Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha rôto lồng sóc không dùng cảm biến tốc độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

BÙI THẾ VIỆT

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
XOAY CHIỀU BA PHA RÔ TO LỒNG SĨC KHƠNG DÙNG CẢM
BIẾN TỐC ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà nội - 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

BÙI THẾ VIỆT

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
XOAY CHIỀU BA PHA ROTOR LỒNG SÓC KHƠNG DÙNG CẢM
BIẾN TỐC ĐỘ

Chun ngành: Tự động hóa
Mã số

: 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. ĐÀO VĂN TÂN

Hµ néi - 2010


-1-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Bùi Thế Việt, học viên lớp cao học khóa 6 tự động hóa các xí
nghiệp cơng nghiệp niên khóa 2008 – 2010. Sau 2 năm học tập và nghiên cứu,
được sự giúp đỡ của các thầy cơ và sự hướng dẫn nhiệt tình của giáo viên
hướng dẫn PGS. TS. Đào Văn Tân đã giúp tơi hịan thành luận văn thạc sỹ.
Với đề tài “Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo tốc độ động cơ điện xoay
chiều ba pha rotor lồng sóc khơng dùng cảm biến tốc độ”. Tơi xin cam đoan
đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận
văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai cơng bố bất kỳ cơng trình
nào khác. Nếu có tơi hồn tồn chịu trách nhiệm.
Hà nội, ngày 15 tháng 09 năm 2010
Tác giả luận văn

Bùi Thế Việt


-2-

LỜI CẢM ƠN !
Với sự quan tâm, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo,
PGS - TS Đào Văn Tân, cùng với nỗ lực của bản thân đến nay tơi đã hồn
thành cuốn luận văn thạc sĩ kỹ thuật này. Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn và

gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy cơ giáo trong bộ mơn Tự động
hóa – Trường Đại học Mỏ Địa Chất HN, những người đã truyền dạy cho
chúng tơi những kiến thức q báu.
Cảm ơn tồn thể bạn bè và gia đình đã giúp đỡ động viên để tơi hồn
thành tốt luận văn này.

Hà nội, ngày 15 tháng 09 năm 2010
Học viên

Bùi Thế Việt


-3-

MỤC LỤC
1.

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt………………………………….5

2.

Danh mục hình vẽ………………………………………………………8

3.

Mở đầu…………………………………………………………………10

Chương 1. Các phương pháp đo tốc độ động cơ và xây dựng thiết bị đo
tốc độ động cơ………………………………………………………………14

1.1. Các phương pháp đo tốc độ động cơ……………………………….......14
1.2. Xây dựng thiết bị đo tốc độ động cơ……………………………….......19
1.3. Phương pháp sử dụng thiết bị đo không dùng cảm biến tốc độ……….40
Chương 2. Tổng quan về động cơ không đồng bộ trong hệ không gian
vector………………………………………………………………………..42
2.1. Khái quát cấu trúc của hệ truyền động xoay chiều ba pha điều khiển tựa
theo từ thơng……………………………………...........................................42
2.2. Hệ phương trình của động cơ khơng đồng bộ trong không gian
vector………………………………………………………………………...47
2.3. Tổng quan về hệ thống điều khiển vector động cơ không đồng bộ…….67
Chương 3. Các phương pháp đánh giá tốc độ động cơ không đồng bộ
xoay chiều ba pha và hệ thống đo tốc độ động cơ không dùng cảm biến
tốc độ………………………………………………………………………...82
3.1. Tổng quan về phương pháp đánh giá tốc độ và điều khiển không dùng
cảm biến tốc độ………………………………………………………………82
Chương 4. Xây dựng thuật toán xác định tốc độ và từ thơng động cơ….99
4.1 Thuật tốn tính tốn tốc độ………………………………………………99
4.2 Tính tốn từ thơng bằng mơ hình quan sát……………………………...100
Chương 5. Hệ thống điều khiển vector gián tiếp không dùng cảm biến tốc
độ…………………………………………………………………………...114


-4-

5.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển vector gián tiếp không dùng cảm biên tốc
độ…………………………………………………………………………..114
5.2 . Kết quả của mô hình…………………………………………………..116
Kết luận……………………………………………………………………124
Tài liệu tham khảo……………………………………………………..…125

-5-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
-

Các ký hiệu được sử dụng.
e

:Sức từ động cảm ứng.

⃗ı

: Vector dòng stator.

⃗ı

: Vector is trên hệ tọa độ dq và αβ

ias, ibs, ics

: Dòng điện các pha a, b, c của stator.

ids, iqs

: Thành phần dòng điện stator trên trục d và q

iαs, iβs

: Thành phần dòng điện stator trên trục α và β

mW, mM

: Mômen tải và mômen động cơ

u⃗

: Vector điện áp stator

u⃗

,

u⃗

: Vector u⃗ trên hệ tọa độ dq, αβ

uds, uqs

: Thành phần điện áp trên trục d và trục q

uαs, uβs

: Thành phần điện áp trên hệ trục tọa độ α, β

uas, ubs, ucs

: Điện áp các pha stator

ω, ωs, ωr

: Vận tốc góc cơ, mạch stator, từ thông rotor

ψ⃗ , ψ⃗

: Vector từ thông stator và từ thông rotor

Ψ ds, ψqs

: Thành phần từ thông stator của trục d, q

Ψ dr, ψqr

: Thành phần từ thông rotor của trục d, q

Ψ αs, ψβs

: Thành phần từ thông rotor của trục α, β

Ψ’αs, ψ’βs Ψds:Thành phần trục α, β, d của dịng nhánh ngang
J

: Mơ men qn tính

Lm, Lr, Ls

: Hỗ cảm, điện cảm rotor, điện cảm stator

Lδs, Lδr

: Điện cảm tản phía stator và rotor

Lds, Lqs

: Điện cảm stator đo theo trục d và trục q

Rs, Rr

: Điện trở stator và rotor

Tr, Ts

: Hằng số thời gian rotor và stator

Tds, Tqs

: Hằng số thời gian stator trục d, q


-6-

p

: Số đơi cực

δ

: Hệ số tản tồn phần

2. Các chỉ số

f

: Viết trên cao, bên phải đại lượng biểu diễn trên hệ tạo độ dq.

s

: Viết trên cao, bên phải đại lượng biểu diễn trên hệ tạo độ αβ.

*

: Viết trên cao, bên phải: giá trị đặt (giá trị chủ đạo, giá trị cần,

set point)
^

: Có dâu ^ bên trên: Đại lượng tính đươc quan sát được

3 . Ma trận.
A, G

: Ma trận hệ thống: liên tục và gián đoạn

B, C

: Ma trận đầu vào (mơ hình liên tục và gián đoạn)

4. Các chữ viết tắt.
ADC

: Analog to Digital Converter

A

: Analog

D

: Digital.

ĐCKĐB: Động cơ không đông bộ rotor lồng sóc


-7-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
1.

Hình 1.1. Bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa. …………………14

2.

Hình 1.2. Sơ đồ hai kênh tín hiệu ra lệch nhau 900 A và B của máy phát

xung………………………………………………………………………….16
3.

Hình 1.3. Máy phát xung với hai kênh A, B có tín hiệu dạng sin…….17

4.

Hình 1.4. Máy đo góc tuyệt đối………………………………………..18

5.

Hình 1.5. Sơ đồ ngun tắc mạch chuyển phát mơ men kiểu tương tự
………………………………………………………………………….24

6.

Hình 1.6. Sơ đồ chi tiết mạch chuyển phát mơ men kiểu tương tự……25

7.

Hình 1.7. Sơ đồ bố trí chân của vi mạch AD 534……………………...28

8.

Hình 1.8. Sơ đồ khối của vi mạch nhân AD 534………………………30

9.

Hình 1.9. Vi mạch khuếch đại thuật tốn µA………………………….30

10. Hình 1.10. Sơ đồ nguồn điện một chiều……………………………….31
11. Hình 1.11. Sơ đồ khối mạch chuyển phát mô men dùng vi mạch chuyển
đổi tương tự sang số ghép nối vơi máy tính………………………………....33
12. Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý phần thiết bị thứ I mạch chuyển phát mơ
men dùng máy tính ghép nối với các vi mạch chuyển đổi tương tự số…….34
13. Hình 1.13. Vi mạch ADC 0809………………………………………..37
14. Hình 1.14. Sơ đồ khối bảng các vi mạch chuyển đổi tương tự sơ……39

15. Hình 1.15. Sơ đồ vi mạch DAC 0808………………………………….39
16. Hình 1.16. Sơ đồ khối bộ tính tốn tốc độ…………………………….41
17. Hình 2.1. Sơ đồ cuộn dây và dịng điện………………………………..42
18. Hình 2.2. Thiết lập vector khơng gian từ các đại lượng ba pha……….43
19. HÌnh 2.3. Biểu diễn dịng điện stator dưới dạng vector khơng gian….44
20. Hình 2.4. Biểu diễn vector khơng gian trên hệ tọa độ dq……………..45
21. Hình 2.5. Mơ hình động cơ khơng đồng bộ……………………………49
22. Hình 2.6. Mach tương đương của động cơ không đồng bộ……………49


-8-

23. Hình 2.7. Hệ tọa độ quay chuẩn………………………..........................55
24. Hình 2.8. Mơ hình động cơ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq………….60
25. Hình 2.9. Mơ hình trạng thái với hệ số hàm của động cơ KĐB trên hệ
αβ…………………………………………………………………………….61
26. Hình 2.10. Mơ hình liên tục của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq…….63
27. Hình 2.11. Mơ hình trạng thái dạng phi tuyến yếu của động cơ không
đồng bộ trên hệ tọa độ dq……………………………………………………65
28. Hình 2.12. Sự tương tac giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều
và điều khiển vector…………………………………………………………67
29. Hình 2.13. Đồ thị pha cảu phương pháp điều khiển vector…………..69
30. Hình 2.14. Sơ đồ khối cơ bản của hệ điều khiển vector với mơ hình động
cơ…………………………………………………………………………….70
31. Hình 2.15. Sơ đồ hệ thống điều khiển vector trực tiếp sử dụng nghịch lưu
nguồn dịng…………………………………………………………………..71
32. Hình 2.16. Sơ đồ khối bộ tạo vector đơn vị……………………………73
33. Hình 2.17. Tổng hợp từ thơng rotor và từ thơng khe hở khơng khí…...74
34. Hình 2.18. Biểu đồ pha trong điều khiển vector gián tiếp…………….75
35. Hình 2.19. Sơ đồ cấu trúc tính tốn góc quay từ thơng………………..77

36. Hình 2.20. Hệ thống điều khiển vị trí sử dụng phương pháp điều khiển
vector gián tiếp………………………………………………………………78
37. Hình 2.21. Hệ thống điều khiển vector gián tiếp dùng sensor vị trí….79
38. Hình 2.22. Cấu trúc kinh điển của truyền động điện xoay chiều ba pha
điều chỉnh kiểu tựa từ thơng rotor……………………………………….…..80
39. Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc thuật tính tốn tốc độ theo mơ hình chuẩn...87
40. Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc thuật tốn tính tốn tốc độ theo mơ hình chuẩn
sử dụng sức điện động……………………………………………………….89


-9-

41. Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc thuật tốn tính tốn tốc độtheo mơ hình quan sát
từ thơng thích nghi theo tốc độ………………………………………………89
42. Hình 3.4. Mơ hình quan sát tốc độ và từ thơng rotor………………….92
43. Hình 3.5. Xác định từ thơng rotor bằng sensor Hall…………………..94
44. Hình 3.6. Tính tốn từ thơng rotor từ đại lượng điện áp va dịng điện
stator………………………………………………………………………....95
45. Hình 3.7. Xác định từ thơng rotor từ dịng điện stator và tốc độ động
cơ…………………………………………………………………………….96
46. Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc thuật tốn tính tốn tính tốn tốc độ……….100
47. Hình 4.2. Mơ hình quan sát từ thơng rotor và dịng điện……………..102
48. Hình 4.3. Mơ hình qn át dưới dạng ma trận con…………….….…..105
49. Hình 4.4. Sơ đồ cấu trúc nhận dạng tham số động cơ………………...112
50. Hình 4.5. Sơ đồ khối tính tốn tốc độ có nhận dạng tham số động cơ.114
51. Hình 4.6. Cấu trúc khâu quan sát khơng đo tốc độ…………………...114
52. Hình 5.1. Sơ đồ cấu trúc tính tốn góc từ trường……………………..115
53. Hình 5.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vector động cơ khơng đồng bộ
rotor lồng sóc khơng dùng cảm biến tốc độ………………………………..116
54. Hình 5.3. Sơ đồ mơ phỏng động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến

tốc độ……………………………………………………………………….118
55. Hình 5.4. Đồ thị dịng điện stator ids……………………………………120
56. Hình 5.5 Đồ thị dịng điện stator iqs…………………………………120
57. Hình 5.6. Đồ thị mơ men điện từ ……………………………………..121
58. Hình 5.7.Đồ thị tốc độ góc ………………………………………...…121
59. Hình 5.8. Đồ thị từ thơng …………………………………………….122


- 10 -

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
So với động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm
nhiều hơn về mặt cấu tạo, giá thành cũng như trong vận hành. Tuy nhiên do
đặc tính phi tuyến nên việc điều khiển động cơ không đồng bộ gặp nhiều khó
khăn hơn.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của một số ngành kỹ
thuật như điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý….nhiều phương pháp điều
khiển mới ra đời và đã thu được hiệu quả. Chính vì như vậy động cơ khơng
đồng bộ ngày càng được sử dụng rộng rãi, dần thay thế cho động cơ một
chiều trong các hệ thống truyền động chất lựơng cao.
Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ, trong
đó có điều khiển tần số/điện áp nguồn cung cấp có thể nói là hiệu quả. Trong
hệ thống này sức điện động stato động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm
bảo duy trì từ thống khe hở khơng đổi. Động cơ có khả năng sinh mômen như
nhau ở tần số dưới định mức có khả năng điều chỉnh cả hai vùng như: Vùng
dưới tốc độ cơ bản - điều chỉnh từ thông không đổi qua việc giữ tỉ số U/f là
hằng số. Vùng trên tốc độ cơ bản – điều chỉnh điện áp giữ không đổi, từ thông
động cơ giảm theo tốc độ đảm bảo công suất động cơ không đổi. Tuy nhiên
phương pháp điều khiển tần số/ điện áp rất đơn giản cho mạch chỉ có một

mạch vịng điều chỉnh tốc độ. Nếu trong mạch yêu cầu chất lượng điều chỉnh
như robot… thì các phương pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng.
Hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển
vectơ có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động. Nó
cho phép điều khiển độc lập mô men và từ thông động cơ bằng cách điều
chỉnh độc lập hai thành phần dịng điện stator tương ứng. Kênh điều khiển mơ
men gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh


- 11 -

dịng điện sinh mơmen. Kênh điều khiển từ thơng gồm một mạch vịng điều
chỉnh từ thơng và một mạch vịng điều chỉnh dịng điện sinh từ thơng. Do đó,
hệ thống truyền động điện động cơ khơng đồng bộ có thể cải tạo ra những đặc
tính tĩnh và động cao so sánh được với động cơ một chiều.
Trong hệ thống điều khiển véc tơ tín hiệu phản hồi tốc độ trong mạch
vòng điều chỉnh thường nhận được từ máy phát tốc gắn trên trục động cơ.
Trong nhiều trường hợp không thể lắp được cảm biến tốc độ trên trục động cơ
ví dụ như hệ thống truyền động điện cao tốc, hệ truyền động điện ô tô,….hay
khi động cơ làm viêc ở môi trường độc hại, hơn nữa nhiễu gây ra do truyền
dẫn tín hiệu từ máy phát tốc về tủ điều khiển động cơ ở xa trung tâm là vấn đề
phức tạp cho việc nâng cao độ chính xác điều khiển. Giá thành của cảm biến
quay hiện nay lại rất đắt.
Hệ thống truyền động mới không dùng cảm biến tốc độ đã khắc phục
được những nhược điểm trên. Trong hệ thống này, tốc độ động cơ được tính
tốn từ điện áp và dịng điện stato và sử dụng tín hiệu làm phản hồi của mạch
vòng điều chỉnh tốc độ.
2. Mục đích, đối tượng và pham vi nghiên cứu của đề tài.
“ Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo tốc độ điều khiển động cơ điện xoay
chiều ba pha rotor lồng sóc khơng dùng cảm biến tốc độ” là:

-

Phân tích một số kết quả nghiên cứu trên lĩnh vực đo và điều khiển tốc

độ động cơ không dùng cảm biến tốc độ.
-

Nghiên cứu một số phương pháp đánh giá tốc độ dựa trên mơ hình

quan sát.
-

Xét ảnh hưởng của điện trở stator và rotor đến quá trình điều khiển

động cơ từ đó xây dựng mơ hình quan sát nhận dạng tham số điện trở.
3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.


- 12 -

Đối tượng nghiên cứu xây dựng thiết bị đo tốc độ động cơ và hệ thống
điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc không dùng cảm
biến tốc độ.
Phạm vi nghiên cứu:
Nhằm tăng phản ứng động của động cơ của hệ thống, nâng cao độ chính
xác tính tốn tốc độ và từ thơng rotor, chất lượng điều chỉnh trong dải điều
chỉnh tốc độ, độ rộng đặc biệt ở vùng tốc độ thấp.
Xây dựng thuật toán nhận dạng tham số động cơ hợp lý nhằm loại trừ ảnh
hưởng của sự thay đổi các thông số trong qúa trình làm việc.
4. Nội dung của đề tài.

Trong việc thiết kế thiết bị đo tốc độ động cơ.
- Khảo sát các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay
- Xây dựng hệ thống đo tốc độ động cơ thông qua phương pháp chuyển phát
mô men để đo tốc độ động cơ.
Trong việc xây dựng hệ thống điều khiển động cơ rotor lồng sóc khơng
dùng cảm biến tốc độ ta có hai hướng nghiên cứu chính sau.
Hướng thứ nhất nhằm tăng phản ứng động của hệ thống nâng cao độ
chính xác tính tốn tốc độ và từ thơng rôto, chất lượng điều chỉnh trong dải
điều chỉnh độ rộng, đặc biệt ở vùng tốc độ thấp. Hướng thứ hai là xây dựng
thuật toán nhận dạng tham số động cơ hợp lý nhằm loại trừ ảnh hưởng của sự
thay đổi các thơng số trong q trình làm việc
5.

Phương pháp nghiên cứu.
Trong khuôn khổ luận văn, học viên đã sử dụng phương pháp nghiên cứu

tổng hợp sau:
-

Khảo sát các hệ thống đo tốc độ động cơ hiện nay đang được sử dụng và

nghiên cứu xây dựng thiết bị đo tốc độ động cơ thông qua việc chuyển phát
mô men để chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số.


- 13 -

-

Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ khơng đồng bộ xoay chiều ba

pha rotor lồng sóc khơng dùng cảm biến tốc độ.
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Xét trên lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, hệ thống điều khiển vector gián

tiếp động cơ không đồng bộ khơng dùng cảm biến tốc độ sẽ góp phần giải
quyết một số vấn đề cho các hệ thống truyền động điện chất lượng cao và
giảm giá thành đáng kể cho các hệ thống truyền động điện.
7.

Cấu trúc luận văn.
Luận văn được chia thành các chương sau.
Mở đầu: Giới thiệu về nhiệm vụ và cấu trúc của luận văn.
Chương 1. Các phương pháp đo tốc độ động cơ và xây dựng mạch đo

tốc độ động cơ.
Chương 2. Tổng quan về động cơ không đồng bộ trong hệ không gian
vector.
Chương 3. Đánh giá tốc độ động cơ và hệ thống điều khiển vector
không dùng cảm biến tốc độ.
Chương 4. Xây dựng thuật tốn tính tốn tốc độ, mơ hình quan sát từ
rotor và dịng điện stator và mơ hình quan sát điện trở stator và rotor.
Chương 5. Xây dựng hệ thống điều khiển vector gián tiếp không dùng
cảm biến tốc độ và minh họa một số kết quả mơ hình hóa hệ thống điều khiển
vector không dùng cảm biến tốc độ.
Kết luận và kiến nghị

- 14 -

Chương 1
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ VÀ XÂY DỰNG HỆ
THỐNG ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1.1. Các phương pháp đo tốc độ động cơ.
Để đo tốc độ của rotor ta có thể sử dụng các các phương pháp sau đây.
-

Sử dụng máy phát tốc.

-

Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa.

-

Sử dụng máy đo góc tuyệt đối.

-

Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dịng điện và điện áp stator mà

khơng cần bộ cảm biến tốc độ.
Do độ chính xác thấp, lại đòi hỏi kèm theo bộ đổi tương tự - số để số hóa
tín hiệu đo nên phương pháp sử dụng máy phát tốc đã dần đi vào dĩ vãng.
Dưới đây sẽ trình bày các phương pháp xác định tốc độ quay của rotor.
1.1.1.

Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa (Incremental

En-coder).
Đĩa mã hóa

Đĩa mã hóa

R1 +5v
180Ω

R2 + 5v
2,2kΩ

Tâm trục cơ khí
Đường tâm
ánh sáng
Led

Phototranzito

a,

b,

Hình 1.1. Bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa
a, Sơ đồ cảm biến quang tốc độ.
b, Sơ đồ nguyên lý tranzito quang.
Hình 1.1a sơ đồ sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ. Đĩa mã hóa gắn trên
trục động cơ gồm các lỗ, trên (hình 1.1a) có tám lỗ. Đĩa đặt giữa nguồn tia

- 15 -

hồng ngoại do điốt phát quang LED cung cấp và đầu thu là tranzito quang
(hình 1.1b). Khi đĩa quay tranzito sẽ chỉ chuyển mạch nếu vị trí LED, lỗ,
tranzito thẳng hàng. Khi đó tranzito đưa điện áp trên R2 về mức thấp. Khi đĩa
ngăn ánh sáng thì tranzito quang bị khóa, kết quả là điện áp trên R2 về mức
cao.
Kết quả là khi đĩa mã hóa quay, ứng với (hình 1.1a) trên đầu ra R2 ta
được tám xung hình chữ nhật. Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ đĩa. Nếu ta
muốn duy trì tốc độ quay của rotor ở tốc độ khơng đổi nào đó ứng với chu kỳ
tín hiệu do bộ cảm biến tốc độ tạo nên, chu kỳ này xác định điểm đặt tốc độ.
Để xác định chiều quay (thuận hoặc ngược) cần sử dụng bộ cảm biến kép
gồm có hai LED và hai tranzito quang, hai đĩa mã hóa. Khi đĩa quay ta nhận
được hai xung chữ nhật lệch nhau 900. Chiều quay được xác định bằng vị trí
tương đối của hai tín hiệu. Tốc độ bằng 0 có nghĩa là xung tiếp theo không
bao giờ tới. Trong thực tế áp dụng ta sử dụng bộ thời gian tràn khi các xung
đến lớn hơn 65536 bằng bộ đếm thời gian thanh ghi.
Thông thường các bộ cảm biến quang tốc độ còn xử lý sườn các xung tín
hiệu và trên cơ sở đó cho phép tăng số lượng vạch đếm trong một vòng đĩa
lên bốn lần. Chuỗi xung A hoặc B được đưa tới cửa vào của khâu đếm tiến,
biết số xung trong một chu kỳ, ta tính được tốc độ của động cơ:
n [vịng/phút] = 60N⁄ 4N0Tn

(1.1)

Trong đó: Tn là chu kỳ điều chỉnh tốc độ, ở đây là chu kỳ đếm xung tính
bằng giây.
N0 số xung trong một vòng, còn gọi là độ phân giải của bộ cảm biến tốc
độ.
N số xung trong thời gian Tn.

Để nâng cao độ phân giải của phép đo tốc độ ta có hai giải pháp:


- 16 -

-

Tăng số lỗ trong một rãnh, ta có đĩa mã hóa gồm nhiều rãnh, mỗi rãnh có

số tăng dần theo quan hệ 2n, n là số rãnh (hình 1.2).
-

Phân phối điểm xung và đo thời gian. Bên cạnh việc đếm xung ở trên ta

đo khoảng thời gian, ví dụ tĐo trên hình 1.2. Giữa hai sườn xung lân cận thời
điểm bắt đầu và kết thúc chu kỳ T bằng cách đồng thời đếm một chuỗi phụ có
tần số cố định. Trường hợp này công thức (1.1) trở thành:
n = 60N⁄ 4N0Δt = f (N0Δt)
Đạo hàm riêng của n, với Δt = tĐ0
dn =

 Tn

(1.2)

được.

60
n
n

d N0  (Δt) = - d(Δt)
4 N0Δt
Δt
Δt

(1.3)

t

Tđo
Ð0
A
B

Tn
T
n

Xung đếm phụ
Hình 1.2. Sơ đồ hai kênh tín hiệu ra lệch nhau 900 A và B của máy phát xung
Nếu xung đếm phụ có độ phân giải thời gian d(Δt) = 50 ns, khi n = 3000
vòng/phút theo (1.3) ta xác định được độ phân giải dn = 0,15 vg/ph tạo điều
kiện ổn định tốc độ n với độ chính xác rất cao. Phương pháp đo thời gian,
phối hợp đếm xung có độ phân giải khơng cịn phụ thuộc vào độ phân giải của
đĩa mã hóa mà chỉ phụ thuộc vào tần số của chuỗi xung phụ đo thời gian (hình
1.2). Nhiều bộ cảm biến quang tốc độ khơng cấp tín hiệu A, B chữ nhật mà có
dạng sin như hình 1.3a


- 17 -

Tín hiệu A

Tín hiệu A

Tín hiệu B

Tín hiệu B

a,
Thuật
tốn
xử lý

A

A

Đếm
xung

α=arctgB/A

b,
Hình 1.3; a. Máy phát xung với hai kênh A, B có tín hiệu dạng sin.
b. Sơ đồ ngun lý của mạch đo.
Hai tín hiệu trigo (hình 1.3b) để tái tạo lại dạng xung chữ nhật sau đó sử
dụng như tín hiệu đo tốc độ thơng thường có kèm theo khả năng nhân bốn.
Trong mỗi xung có khả năng đọc các giá trị sin, cos. Bằng cách xác định
α = arctgB/A, ta thực hiện nội suy vị trí trong bản thân một xung chữ nhật,

nhờ đó nâng độ phân giải của phép đo lên 18 – 20 bít/1vịng. Bộ cảm biến
quang tốc độ bằng đĩa mã hóa thơng dụng ngồi hai kênh A và B cịn cấp


- 18 -

xung “0” tín hiệu về một góc cố định của trục quay tạo điều kiện sử dụng
trong hệ truyền động động cơ đồng bộ.
1.1.2. Sử dụng máy đo góc tuyệt đối (Resolver).
Máy đo góc tuyệt đối cấu tạo gồm hai phần:
-

Phần động gắn liền với trục quay của động cơ chứa cuộn sơ cấp được

kích thích bằng sóng mang tần số từ 2 – 10kHz qua máy biến áp quay (hình
1.4a).
Phần tĩnh có hai dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau

-

900.. Đầu ra của hai dây quấn thứ cấp ta thu được hai tín hiệu điều chế biên độ
UU0sinωtsinθ và UU0sinωtcosθ (hình 1.4b).
Đường bao của biên độ kênh tín hiệu ra chứa thơng tin về vị trí tuyệt đối
(góc θ) của rotor máy đo, có nghĩa là vị trí tuyệt đối của rotor động cơ (hình
Kích thích2-10kHz

1.4c

sin

Sin
Trục đc
Biến áp

Trục
cos

Kích thích
U0sinωt

a
Sin

cos

θ

Sin U0sinωtcosθ

b,

Roto

Hình 1.4. Máy đo góc tuyệt đối
a) Cấu tạo; b) Sơ đồ nguyên lý; c) Hai kênh tín hiệu;

c,


- 19 -

Có hai cách thu thập thơng tin về θ. Cách 1 là hiệu chỉnh sửa sai góc thu
được trên cơ sở so sánh góc và được cài đặt sẵn trong một số vi mạch sãn có.
Các vi mạch này cho tín hiệu góc dạng số với độ phân giải 10 – 16 bít/1vịng
và một tín hiệu tốc độ quay dạng tương tự. Do cần sử dụng khâu điều chỉnh I
hoặc PI để sửa sai lệch góc nên chiều rộng dải tần và độ phân giải cho phép
phụ thuộc vào thơng số của mạch điều chỉnh.
Cách 2 có chất lượng cao hơn là dùng hai bộ đổi tương tự - số để lấy
mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế. Trong trường hợp này cần đồng bộ
chặt chẽ giữa thời điểm lấy mẫu và khâu tạo tín hiệu kích thích 2 – 10kHz sau
đó dùng bộ lọc để chuyển xung chữ nhật thành tín hiệu kích thích hình sin.
Ngồi ra phải có biện pháp giảm sai số truyền dẫn tín hiệu từ bộ cảm biến đặt
ở động cơ đến bộ vi xử lý đặt ở bàn điều khiển.
Độ phân giải của phép đo dùng máy đo góc tuyệt đối hoàn toàn phụ
thuộc vào độ phân giải của bộ đổi tương tự - số. Ví dụ khi sử dụng bộ đổi
tương tự - số có độ phân giải 12 bít, góc θ đo được với độ phân giải cỡ 12800
xung/vòng. Máy sử dụng thuận lợi cho cả hai loại động cơ xoay chiều, đặc
biệt là động cơ không đồng bộ là loại cần biết giá trị tuyệt đối của vị trí rotor.
Khi đạo hàm góc quay θ ta thu được tốc độ ω của rotor.
Máy đo góc tuyệt đối ít nhạy với nhiệt độ và ít nhiễu điện từ, tuy vậy
chúng không đặt được độ phân giải cao như bộ cảm biến quang tốc độ với tín
hiệu hình sin.
1.2. Xây dựng mạch đo tốc độ động cơ.
1.2.1. Mục đích.
Chế độ làm việc của động cơ được đặc trưng bởi các thông số cơ học là
mô men quay M và tốc độ quay n và các thông số điện là điện áp U và dòng
điện I của động cơ tiêu thụ từ lưới điện. Việc đo lường các thông số điện áp
và dòng điện thực hiện dễ dàng nhờ các dụng cụ đo lường như von kế và

- 20 -

ampe kế. Mô men quay của động cơ là thông số liên quan tới phụ tải cơ trên
của động cơ. Việc xác định momen quay M có ý nghĩa quan trọng khi cần biết
chế độ làm việc của các máy, điều đó biết được hiệu xuất làm việc của các
máy. Trong hệ thống tự động điều khiển động cơ khơng đồng bộ có mạch
vịng phản hồi theo tốc độ vào mômen, việc xác định mômen điện từ của động
cơ có ý đặc biệt quan trọng vì thơng số điều khiển là tốc độ quay n và mô men
M của động cơ. Các hệ thống như vậy phải có khâu đo lường để cung cấp tín
hiệu phản hồi tỉ lệ với mơmen điện từ của động cơ. Có thể sử dụng các mạch
chuyển phát khác nhau làm khâu đo lường này. Hiện nay kỹ thuật đo lường và
điều khiển đã sử dụng nhiều đến máy tính là loại thiết bị được trang bị rộng
rãi hiện nay trong các cơ sở nghiên cứu, học tập, cũng như trong nhiều lĩnh
vực sản xuất công nghiệp và đời sống sinh hoạt. Các thiết bị, hệ thống đo
lường, điều khiển ghép nối với máy tính đem lại hiệu quả đầy tính ưu việt như
độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn và khả năng tự động hóa
trong việc thu thập, xử lý kết quả đo, lập bẳng thống kê, vẽ đồ thị và in kết
quả. Vì vậy, ta cần ta phải xây dựng ra một mạch điện – điện tử cho phép tính
tốn ra trị số của mơ men điện từ trực tiếp từ các tín hiệu đặt vào động cơ.
1.2.2. Các công thức để xây dựng mạch chuyển phát mô men của động cơ
không đồng bộ để đo tốc độ động cơ.
Trong hệ thống tự động điều khiển động cơ khơng đồng bộ có mạch
vịng phản hồi theo tốc độ và mô men, việc xác định điện từ của động cơ có
ý nghĩa quan trọng vì thơng số để điều khiển động cơ là tốc độ động cơ và
mô men M của động cơ. Trong nhiều trường hợp không thể lắp được cảm
biến tốc độ trên trục động cơ như ở trong truyền động điện cao tốc, hệ truyền
động điện ôtô..hay động cơ làm việc ở trong môi trường độc hại do vậy việc
xây dựng mạch chuyển phát mô men của động cơ không đồng bộ để đo tốc
độ động cơ là cần thiết. Như ta đã biêt tốc độ góc ω = 2πn/60 = n/9,55

- 21 Và mô men điện từ M = P/ω = 9,55P n (Nm) hay Mđ = M- Mc = Jdω dt
→ dω dt =

→ dω dt =

đ

→ ωth = ∫

đ

dt, hay n = 9,55Mđ/J trong

trường hợp này ta không sử dụng công thức này được mà ta đo tốc độ động
cơ thông qua việc đo mô men đâp mạch tức thời Mđ
Trong đó: M là mơ men điện từ
Mc là mơ men cản
ωth là tốc độ góc tức thời
Mđ là mô men đập tức thời
Trong hệ tọa độ α, β quay với tốc độ ωk = 0 mômen điện từ của động cơ được
xác định theo biểu thức:
M = 3/2 (Ψαsiβs - Ψ βsiαs)

(1.4)

Trong đó: iαs là thành phần dòng điện của dây quấn stator theo trục α.
iβs là thành phần dòng điện của dây quấn stator theo trục β.
Các thành phần dòng điện iβs, iαs của dây quấn stator được xác định theo
quan hệ sau:

i

=i

i

=

√

Trong đó:

(i

− 2i )
,

(1.5)

là các dòng điện trong dây quấn pha A và dây quấn

pha B của stator.
Các dòng điện trong dây quấn pha A và trong dây quấn pha B của stator
,

đo được nhờ các sensor dòng điện là các máy biến dòng TI đặt vào

các dây dẫn của pha A và pha B cung cấp cho động cơ.
Ψαs, Ψβs là các thành phần từ thông theo trục α và β của dây quấn stator.
Các thành phần từ thông Ψ αs, Ψβs được xác định theo các phương trình

điện áp uαs và uβs theo các trục αβ của dây quấn stator.
uαs = Rsiαs + d Ψαs/dt.


- 22 -

uβs = Rsiβs + d Ψ βs/dt.
Trong đó: Rs là điện trở một pha của dây quấn stator.
Các thành phần điện áp theo các trục α, β là uαs, uβs được xác định theo
quan hệ sau:
u =u
u

=

√

(u

(1.6)

− 2u )

Trong đó: u , u

là các điện áp của các pha A và B đặt vào dây quấn

stator của động cơ.
Từ các phương trình cân bằng điện áp u , u

ta có thể xác định các

thành phần từ thơng Ψ αs, Ψβs theo các biểu thức sau:
Ψ = ∫(u − R i )
Ψ = ∫(u − R i )
Các điện áp u , u

(1.7)

trong cơng thức (1.6) có thể đo bằng các sensor

điện áp là các máy biến điện áp TU nối vào mạch cung cấp cho dây quấn
stator của động cơ.
Các công thức (1.4), (1.5), (1.6), (1.7) cho phép tính được mơ men điện
từ cảu động cơ từ các điện áp u , u

và các dịng điện

,

là các tín hiệu

điện nhận từ các sensor dịng điện.
Việc tính tốn mơmen điện từ của động cơ có thể thực hiện theo hai
phương án:
-

Phương án 1: sử dụng các bộ khuếch đại thuật tốn để thực hiện các

phép tính cộng, trừ và lấy tích phân. Để thực hiện phép nhân cần sử dụng vi

mạch nhân, từ đó xác định mơmen điện từ theo công thức (1.4), (1.5), (1.6),
(1.7). Theo sơ đồ mạch tính tốn kiểu tương tự kết quả đo được chỉ thị bằng
đồng hồ đo hoặc có thể quan sát trên màn hình của một dao động ký có bộ
nhớ.


- 23 -

Phương án thứ 2: sử dụng máy tính số để tiến hành tính mơ men theo

-

các cơng thức (1.4), (1.5), (1.6), (1.7). Phương pháp này đòi hỏi phải sử dụng
các vi mạch chuyển đổi tương tự - số để sủ lý các tín hiệu tương tự điện áp
u ,u

dịng điện

thành tín hiệu số trước khi đưa vào máy tính để

,

thực hiện các phép tính nói trên. Kết quả tính tốn được thể hiện trên màn
hình máy tính dưới dạng đồ thị theo thời gian M(t).
1.2.3. Phương án chuyển phát mômen điện từ của động cơ không đồng bộ
theo sơ đồ mạch tính tốn kiểu tương tự.
1.2.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản.
Như đã đề cập ở trên dù thực hiện mạch chuyển phát mô men theo kiểu
tương tự hay theo phương án sử dụng máy tính số đều phải dùng đến các máy
biến điện áp TU để nhận được các tín hiệu điện áp u , u

dịng TI để có các tín hiệu dịng điện

,

và các máy biến

. Các sensor điện áp và dòng điện

này được mắc trong mạch động lực cung cấp dây quấn stator của động cơ như
vẽ trên hình 1.5.
Theo cơng thức
i

i

=i

i

=

√

(i

− 2i )

được tính tốn nhờ một bộ khuếch đại thuật tốn lắp ráp theo sơ đồ

cộng tín hiệu có các tín hiệu ở đầu vào là ,

cịn tín hiệu ở đầu ra là iβs.
u =u
Tương tự như vậy từ công thức u =
(u − 2u )
√

Lúc này uβs suy ra nhờ một bộ khuếch đại thuật toán thứ 2 cũng lắp theo
sơ đồ cộng tín hiệu để thực hiện phép tính. Các tín hiệu i
u

= i và u

=

nhận được từ các sensor điện áp và dòng điện được đưa đến các đầu vào

của một bộ khuếch đại thuật toán thứ 3, lắp theo sơ đồ mạch tích phân để tính
tốn ra thành phần từ thơng Ψ αs theo biểu thức (1.7). Cịn các tín hiệu ra i ,