I
2

K e . .I

I

M
Ke

(1-24)

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

2.R.I
Ke

(1-25)

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

2.R
.M
K e2

(1-26)

Giao điểm của đặc tính cơ với trục tốc độ chính là biểu thị của tốc độ khơng tải
lý tƣởng. Lúc đó, dịng điện bằng 0.
0

V

Ke

(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).
M mm

V .Ke
2.R

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

(1-28)

/>

- 23 Có thể thấy, dạng của phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều thơng
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 q trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác.
ĐCMCKCT khơng dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do khơng 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 ngun lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>